ЦИФРОВОЙ КАНАЛ СВЯЗИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СЕЙСМОРЕГИСТРИРУЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ Российский патент 2002 года по МПК G01V1/22 

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано для организации цифрового обмена данными между измерительными модулями, центральным блоком сбора информации и оператором в полевой телеметрической сейсморегистрирующей аппаратуре.

При организации канала цифровой связи в телеметрической сейсморегистрирующей аппаратуре одной из основных проблем является помехозащищенность канала от внешних электрических и электромагнитных воздействий, искажающих передаваемую информацию. Поскольку большой объем, а следовательно, высокая плотность передаваемой информации в подобного рода аппаратуре обусловлена числом сейсмических каналов, достигающим нескольких сотен, то даже кратковременные сбои при передаче данных могут привести к потере целых блоков и, следовательно, к повторным запросам передачи утраченной информации, т.е. в общем случае к снижению скорости обмена данными.

В связи с этим в телеметрической аппаратуре перед выдачей цифровой информации в линию связи (проводную или радиоканал) применяется специальное помехоустойчивое кодирование данных, а на приемной стороне - комплементарное декодирование, т.е. преобразование данных в исходный вид.

Суть помехоустойчивого кодирования, теоретические основы которого в 40-е годы были заложены К. Шенноном, заключается в следующем. Помехоустойчивость передачи данных на расстояние всегда обеспечивается за счет избыточности [1] . Так, если передать в канал связи цифровой символ М дважды (М,М), то на приемной стороне можно выявить одну ошибку, но установить ее место, т.е. исправить нельзя. Для того чтобы появилась возможность исправления ошибки, символ М следует передать как минимум трижды (М,М,М). Для исправления двух ошибок необходимо передать символ М не менее пяти раз и т. д. В общем случае для исправления N ошибок символ должен быть повторен Р=2N+1 раз. Недостаток Р-кратного повторения - большая избыточность при передаче данных. Поэтому основной путь повышения помехоустойчивости заключается не в Р-кратном повторении, а в дополнительном введении контрольных и проверочных символов в общий пакет данных M1,M2,М3,..., и связанных с ним какой-либо функциональной зависимостью [1]. В частности, большое распространение в системах телепередачи получили систематические коды, у которых число и место расположения контрольных символов строго заданы. Например, код Хемминга, который хотя и исправляет только одиночные независимые ошибки, но, с другой стороны, является оптимальным с точки зрения избыточности и вероятности неправильного декодирования [2].

Аналогичные и более совершенные приемы помехозащиты канала связи используются, например, в радиотелеметрической системе сбора и регистрации данных сейсморазведки XZone компании "СИ Технолоджи" [3], в телеметрических многоканальных сейсморазведочных системах ТМСМС, ТСМ-24 совместного производства СНИИГГиМС и АО СибОКБ [4,5]. Данные приемы реализуются, как правило, с помощью аппаратных, аппаратно-программных или микроконтроллерных средств, выполняющих функцию кодера канала связи на передающей стороне и соответственно декодера канала связи на приемной стороне.

Известны системы связи, обеспечивающие передачу цифровых данных в виде последовательных двоичных сигналов по двухпроводной линии. В [6] рассматривается система, состоящая из последовательно соединенных источника аналогового сигнала (ИАС), кодера источника (КДИ), кодера канала связи (КДК), цифровой линии связи (ЦЛЗ), декодера канала связи (ДК), декодера источника (ДИ) и приемника аналогового сигнала (ПАС). При этом источником аналогового сигнала в общем случае может быть любой аналоговый сигнал, в том числе и сигнал от сейсмического датчика. В КДИ происходит аналого-цифровое преобразование, а в КДК полученный цифровой код преобразуется (с учетом какого-либо алгоритма помехозащищенности) в вид, пригодный для передачи в последовательном виде по ЦЛЗ. На приемной стороне в ДК из полученной последовательности восстанавливается исходное цифровое слово, которое в декодере источника, являющемся цифро-аналоговым преобразователем, преобразуется в выборку аналогового сигнала. Если нет необходимости в последней операции, то принятые и декодированные в ДК данные могут сразу поступать, например, в цифровой накопитель.

Подобные системы каналообразования обеспечивают помехозащищенность главным образом за счет формирования соответствующих кодов в кодере канала, что не всегда оказывается достаточным по следующим причинам. При длительном и интенсивным воздействием электрических помех, например, если участки канала связи находятся вблизи силовых установок, линий электропередачи, а это зачастую случается при проведении полевых сейсморазведочных работ, то простые алгоритмы кодирования не обеспечивают надежной передачи цифровой информации, вплоть до полной потери связи. Реализация сложных алгоритмов, которые могли бы поддерживать линию связи в рабочем состоянии, в свою очередь требует значительных затрат ресурсов вычислительной техники и времени, что в свою очередь ведет к повышению стоимости аппаратуры и снижению рентабельности работ.

Наиболее близким по своей организации к предлагаемому является цифровой канал связи, описанный в [7] - прототип. Организован канал в виде системы, которая работает следующим образом. На передающей стороне несколько аналоговых сигналов подаются на входы одинаковых амплитудно-импульсных модуляторов (АИМ), выходы которых объединены. Всеми АИМ управляет генераторное оборудование передатчика (ГОпер), которое обеспечивает временное мультиплексирование аналоговых сигналов. Далее каждый АИМ отсчет с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) преобразуется в цифровой код по методу импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), который далее в формирователе линейного сигнала (ФЛС) объединяется с дополнительными импульсами синхронизации и служебной информации. По сути блок ФЛС выполняет функцию кодера канала из [6], поскольку на его выходе код является избыточным за счет введения служебных и синхроимпульсов. На последнем этапе в кодере передатчика импульсная последовательность трансформируется в биполярный сигнал, с чередованием полярностей импульсов, которые поступают на импульсный трансформатор линии связи. По каналу связи последовательность передается в виде биполярных импульсов. На приемной стороне входной импульсный трансформатор усиливает цифровую последовательность и передает в регенератор, где происходит восстановление основных параметров импульсов (амплитуда, длительность). Далее восстановленный биполярный ИКМ сигнал в преобразователе кода приемника преобразуется в однополярный и поступает на декодер, функцию которого выполняет цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Полученные аналоговые выборки демультиплексируются, причем синхронизация этой операции осуществляется с помощью генераторного оборудования приемника (ГОпр). В свою очередь ГОпр синхронизируется с ГОпер дополнительными синхроимпульсами и служебной информацией, присутствующими в ИКМ сигнале. В результате демультиплексирования происходит временное разделение группового АИМ сигнала между соответствующими аналоговыми каналами, состоящими из фильтра низкой частоты и усилителя, на выходе которых формируется исходный аналоговый сигнал.

Обобщая структуру описанной в [7] системы цифрового каналообразования, можно представить ее в следующем виде. Передающая сторона содержит последовательно соединенные источник аналогового сигнала, кодер источника сигнала, кодер канала связи, который функционально соответствует блоку ФЛС и преобразователю кода передатчика, и импульсный трансформатор линии связи. Приемная сторона содержит также последовательно соединенные импульсный трансформатор линии связи, регенератор и преобразователь кода приемника, которые фактически выполняют функцию декодера канала связи, а также декодер источника сигнала и приемник аналогового сигнала. Нетрудно видеть, что данная схема в общем виде соответствует схеме, описанной в [6]. Вместе с тем наличие блока регенерации в приемной части несколько различает эти схемы. Как уже отмечалось, в регенераторе происходит восстановление основных параметров импульсов, которые претерпели различного рода искажения при передаче по линии связи, в том числе и под воздействием внешних помех. При этом в регенераторе могут быть приняты ошибочные решения. Так вместо символа 0 может быть сформирован символ 1 и наоборот. Такие ошибки могут происходить, если истинное значение принимаемого цифрового сигнала изменится более чем на Uпop= Um/2, где Uпop - пороговое напряжение, фиксированно устанавливаемое в регенераторе; Um - номинальная амплитуда импульсов на входе регенератора. Ошибка не возникнет только в том случае, если действующая внешняя помеха не превысит Uпop [7] . Таким образом регенератором фактически является компаратор с установленным порогом срабатывания. Однако известно, что при прохождении импульса через одиночный пороговый элемент происходит искажение его длительности, поскольку в линии связи фронты и спады импульса искривляются (затягиваются). Тогда чем выше порог, тем меньше длительность импульса на выходе порогового элемента из-за того, что к вершине импульс сужается. Возможно использование следящего порога, устанавливаемого пропорционально амплитуде сигнала, что приведет к повышению степени подавления помех. Однако порог, следящий за общей амплитудой сигнала, должен самопроизвольно уменьшаться со временем в промежутке между сигнальными импульсами, причем быстрее уменьшения амплитуды сигнала, иначе последний будет подавлен. Но самопроизвольное уменьшение порога между элементарными посылками приводит к тому, что максимальное значение амплитуды подавляемой помехи зависит от места расположения помехи в промежутке между элементарными посылками. Критерий общей амплитуды оказывается малоэффективным для отличия импульсов полезного сигнала от помех.

Поэтому с целью улучшения помехозащищенности цифрового канала связи на этапе приема и первичной обработки цифровой последовательности следует воспользоваться критерием инерционности изменения амплитуды полезного сигнала, суть которого заключается в том, что каждый последующий импульс считается сигнальным, если он отличается по амплитуде от предыдущего сигнального не более чем на установленный допуск. Этот допуск определяется значением порога относительно амплитуды последнего прошедшего сигнального импульса (при использовании критерия общей амплитуды порог устанавливается пропорционально общему уровню амплитуды полезного сигнала). Применение критерия инерционности по сравнению с критерием общей амплитуды приводит к более высокой степени подавления помех, т.к. порог в промежутке между полезными импульсами практически не изменяется и, кроме того, его принудительно корректируют каждым сигнальным импульсом. Все импульсы, которые по амплитуде (с учетом допуска) меньше сигнального, появившегося до них, считаются помехой и подавляются. Таким образом, для улучшения помехозащищенности канала связи предлагается дополнить его адаптивным формирователем последовательных двоичных сигналов, реализующим описанный выше критерий инерционности.

На фиг.1 показана структурная схема цифрового канала связи, состоящая из последовательно соединенных источника 1 аналогового сигнала, кодера 2 источника, кодера 3 канала связи, импульсного трансформатора 4 передатчика, линии 5 связи, импульсного трансформатора 6 приемника, адаптивного формирователя 7 последовательных двоичных сигналов, декодера 8 канала связи, декодера 9 источника, приемника 10 аналогового сигнала. Принцип работы всей системы и отдельных блоков, входящих в ее состав, аналогичен описанному в [6, 7] . Исключение составляет дополнительно введенный адаптивный формирователь 7 последовательных двоичных сигналов. Остановимся более подробно на структуре и работе этого блока.

На фиг. 2 изображена структурная схема адаптивного формирователя. Он состоит из двух идентичных блоков А1 и А2, выходы которых подключены к общему RS триггеру 20. Общим же для обоих каналов является входной инвертор 11, который обеспечивает инверсию однотипных импульсов на входах блоков А1 и А2 относительно друг друга. Каждый из блоков состоит из предварительного усилителя 12, дифференцирующей цепочки 13, первого ключа 14, первого интегратора 15, второго интегратора 16, второго ключа 17, делителя, выполненного на резисторах R1 и R2, фазоинвертора 18 и эмиттерного повторителя 19. При этом для блока А1 вход предварительного усилителя 12 подключается к выходу инвертора 11, а для блока А2 вход аналогичного предварительного усилителя соединен со входом инвертора 11, т.е. непосредственно с выходом импульсного трансформатора 6 приемника (фиг.1). Далее для блоков А1 и А2 все идентично. Выход предварительного усилителя 12 соединен со входами дифференцирующей цепочки 13, первого интегратора 15, второго интегратора 16 и с управляющим входом фазоинвертера 18, выход которого подключен ко входу эмиттерного повторителя 19. Выход последнего является выходом блока А1 (аналогично для А2). Выход дифференцирующей цепочки 13 подключен ко входу первого ключа 14, выход которого соединен с шунтирующим входом первого интегратора 15. Выход первого интегратора 15 подключен ко входу второго ключа 17, выход которого объединен с выходом второго интегратора 16 через делитель на резисторах R1, R2 и соединен с питающей шиной фазоинвертора 18. На фиг.3 изображены эпюры напряжений, поясняющие работу устройства. На фиг.3, 21 показана форма исходного сигнала, передающегося в линию 5 связи (фиг.1), на фиг. 3,22 - форма сигнала, искаженного помехами после линии 5 связи (фиг.1), поступающего на вход адаптивного формирователя 7 (фиг.1), т.е. на вход предварительного усилителя 12 (фиг.2). Работает адаптивный формирователь следующим образом. Сигнальный импульс поступает на вход предварительного усилителя 12, рабочая точка которого установлена таким образом, что он ограничивает сигнал сверху. Форма сигнала на выходе предварительного усилителя 12 показана на фиг. 3,23 для блока А1 и на фиг.3,24 для блока А2. Ограничение сигнала предварительным усилителем 12 повышает соотношение сигнал/помеха. Степень подавления помех тем выше, чем больше уровень ограничения. Однако он должен быть достаточно малым, чтобы полезный сигнал, изменяясь со временем по амплитуде, не смог бы установиться меньше его уровня. С выхода предварительного усилителя 12 сигнальный импульс поступает на первый интегратор 15, заряжая его конденсатор до амплитуды, близкой к амплитуде импульса, в результате чего отпирается второй ключ 17. Одновременно сигнальный импульс, поступая на вход второго интегратора 16, заряжает его конденсатор до уровня не менее 70% от напряжения на конденсаторе первого интегратора 15. Этот уровень подбирается с помощью резисторов делителя R1 и R2. К точке соединения резисторов делителя подключена питающая цепь фазоинвертера 18, который открывается только тогда, когда амплитуда импульса, поступившего на его управляющий вход (т.е. непосредственно с выхода предварительного усилителя 12), превысит напряжение (порог) его питающей цепи, уровень которого, как отмечалось выше, формируется напряжением на конденсаторе второго интегратора 16 и состоянием второго ключа 17, определяющих потенциал в точке соединения резисторов делителя Rl и R2. Сигнальный импульс в дифференцирующей цепочке 13 преобразуется в короткий, который воздействуя на первый ключ 14, кратковременно отпирает его. Первый ключ 14 в свою очередь кратковременно шунтирует конденсатор первого интегратора 15, частично разряжая его. В промежутке между запиранием первого ключа 15 и окончанием действия сигнального импульса конденсатор первого интегратора 15 вновь подзаряжается до напряжения, близкого к амплитуде импульса. Таким образом, каждый сигнальный импульс корректирует порог пропорционально своей амплитуде. Помехи, амплитуда которых меньше порога, через фазоинвертор 18 не проходят и порог не корректируется. Следовательно, изменяясь по амплитуде от импульса к импульсу менее чем на 30%, сигнал через фазоинвертор 18 и эмиттерный повторитель 19 поступает на RS триггер и переключает его.

Форма импульсов, прошедших через адаптивный формирователь, показана на фиг. 3,25 (на выходе блока А1) и на фиг.3,26 (на выходе блока А2). На выходе RS триггера 20 формируется сигнал (фиг.3,27), схожий по форме с исходным.

Так как в промежутке между импульсами пороги остаются неизменными, то блоки А1 и А2 адаптивного формирователя, в отдельности искажающие длительность элементарных посылок, работая совместно, компенсируют взаимные искажения (если один канал уменьшает длительность элементарной посылки из-за искривления ее фронта, то другой на столько же увеличивает длительность этой же элементарной посылки из-за такого же искривления ее спада). Поэтому передаваемый двоичный сигнал восстанавливается в устройстве без искажения, только элементарные посылки задерживаются на время, равное времени нарастания фронтов импульсов, до достижения порогового уровня.

Адаптивный формирователь был выполнен на кремниевых маломощных транзисторах р-n-р- и n-р-n-структуры, типа КТ315Г, КТ361 Г и КМОП микросхеме серии К561. Устройство надежно работает с сигналами амплитудой не менее 20 мВ и частотой следования от 20 до 200000 бод. Скорость может быть увеличена до нескольких миллионов бод, если применить соответствующую элементную базу (СВЧ транзисторы, скоростные микросхемы, например, серии КР1554).

В заключение следует сказать, что совместное использование адаптивного формирователя последовательных двоичных сигналов и достаточно простого помехоустойчивого кодирования, позволяющего исправлять всего лишь одиночные ошибки, значительно повышает помехозащищенность цифрового канала связи по сравнению с применением только одного помехоустойчивого кодирования, даже если при таком кодировании используются более сложные алгоритмы, позволяющие исправлять двойные и тройные ошибки.

Источники информации:
1. В. М. Муттер. Основы помехоустойчивой телепередачи информации. Л., Энергоатомиздат, 1990, с. 5, 6.

2. Б. В. Шевкопляс. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения. М., Радио и связь, 1990, с. 289, 290.

3. XZone. Радиотелеметрическая система сбора и регистрации данных сейсморазведки. Рекламный буклет Компании "СИ Технолоджи", Россия, г. Геленджик.

4.С.А.Федотов. О телеметрических многоканальных сейсморазведочных системах. Геофизика 1, 1996, с. 62 - 64.

5. Телеметрическая сейсморазведочная станция. Техническое описание. Альбом электрических принципиальных схем. АО СибОКБ, Новосибирск, 1995.

6. И. М. Дворецкий, И.Н. Дриацкий. Цифровая передача сигналов звукового вещания. М., Радио и связь, 1987, с. 36 - 38.

7.А.С.Аджемов, А.И. Кобленц, В.Н. Гордиенко. Многоканальная электросвязь и каналообразующая телеграфная аппаратура. М., Радио и связь, 1989, с. 111 - 115. ПРОТОТИП.

Использование: для организации цифрового обмена данными между измерительными модулями, центральным блоком сбора информации и оператором в полевой телеметрической сейсморегистрирующей аппаратуре. Сущность: цифровой канал связи содержит источник аналогового сигнала, кодер источника, кодер канала связи, в котором происходит помехоустойчивое кодирование, импульсный трансформатор передатчика, собственно линию связи, которая может быть как двухпроводной, так и радиоканалом, импульсный трансформатор приемника, декодер канала связи, в котором помехоустойчивый код декодируется, например, в стандартный ИКМ код, декодер источника, приемник аналогового сигнала, а также дополнительно введенный адаптивный формирователь последовательных двоичных сигналов, включенный между импульсным трансформатором приемника и декодером канала связи. Технический результат: улучшение помехозащищенности цифрового канала связи за счет введения в канал адаптивного формирователя последовательных двоичных сигналов, работа которого основана на использовании критерия инерционности изменения амплитуды последующего информационного импульса по отношению к предыдущему. 3 ил.

Цифровой канал связи телеметрической сейсморегистрирующей аппаратуры, содержащий последовательно соединенные источник аналогового сигнала, кодер источника сигнала, кодер канала связи, импульсный трансформатор передатчика, линию связи, импульсный трансформатор приемника, а также последовательно соединенные декодер канала связи, декодер источника и приемник аналогового сигнала, отличающийся тем, что в него дополнительно введен адаптивный формирователь последовательных двоичных сигналов, реализующий критерий инерционности изменения амплитуды полезного сигнала, вход которого соединен с выходом импульсного трансформатора приемника, а выход подключен ко входу декодера канала связи, и состоящий из двух идентичных блоков, общими для которых являются входной инвертор и выходной RS триггер, при этом вход инвертора, соединенный со входом второго блока, является входом адаптивного формирователя, а выход инвертора соединен со входом первого блока, каждый блок состоит из последовательно соединенных входного предварительного усилителя, дифференцирующей цепочки и первого ключа, а также из первого интегратора, второго интегратора, второго ключа, делителя и последовательно соединенных фазоинвертора и эмиттерного повторителя, при этом выход первого ключа соединен с шунтирующим входом первого интегратора, выход входного предварительного усилителя соединен со входами первого интегратора, второго интегратора и фазоинвертора, выход первого интегратора подключен ко входу второго ключа, выход которого соединен с одним из входов делителя, к его второму входу подключен выход второго интегратора, выход делителя соединен с питающей шиной фазоинвертора, выходом каждого из двух идентичных блоков является выход эмиттерного повторителя, который соединен с одним из входов выходного RS триггера, к другому входу которого подключен выход эмиттерного повторителя второго блока, выход RS триггера является выходом адаптивного формирователя.