CN101191413B - 井下数字电视数据的高速传输方法及其传输系统 - Google Patents

Abstract

一种井下数字电视数据的高速传输方及传输系统，该方法采用数字信号调制传输模式，要发送的数字信号经2ASK调制，经过功率放大器与阻抗匹配，发送到传输电缆上；在地面接受到2ASK信号后，用CPLD软解调技术解调还原数据。该系统包括井下发送电路、传输电缆和地面接收电路，井下发送电路包括对图像数据进行压缩、缓冲和发送的DSP、对数字信号进行2ASK调制的井下调制电路、电缆驱动电路以及阻抗匹配电路；地面接收电路包括阻抗匹配网络、选频滤波器、信号放大器、整形电路和解调电路，该解调电路还要提取出字同步信号和位同步信号。本发明采用普通测井电缆实现了井下数字电视数据的高速传输，性能价格比很高，适合于应用推广。

Description

井下数字电视数据的高速传输方法及其传输系统

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，尤其涉及井下数字电视数据的高速传输方法。

背景技术

井下电视成像技术是专门用于直接观测裸眼井、套管井和生产井井下状况的，因而在石油、勘探过程中具有极其重要的作用。

在井下电视测井领域，井下数字电视系统的传输系统用于完成对井下串行压缩数据的调制和解调；地面系统则完成视频信号的回放与存储。国内尚无用普通测井电缆对井下数字电视数据进行高速传输的方法。而美国的DHVI公司的井下电视系统传输方式主要有三种：光纤、同轴电缆、单芯测井电缆。光纤电缆传输速度高，但成本高昂不利于推广。同轴电缆传输距离受限，应用范围小；单芯测井电缆传输速率慢，小于500Kbps，1.7s一幅图像，不能获得连续的井下视频图像。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种采用普通测井电缆传输的井下数字电视数据的高速传输方法及其系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种井下数字电视数据的高速传输方法，包括以下步骤：

(a)采用数字信号调制传输模式，要发送的数字信号经2ASK调制，经过功率放大器与阻抗匹配，发送到传输电缆上；

(b)在地面接受到2ASK信号后，用复杂可编程逻辑器件CPLD软解调技术解调还原数据，从而完成整个数据传输的任务。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述调制后的串行数据速率和电缆的传输速率均为1Mbps。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述步骤(a)中，采用双缓冲区的存储结构进行压缩图像数据的缓冲和发送，并应用串行口自动缓冲技术，避免数据在发送之前被新到来的数据覆盖，且以同步机制保证图像的压缩和发送同步。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述步骤(a)中在发送时采用跳场技术，只选择发送部分场的数据。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述步骤(b)中采用过零计数法解调，调制信号经放大、整形后，根据结束码和同步头精确地检测出同步信号送入分频器以知道一场数据的开始，同时对振荡器产生的50MHz脉冲分频产生码元宽度的定时器——1μs定时器，然后将一路输出作为位同步信号，另一路送到16分频器得到字同步信号，另一路输出到计数器以在1μs时间里计脉冲的个数，然后对脉冲个数和设定门限相比较，得出调制的码元，在1μs的间隔下输出调制出的码元。

进一步地，上述方法还可具有以下特点：所述设定门限为7。

本发明提供的一种井下数字电视数据的传输系统包括井下发送电路、传输电缆和地面接收电路，其中：

所述井下发送电路部分包括依次相连的，对图像数据进行压缩、缓冲和发送的数字信号处理器DSP、对数字信号进行2ASK调制的井下调制电路、对信号进行电压和功率放大的电缆驱动电路以及阻抗匹配电路；

所述地面接收电路包括依次相连的阻抗匹配网络、选频滤波器、信号放大器、整形电路和解调电路，该解调电路在对传输电缆传输的调制波进行解调得到数据信号的同时，还要提取出字同步信号和位同步信号，保证地面数字信号处理器DSP的可靠接收。

进一步地，上述系统还可具有以下特点：所述传输电缆采用3000米的测井电缆。

进一步地，上述系统还可具有以下特点：所述DSP中的发送缓冲器采用双缓冲区的存储结构，包括先入先出缓存FIFO，与该FIFO输出端相连的发送缓冲区和数据缓冲区，以及与发送缓冲区和数据缓冲区输出相连的串行口发送寄存器，该数据缓冲区用于保存图像压缩电路输出的压缩图像数据，该发送缓冲区用于将图像数据通过串行口发送给后续电路并进而通过电缆传输，串行口发送寄存器用于将发送缓冲区中的数据逐字装入TX0，发送一个，装载一个。

进一步地，上述系统还可具有以下特点：所述解调电路为用复杂可编程逻辑器件实现，包括同步检测单元、第一分频器、第二分频器、计数器、

所述同步检测单元用于接收经放大、整形后的调制信号，根据结束码和同步头精确地检测出同步信号，送入第一分频器；

所述第一分频器对振荡器产生的脉冲分频产生码元宽度的定时器——1μs定时器，其输出信号一路作为位同步信号输出，另一路送到第二分频器，另一路送到所述计数器；

所述第二分频器用于对第一分频器输出信号分频得到字同步信号输出；

所述计数器用于在1μs时间里计脉冲的个数，输出到判决器；

所述判决器用于对脉冲个数和设定门限相比较，得出调制的码元，在1μs的间隔下输出。

本发明采用普通测井电缆实现了井下数字电视数据的高速传输，性能价格比很高，适合于应用推广。

附图说明

图1是本发明实施例传输系统的结构图。

图2是本发明实施例井下电视数据存贮的结构示意图。

图3是本发明实施例串口发送时序波形图，以跳1场为例。

图4是图1中FPGA的功能框图。

具体实施方式

本实施例中，井下电视传输系统采用数字信号调制传输模式，由井下发送电路、地面接收电路以及测井电缆组成。井下发送电路的数字信号调制采用2ASK调制，串行数据速率1Mbps。经过功率放大器与阻抗匹配，发送到传输电缆上(采用3000米的测井电缆)，传输速率为1Mbps。在地面接受到2ASK信号后，用CPLD(复杂可编程逻辑器件)软解调技术，还原数据，从而完成整个数据传输的任务。

如图1所示。井下发送电路部分包括依次相连的，对图像数据进行压缩、缓冲和发送的数字信号处理器DSP、对数字信号进行2ASK调制的井下调制电路、对信号进行电压和功率放大的电缆驱动电路(包括电压放大器和功率放大器)以及阻抗匹配电路。

在DSP(数字信号处理器)中，发送缓冲器采用双缓冲区的存储结构进行压缩图像数据的缓冲和发送。井下电视图像经过压缩后，在井下DSP中的数据存储结构如图2所示。包括512×32bit的先入先出缓存FIFO，与该FIFO输出端相连的发送缓冲区(TBUF)和数据缓冲区(DBUF)，以及与TBUF和DBUF输出相连的串行口发送寄存器TX0。

本实施例在该存储结构上应用了串行口自动缓冲技术，其中数据缓冲区用于保存图像压缩电路输出的压缩图像数据，发送缓冲区用于将图像数据通过串行口发送给后续电路并进而通过电缆传输，使用双缓冲区的作用在于避免了数据在发送之前被新到来的数据覆盖，并有同步机制保证图像的压缩和发送同步，避免了缓冲器空或者溢出错误。TX0是DSP的串行口发送寄存器，发送缓冲区中的数据要想从串行口进行发送，必须先逐字装入TX0，发送一个，装载一个。自动缓冲是指软件设置发送数据的起始位置和待发送的数据个数后，数据发送在后台操作，数据发送过程中不打断主程序的运行，直到数据全部发送完才产生中断，这样能避免串行口频繁产生中断，提高了程序的执行效率。

此外，本实施例还采用了跳场技术。我国电视信号采用隔行扫描技术，将一幅图像分为奇数行和偶数行进行扫描，以降低图像的闪烁感。对模拟图像进行采样时，也分为奇数场和偶数场进行采样和保存。我国PAL制式电视图像场频为50Hz，即每秒50幅图像，采样后的图像亦为50场，采样后的图像数据量很大，为了兼顾图像的质量和实时性，本发明不能将所有数据全部发送，而选择发送其中的一部分，例如只发送1、4、7、9。。。等，2、3和5、6等场被跳过不发送，即为所谓的跳场。在图像回放时，将第1场当作1、2、3场播放，因此接收端看到的图像还是连续的，没有黑屏和闪烁，跳场的目的是在不明显降低图像的实时性的条件下极大地减少了数据的发送量，降低了对传输速率的要求。跳场是DSP控制下由图像压缩硬件完成的。

串行口的时序波形如图3所示，图中以跳1场为例，跳1场后场频为25场/秒，因此每场数据平均到达时间间隔为40ms。

要发送的数据帧采用帧长编码，其帧内数据如下表所示：

跳场后根据跳场的数量不同，可能只有奇数场或偶数场，也可能同时有奇数场和偶数场，跳场的数量可通过程序设定。

井下调制电路主要完成2ASK调制波的产生，并能够产生足够大的幅度和驱动能力，产生的调制波要足够的光滑，高次谐波尽可能的少，同时能够保证调制波频率尽量稳定。

地面接收电路包括阻抗匹配网络、选频滤波器、信号放大器、整形电路和CPLD解调电路。数据的地面解调采用过零计数法解调，该CPLD解调电路在对通过3000米电缆后的调制波进行解调得到数据信号的同时，还要提取出字同步信号和位同步信号，保证地面DSP的可靠接收。视频图像的回放与存储不属于数据传输部分的内容。

CPLD解调的原理框图如下图4所示。调制信号经放大、整形后输入同步检测单元和计数器，同步检测单元根据结束码和同步头精确地检测出同步信号送入分频器以知道一场数据的开始，同时通过分频器对振荡器产生的50MHz脉冲分频产生码元宽度的定时器——1μs定时器，分频器的输出信号一路作为位同步信号输出，另一路送到16分频器得到字同步信号输出，另一路连接到计数器，计数器在1μs时间里计脉冲的个数，输出到判决器。判决器中对脉冲个数和设定门限相比较，得出调制的码元。系统中码元1应该有9个脉冲，而码元0没有脉冲，考虑到误差，把门限设在7。比较出码元后，同时在1μs的间隔下输出调制出的码元。

另外，串行数据解码的设计对于整个传输系统来说是最后一个环节，同时也是最重要的一部分。解码质量的好坏直接影响到DSP接收数据误码率和图像质量。根据DSP的串口工作模式，在发送端规定数据编码格式，有利于系统的解码。同时根据系统需要可选择CPLD作为实现解码的硬件平台，通过编写VHDL程序，可灵活地实现解码方案。这里的编码是在调制前由DSP完成的，解码是在CPLD软解调后完成的，本实施例采用了帧长编码的方式。

综上所述，本发明在于井下尺寸受限，高温、图像数据量大、受电缆频带的限制提高数据传输速率非常困难的特定环境下，设计了一种适用于井下电视数字图像传输的系统和方法。利用普通测井电缆传输井下数字电视图像，传输数字图像的速率达到1Mbps(3000米电缆)。传输的数字视频信息采用2ASK调制方式发送到地面，井下数字视频信息采用隔场传输的方式发送最大图像尺寸。地面接收系统通过基于CPLD数字解调的技术获取异步传输的数字视频信息。，经过室内实验与现场试验证明系统应用效果良好。

Claims (6)

1.一种井下数字电视数据的传输系统，包括井下发送电路、传输电缆和地面接收电路，其特征在于：

所述井下发送电路部分包括依次相连的，对图像数据进行压缩、缓冲和发送的数字信号处理器DSP、对数字信号进行2ASK调制的井下调制电路、对信号进行电压和功率放大的电缆驱动电路以及阻抗匹配电路；

所述地面接收电路包括依次相连的阻抗匹配网络、选频滤波器、信号放大器、整形电路和解调电路，该解调电路在对传输电缆传输的调制波进行解调得到数据信号的同时，还要提取出字同步信号和位同步信号，保证地面数字信号处理器DSP的可靠接收；

所述DSP中的发送缓冲器采用双缓冲区的存储结构，包括先入先出缓存FIFO，与该FIFO输出端相连的发送缓冲区和数据缓冲区，以及与发送缓冲区和数据缓冲区输出相连的串行口发送寄存器，该数据缓冲区用于保存图像压缩电路输出的压缩图像数据，该发送缓冲区用于将图像数据通过串行口发送给后续电路并进而通过电缆传输，串行口发送寄存器用于将发送缓冲区中的数据逐字装入串行口发送寄存器中，发送一个，装载一个。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述解调电路为用复杂可编程逻辑器件实现，包括同步检测单元、第一分频器、第二分频器、计数器、

所述同步检测单元用于接收经放大、整形后的调制信号，根据结束码和同步头精确地检测出同步信号，送入第一分频器；

所述第一分频器对振荡器产生的脉冲分频产生码元宽度的定时器——1μs定时器，其输出信号一路作为位同步信号输出，另一路送到第二分频器，另一路送到所述计数器；

所述第二分频器用于对第一分频器输出信号分频得到字同步信号输出；

所述计数器用于在1μs时间里计脉冲的个数，输出到判决器；

所述判决器用于对脉冲个数和设定门限相比较，得出调制的码元，在1μs 的间隔下输出。

3.一种井下数字电视数据的高速传输方法，包括以下步骤：

(a)采用数字信号调制传输模式，要发送的数字信号经2ASK调制，经过功率放大器与阻抗匹配，发送到传输电缆上，采用双缓冲区的存储结构进行压缩图像数据的缓冲和发送，并应用串行口自动缓冲技术，避免数据在发送之前被新到来的数据覆盖，且以同步机制保证图像的压缩和发送同步；

(b)在地面接受到2ASK信号后，用复杂可编程逻辑器件CPLD软解调技术解调还原数据，从而完成整个数据传输的任务，所述调制后的串行数据速率和电缆的传输速率均为1Mbps。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：

所述步骤(a)中在发送时采用跳场技术，只选择发送部分场的数据。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：

所述步骤(b)中采用过零计数法解调，调制信号经放大、整形后，根据结束码和同步头精确地检测出同步信号送入分频器以知道一场数据的开始，同时对振荡器产生的50MHz脉冲分频产生码元宽度的定时器——1μs定时器，然后将一路输出作为位同步信号，另一路送到16分频器得到字同步信号，另一路输出到计数器以在1μs时间里计脉冲的个数，然后对脉冲个数和设定门限相比较，得出调制的码元，在1μs的间隔下输出调制出的码元。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述设定门限为7。 

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