СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ КОРРЕКЦИИ В ТЕРМОСТОЙКОМ ПЕРЕДАТЧИКЕ
METHOD OF REGULATING PRECOMPENSATION VALUE IN HEAT-RESISTANT TRANSMITTER

Изобретение относится к технике для промыслово-геофизических исследований скважин, в частности к скважинной телеметрии.
Передача данных в кодах AMI (HDB3) и NRZ много лет используется в скважинной телеметрии на скорости 300 кБод. Однако дальнейшее требуемое увеличение скорости передачи данных до величин (500-800) кБод наталкивается на резко возрастающую сложность настройки аналогового корректора приемника при смене кабеля.
Задача настройки корректора приемника может быть упрощена путем применения предварительного корректора (ПК) в передатчике скважинного прибора. Согласно известным рекомендациям ПК не предназначен для окончательного выравнивания амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) кабеля с полной строительной длиной. Поскольку максимум отношения сигнал/помеха на входе приемника достигается в случае, когда канал корректируется фильтром приемника и фильтром передатчика в равной мере. Отсюда функция ПК сводится к тому, чтобы заранее выровнять АЧХ участка кабеля длиной порядка 2-3 км.
Известна система передачи сигналов между приемным комплексом, опущенным в скважину, и центральной лабораторией управления и записи (Cretin; Jacques, Saussier; Daniel, August 8, 1989, патент США 4855732). Выходной каскад передатчика скважинного прибора данной системы представляет собой типовое устройство, которое можно назвать как «формирователь разнополярных импульсов». Формирователь содержит трансформатор с двумя встречно включенными первичными обмотками. Два конца первичной обмотки трансформатора соединяются на корпус посредством электронных ключей. Средняя точка первичной обмотки подключена к источнику питания, а вторичная нагружена на линию связи.
-jωΔt
Известен корректирующий фильтр, который в одном из своих применений используется для предварительной коррекции выходного сигнала передатчика. Фильтр содержит на своем выходе сумматор, первый вход которого является входом фильтра, причем второй вход сумматора связан с входом фильтра через программируемую линию задержки с инверсным выходом (Zhang; Michael Y., Ngai; Henry P., June 24, 2008, патент США 7391251 B1). Передаточная функция данного корректирующего фильтра соответствует передаточной функции фильтра с конечной импульсной характеристикой (КИХ) и описывается выражением: F(ω)=1-a·e, где a - коэффициент передачи линии задержки, a Δt - длительность задержки.
В данном устройстве реализован способ регулирования величины предварительной коррекции сигнала, в котором сигнал на входе в линию получают путем комбинирования текущего входного сигнала и некоторой доли его задержанной копии. Желательный вид АЧХ фильтра получают раздельным или совместным программированием длительности задержки и коэффициента передачи усилителя.
Устройство характеризуется значительной сложностью.
Известен также способ изменения коэффициента предварительной коррекции в передатчике, где сигнал на входе в линию получают путем комбинирования текущего сигнала и задержанной на один тактовый интервал изменяемой доли входного сигнала [Savoj; Jafar декабрь 26, 2006, патент США 7155164].
Способ реализуется с помощью устройства, содержащего на выходе схему вычитания, прямой вход которой, являющийся входом устройства, соединен с входом элемента задержки, причем в устройство между выходом элемента задержки и инверсным входом схемы вычитания введен усилитель, выполненный с возможностью регулировки коэффициента передачи.
-jωΔt
В данном способе закон изменения коэффициента передачи, как и в предыдущем случае, определяется функцией F(ω)=1-a·e, где a - теперь означает коэффициент передачи усилителя. Длительность задержки здесь постоянна и равна длительности тактового интервала, т.е. Δt=T.
Практические измерения показывают, что такая большая величина Δt значительно уменьшает диапазон регулировки коэффициента a и ограничивает тем самым эффективность известного способа.
Выходной сигнал рассматриваемых ПК аналоговый. Его получают путем комбинирования входного и изменяемой доли задержанного сигналов на линейном звене (схема вычитания). Основой схемы вычитания может служить мощный операционный усилитель или мощный ЦАП. Термостойкость указанных элементов недостаточна для использования в скважинном приборе, где температура превышает 150°C, что является существенным недостатком известных способов регулировки величины предварительной коррекции.
Цель предлагаемого способа регулирования величины предварительной коррекции в скважинной телеметрии заключается в устранении указанных недостатков.
Достигается она тем, что в способе регулирования величины предварительной коррекции в термостойком передатчике, включающем вычитание изменяемой доли энергии задержанного сигнала из входного сигнала, в качестве входного сигнала используют двоичные импульсы, относительно них, исключая временное перекрытие с остальными входными импульсами, формируют задержанные импульсы, которые посылают в линию поочередно входным импульсам в обратной с ними полярности, а степень коррекции сигнала регулируют с помощью изменения ширины задержанного импульса.
Предлагаемый способ иллюстрируется следующими графическими материалами.
На фиг.1 - схема ПК для сигнала в коде NRZ.
На фиг.2 - временные диаграммы работы ПК при коррекции сигнала в коде NRZ.
На фиг.3 - не корректированный сигнал на выходе короткого отрезка кабеля.
На фиг.4 - откорректированный сигнал на выходе короткого отрезка кабеля.
На фиг.5 - схема ПК для 3-х уровневого сигнала.
На фиг.6 - временные диаграммы работы схемы ПК 3-уровневого сигнала.
На фиг.7 - не корректированный 3-х уровневый сигнал на выходе длинного отрезка кабеля.
На фиг.8 - откорректированный 3-х уровневый сигнал на выходе длинного отрезка кабеля.
Изменение величин задержки Δt и коэффициента а в известных ПК разным образом сказывается на качестве выравнивания сигнала в линии. По результатам модельных и натурных исследований было установлено, что независимо от типа и длины кабеля АЧХ КИХ фильтра оптимальным образом располагается относительно АЧХ каротажного кабеля при постоянной величине задержки: Δt=T/2. Величина коэффициента а в процессе настройки меняется в диапазоне: a=(0,25-0,75). Указанные параметры использованы далее в устройствах, с помощью которых реализуется предлагаемый способ регулирования величины предварительной коррекции.
На фиг.1 приведена одна из возможных схем ПК, реализующего предлагаемый способ регулирования при передаче данных в коде NRZ. Временные диаграммы работы ПК приведены на фиг.2.
Устройство (фиг.1) содержит схему вычитания 1, элемент задержки 2, формирователь 3. Схема вычитания 1 может быть выполнена в виде формирователя разнополярных импульсов на двух ключах, которые запитаны от источников тока с противоположной полярностью и нагружены на общую нагрузку - линию связи. Элемент задержки 2 может быть выполнен на одновибраторе с постоянной длительностью импульса, а формирователь 3 - на одновибраторе с регулируемой длительностью импульса.
На вход ПК (фиг.1) поступает слово данных: 01011 в виде укороченных импульсов (фиг.2б). Длительность входных импульсов (фиг.2б) равна половине длительности тактового интервала, границы которого обозначены на фиг.2а. Такой формат входных и выходных данных широко применяется в системах ИКМ.
Элемент задержки 2 запускается от фронта входных импульсов (фиг.2б) и формирует на своем выходе расширенные импульсы (фиг.2в). От заднего фронта расширенных импульсов (фиг.2в) запускается формирователь 3, вырабатывающий импульсы (фиг.2г), задержанные относительно входных импульсов (фиг.2б) на время величиной около T/2. Входные импульсы (фиг.2б) и задержанные импульсы (фиг.2г) поочередно поступают на противоположные входы схемы вычитания 1. В результате на выходе ПК формируется трехуровневый скорректированный сигнал (фиг.2д). В жиле кабеля импульсы фильтруются, интерферируют, в результате чего происходит их коррекция: приближение формы к исходному сигналу.
На фиг.3, 4 приведены сигналы на выходе короткого, длиной 2 км, кабеля. В первом случае (фиг.3) на вход кабеля подается сигнал: 0101100… в коде NRZ. Во втором случае (фиг.4) - сигнал с выхода предварительного корректора (фиг.2д). Сравнение между собой сигналов, изображенных на фиг.3 и фиг.4, показывает эффект применения предлагаемого способа. Видно, что в откорректированном сигнале, при величине коэффициента коррекции, a=0,6, практически отсутствуют межсимвольные искажения. Нижние частоты спектра сигнала в желаемой мере подавлены, а верхние частоты усилены. Заметно, что на отрезке сигнала, расположенного между двумя единичными импульсами, проявляется тактовая компонента. Для асинхронных систем связи это считается полезным свойством сигнала.
Отметим, что ограничение на тип входных данных в совокупности с ограничением на длительность уравнивающего импульса позволило существенно упростить схему вычитания, перевести ее в ключевой режим работы и в результате поднять термостойкость всего устройства до требуемого уровня.
Передача данных в коде NRZ в современной скважинной аппаратуре используется редко, поскольку для этого требуется отдельная жила кабеля. Гораздо чаще данные передают в балансном коде AMI(HDB3), позволяющем совмещать жилы канала связи с цепями питания прибора. Поэтому предварительная коррекция линейного сигнала в коде AMI представляет большой практический интерес.
На фиг.5 приведена схема устройства, в которой реализован один из возможных вариантов использования предложенного способа предкоррекции для формирования выходного сигнала в коде AMI.
Устройство (фиг.5) содержит элемент задержки 4, одновибратор с изменяемой длительностью импульса 5, триггер 6, ключи 7, 8, 9, 10, две схемы ИЛИ 11, 12, и выходной формирователь 13, выполняющий функцию схемы вычитания. В качестве элемента задержки 4 может использоваться одновибратор, а в качестве ключей 7, 8, 9, 10 - элементы 2И. Выходной формирователь 13 может быть выполнен на двух ключевых транзисторах, нагруженных на встречно включенные первичные обмотки выходного трансформатора. Временные диаграммы работы устройства приведены на фиг.6.
При поступлении единичного импульса (фиг.6а) во входных данных запускается элемент задержки 4, от заднего фронта импульса с выхода элемента задержки 4 (фиг.6б) запускается одновибратор 5, на выходе которого в границах тактового интервала (фиг.6д) вырабатывается соответствующий ему корректирующий импульс (фиг.6в). Так образуется пара импульсов, подлежащих передаче.
Входы управления ключа 7, коммутирующего входные импульсы (фиг.6а), и ключа 9, коммутирующего корректирующие импульсы (фиг.6в), объединены между собой, а их выходы связаны через схемы ИЛИ 11, 12 с противоположными по знаку (+1, -1) входами выходного формирователя 13. Аналогичным образом организовано управление и прохождение указанных сигналов в ключах 8, 10. Тем самым в рамках конкретного тактового интервала обеспечивается однозначная - противоположная полярность между входным (фиг.6а) и соответствующим ему корректирующим импульсом (фиг.6в).
Триггер 6 изменяет свое состояние на границе тактового интервала (фиг.6д) при поступлении очередного единичного входного бита (фиг.6а). Своими выходными сигналами с прямого и инверсного выходов он управляет работой ключей 7, 8, 9, 10, поочередно направляя пару импульсов через схемы ИЛИ 11, 12 на те, или иные входы выходного формирователя 13. В результате на выходе формирователя 13 образуется откорректированный 3-х уровневый сигнал, содержащий импульсы с чередующейся полярностью пар импульсов (фиг.6г).
На фиг.7 и фиг.8 показаны сигналы в коде AMI, полученные на выходе отрезка кабеля с увеличенной до 3-х км длиной. Сигнал без коррекции изображен на фиг.7, с коррекцией - на фиг.8. Данные передаются со скоростью 500 кБод, коэффициент коррекции, а=0,7. Видно, что использование предлагаемого способа позволяет хорошо выровнять форму сигнала в линии. В спектре скорректированного сигнала заметно выросла доля полезных высокочастотных составляющих. Понятно, что при дальнейшем распространении по кабелю сигнал вновь исказится, но восстановить его форму в приемнике теперь будет значительно легче.
Данный пример показывает, что использование предложенного способа коррекции достигается при незначительном усложнении схемы кодера AMI. Важно отметить тот факт, что изменения не коснулись типовой схемы формирователя разнополярных импульсов, которая работает в напряженном температурном режиме.
Аналогичным образом уравнивающие импульсы можно вставить в сигнал с амплитудной манипуляцией, содержащий 4.5, и т.д. уровней. В результате сигнал в линии приобретет желаемое качество, а термостойкость устройства сохранится на прежнем высоком уровне.