CN104767504A - 基于小波变换的随钻测量ppm调制信号解码算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于小波变换的随钻测量PPM调制信号解码算法:(1)记PPM调制脉冲宽度为2T，设小波尺度a＝3T，对信号s进行做连续小波变换；(2)设置初始阈值TH＝0，查找局部极值的窗长win＝8T，查找第一个极值点P1；(3)设阈值为前一个极值大小的1/3，查找下个极值点Pn+1，定位跳变点，寻找同步头；(4)找到同步头后，根据同步头极值平均值的1/2为阈值，定位脉冲跳变，并以同步头为初始参考点，对数据区进行解码；(5)以前一个已解码数据位置点为新的参考点对后续数据进行解码；(6)此帧解码结束后跳至第三步，重新查找同步头，解调信号，直至信号结束。本发明所带来的技术效果是，本发明克服了随钻测量中的信号传输通信的误差缺陷，使信号传输具有很高的精确度及抗噪性。

Description

基于小波变换的随钻测量PPM调制信号解码算法

技术领域

本发明涉及一种PPM信号解码算法，尤其涉及一种基于小波变换的随钻测量PPM调制信号解码算法。

背景技术

小波变换(wavelet transform，WT)是一种新的变换分析方法，它继承和发展了短时傅立叶变换局部化的思想，同时又克服了窗口大小不随频率变化等缺点，能够提供一个随频率改变的“时间-频率”窗口，是进行信号时频分析和处理的理想工具。它的主要特点是通过变换能够充分突出问题某些方面的特征，能对时间(空间)频率的局部化分析，通过伸缩平移运算对信号(函数)逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，解决了Fourier变换的困难问题，成为继Fourier变换以来在科学方法上的重大突破。

随钻测量MWD(Measurement While Drilling)是指钻机在钻进的同时连续不断地检测有关钻孔或钻头的信息；

PPM调制是通信中常用的通信方式，其通过脉冲的相对位置对数据进行编码，要对之进行解调需要得到精确的脉冲位置。

本专利创造性的将小波变换应用于随钻测量PPM信号的解码，克服了现有技术在随钻测量中的信号传输通信的误差缺陷。

发明内容

为了克服以上技术缺陷，本发明提供一种基于小波变换的随钻测量PPM调制信号解码算法，使信号传输具有很高的精确度及抗噪性。

本发明采用的技术方案如下：一种基于小波变换的随钻测量PPM调制信号解码算法，包括以下步骤：

(1)记PPM调制脉冲宽度为2T，设小波尺度a＝3T，对信号s进行连续小波变换，得到小波变换系数序列|CWT(a,τ)|；

(2)设置初始阈值TH＝0，查找局部极值的窗长win＝8T，查找第一个极值点P1；

(3)设阈值为前一个极值大小的1/3，即THn+1＝VPn/3(VPn为第n个极值点的值)，查找下个极值点Pn+1，定位脉冲跳变点，寻找同步头；

(4)找到同步头后，根据同步头极值平均值的1/2为阈值，即Thdate＝mean(VPs)/2，定位脉冲跳变，并以同步头为初始参考点，对数据区进行解码；

(5)以前一个已解码数据位置点为新的参考点对后续数据进行解码；

(6)此帧解码结束后跳至第三步，重新查找同步头，解调信号，直至信号结束。

本发明所带来的技术效果是，本专利创造性的将小波变换应用于随钻测量PPM调制信号的解码，克服了现有技术在随钻测量中的信号传输通信的误差缺陷，使信号传输具有很高的精确度及抗噪性。

附图说明

图1、图2为脉冲序列图。

图3是采集到的通信信号示意图。

图4为图3中信号的小波变换示意图。

图5为本发明的算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本技术方案进行详细说明

一种基于小波变换的随钻测量PPM调制信号解码算法，包括以下步骤：

(1)记PPM调制脉冲宽度为2T，设小波尺度a＝3T，对信号s进行连续小波变换，得到小波变换系数序列CWT(a,τ)；

(2)设置初始阈值TH＝0，查找局部极值的窗长win＝8T，查找第一个极值点P1；

(3)设阈值为前一个极值大小的1/3，即THn+1＝VPn/3(VPn为第n个极值点的值)，查找下个极值点Pn+1，定位脉冲跳变点，寻找同步头；

(4)找到同步头后,根据同步头极值平均值的1/2为阈值，即Thdate＝mean(VPs)/2，定位脉冲跳变，并以同步头为初始参考点，对数据区进行解码；

(5)以前一个已解码数据位置点为新的参考点对后续数据进行解码；

(6)此帧解码结束后跳至第三步，重新查找同步头，解调信号，直至信号结束。

具体的，以PPM调制的Timebase编码为例，详细介绍解码方法：

1、PPM信号的TimeBase编码方法

PPM调制原理为用调制信号控制脉冲序列中各脉冲的相对位置(即相位)，使各脉冲的相对位置随调制信号变化。此时脉冲序列中脉冲的幅度和宽度均保持不变。

在TimeBase2编码方法中，每个脉冲都被编码成一个从0-15的4位值(四位元组)。脉冲在这个范围内所处的位置决定了它的数值。例如，在图1中，第一个脉冲的前沿位于第2个时间段中，因此，四位元组1的值是2。同理，四位元组2的值是6，四位元组3值为15(F是十六进制记数法的符号)，四位元组4的值是0。

每个TimeBase MPT信号的传输从相隔2个脉冲宽度的4个同步脉冲开始，如图2所示。这就提供了一个独一无二的脉冲序列，该脉冲序列在剩下的数据传输中不会再出现。在每个四位元组之间有5个时间段，确保在两个脉冲之间最少有4个时间段的空间。记时间段的时长为T，脉冲的宽度为时间长度的二倍，即为2T。

2、数字调制信号的小波变换

设信号解析表达式为：

$x\left(t\right)=s\left(t\right)+n\left(t\right)=\tilde{s}\left(t\right)e^{j({\mathrm{\ω}}_{c}t+{\mathrm{\θ}}_c)}+n\left(t\right)$

其中，x(t)为复信号，s(t)为已调复信号，n(t)为加性高斯白噪声，ω_c为时隙载频角频率，θ_c为时隙载频初始相位。为基带信号。

对于PPM调制信号可以表示为：

$\tilde{s}\left(t\right)=A\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{e}^{j{\mathrm{\φ}}_n}u(t-n{T}_s)$

其中，A为信号幅值，φ_n为信号第n个元素的相位，u(t)为单位阶跃函数，T_s为脉冲长度。

采用连续小波变换：

$\mathrm{CWT}(a,\mathrm{\τ})=\frac{1}{\sqrt{a}}\∫s\left(t\right){\mathrm{\ψ}}^{*}\left(\frac{t-\mathrm{\τ}}{a}\right)\mathrm{dt}.$

其中，s(t)为待测信号，ψ(t)为母小波函数，*表示共轭。a为尺度，τ为位移。

其中：

对脉冲信号进行小波变换时，分为在相位连续区间的变换和在相位不连续区间的变换两种情况。

在相位连续区间时：

$\left|\mathrm{CWT}(a,\mathrm{\τ})\right|=\frac{A}{\sqrt{a}}\frac{4}{{\mathrm{\ω}}_c}{\sin }^2\frac{a}{4}{\mathrm{\ω}}_c$

在相位不连续区间，分别为PPM调制信号第n个和n+1个时间段的相位，并且在d处(d＜0)时：

$\left|\mathrm{CWT}(a,\mathrm{\τ})\right|=\frac{A}{\sqrt{a}{\mathrm{\ω}}_c}|(e^{j{\mathrm{\ω}}_{c}d}-e^{-j{\mathrm{\ω}}_c\frac{a}{2}})+$

当d＞0时有相似的结果。

由上述两式可见，在一个周期内或者码元相同的周期内，小波系数的模值|CWT(a,τ)|为一个常数，当符号发生跳变时，|CWT(a,τ)|也会随之改变，并且在跳变点处，|CWT(a,τ)|会产生一个极大值。

3、小波尺度的确定

正确选取小波尺度是提取脉冲跳变的关键，小波尺度选择越小，检测精度越高，但越容易受高频噪声的影响，稳定性也相应变差。小波尺度选择越大，检测稳定性越好，然而，当尺度超出两个脉冲的间隔时就不能检测出脉冲跳变。若脉冲宽度为2T，当小波的尺度为3T时，信号与小波的相关性最大，更能凸显跳变时的小波变换极值，因此设小波尺度a＝3T。

图3是采集到的通信信号，图4为该信号的小波变换，通过对比可以看出，小波系数极大值对应着符号跳变点，与理论分析结果一致。

4、解码阈值以及极值窗长的设定

解码阀值是用来选择小波变换值后的波峰，而对该波峰进行数据解码。所有高于解码阀值的小波变换的波峰点可都用来看作脉冲信号跳变点进行数据解码，而低于解码阀值的波峰将舍弃。因此，恰当的设置解码阀值对信号数据成功地进行解码来说非常关键。解码阀值必须根据能影响脉冲信号的实时情况进行调整。由于受噪声的影响，信号变化较大，小波变换值不稳定，本算法采用两步阈值设定方法：

第一步是查找同步头时的阈值方法，在未找到同步头之前，信号变化可能比较大，为了不丢失任何可能脉冲，以上一个变换的极值大小VPn的1/3作为找下个极值的阈值，即THn+1＝VPn/3。

第二步是数据区的阈值设定方法，在找到四个同步脉冲之后，信号相对稳定，以四个同步脉冲VPs对应的极值的均值的1/2作为阈值查找数据区的脉冲，即Thdate＝mean(VPs)/2。因为两个脉冲间的最小间隔为8T，因此设查找极值的窗长win＝8T。

5、解码参考位置的设定

当找到同步头之后，即以同步头为参考位置对下个找到的脉冲进行解码，一般情况下一个同步头后有多位数据，这多位数据都以同步头为参考位置进行解码，在时间段长T值精确的情况下，解码不会有误差，如果T值存在误差，距离同步头距离较远的数据由于累积误差会存在较大偏差，为避免这种误差，每个数据都以前一个数据的位置为参考点进行解码，这样能有效避免误差累积。

容易理解，该实施例仅仅是本发明的一部分，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，以及进行的未脱离本发明精神和范围的各种改动和变型，都应当属于本发明的保护范围之内。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (3)

1.一种基于小波变换的随钻测量PPM调制信号解码算法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)记PPM调制脉冲宽度为2T，设小波尺度a＝3T，对信号s进行连续小波变换，得到小波变换系数序列CWT(a,τ)；

(2)设置初始阈值TH＝0，查找局部极值的窗长win＝8T，查找第一个极值点P1；

(3)设阈值为前一个极值大小的1/3，即THn+1＝VPn/3(其中VPn为第n个极值点的值)，查找下个极值点Pn+1，定位脉冲跳变点，寻找同步头；

(4)找到同步头后，根据同步头极值平均值的1/2为阈值，即Thdate＝mean(VPs)/2，定位脉冲跳变，并以同步头为初始参考点，对数据区进行解码；

(5)以前一个已解码数据位置点为新的参考点对后续数据进行解码；

(6)此帧解码结束后跳至第三步，重新查找同步头，解调信号，直至信号结束。

2.如权利要求1所述的解码算法，其特征在于，对信号s进行连续小波变换，得到小波变换系数序列CWT(a,τ)：

$\mathrm{CWT}(a,\mathrm{\τ})=\frac{1}{\sqrt{a}}\∫s\left(t\right){\mathrm{\ψ}}^{*}\left(\frac{t-\mathrm{\τ}}{a}\right)\mathrm{dt}$

其中，s(t)为待测信号，ψ(t)为母小波函数，*表示共轭，a为尺度，τ为位移。

3.如权利要求2所述的解码算法，其特征在于，对于母小波函数ψ(t)：