CN110519035A - 有线遥测数字地震仪测线数字通信的去抖动技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字地震仪中测线数字通信的可靠性技术。数字地震仪的地震测线中串联有几千个采集站。为确保每个采集站AD转换的采样率一致，采集站中不设本地时钟，只用交叉站中的一个精密晶体振荡器作为整条测线的时钟源。采集站从交叉站命令中提取时钟用作本站的时钟源，但串联的采集站超过一定数量时就会出现误码，串联数量更多时会导致通信完全崩溃。分析通信失败的原因是测线数字传输的信号抖动累积造成的，如何消除数字信号传输中的抖动是有线数字地震仪开发研制中的最大难题。本发明提出的晶体滤波器方案和双锁相环方案配合使用可以有效地消除测线中数字信号的累积抖动，确保地震测线上串联的几千个采集站之间实现可靠的数字通信。

Description

有线遥测数字地震仪测线数字通信的去抖动技术

技术领域

本发明涉及一种有线遥测地震仪的测线上数字通信的可靠性技术。

背景技术

有线遥测数字地震仪的野外勘测网络如图1所示，每条水平方向的地震测线以交叉站为中心串联了几千个采集站。采集站都不带时钟，只用交叉站中的一个精密石英晶体振荡器作为整条测线上所有采集站和电源站的时钟源。采集站和电源站都是利用从交叉站命令中恢复的时钟来转发命令和数据。并用作采集站AD转换器的基准工作时钟，由此确保每个采集站AD转换器的采样间隔完全一致。

实践中发现，用从交叉站命令中恢复的时钟转发数据和传递时钟信息，当串联的采集站超过一定数量就开始出现误码，而且随着串接数量的增加误码将急剧上升，最后导致通信完全崩溃。地震仪数字通信对误码率的最低要求是小于10^-12，相当于以16Mbps 的速率传输数据时要求17个小时不出一个错。所以如何确保地震测线中串联的几千个采集站之间可靠通信是所有地震仪开发研制者遇到的难题，也是研制和生产有线遥测数字地震仪的技术关键。

根据大量的实验和观察分析发现，导致通信出错的主要原因是传输电缆上的数字信号抖动造成的。造成数字信号抖动的原因很多，如电源的开关噪音，器件的热噪音，传输中的码间干扰，周边环境对传输线的干扰，传输线之间的串扰等。这些干扰会使数字脉冲波形的前后沿位置发生偏移，也就是产生了抖动。但所有干扰中数字地震仪的4芯地震测线电缆是造成信号抖动的最大来源，其中两对通信线分别承担两个相反方向的数据传输任务。当两对线都在跑数据时，数字脉冲信号会通过线间电容耦合互相串扰。由于这种地震线缆的抗线间干扰性能较差，使的信号串扰的影响并非都表现为共模干扰，其中的差模分量会使数字信号的脉冲发生畸变，于是造成了信号的抖动。所以在数字地震仪中地震测线电缆产生的信号抖动是无法避免的。

在有线数字地震仪中，每个采集站和电源站都必须用从输入数据流中恢复的时钟来转发数据，如果不采取必要的抖动抑制措施，每个站点的抖动会逐级累积放大，串联的站点越多信号抖动越严重。当串联的站点到达一定数量时，测线末端站点的时钟数据恢复电路中的锁相环(PLL)根本无法跟踪和锁定输入数据，最终导致通信失败。

发明内容

本发明提出2种抑制抖动的方法使用于地震仪测线中的采集站和电源站，能有效地起到抑制数字信号传输过程中的抖动累积效应，从而保证了数字地震仪测线方向上数字通信的可靠进行。下面对发明的方法原理做简单说明。

1.用晶体滤波器衰减恢复时钟中的抖动

图2(Jitter Analysis，James Jaw，2007/7/25)示意抖动对一个方波信号频谱的影响。我们知道，一个占空比为50％的方波是由基波(f₀)及其奇次谐波(3f₀，5f₀，7f₀，...)组成的。如果信号没有抖动干扰，该方波的频谱仅仅由图2中带箭头的竖线组成。当信号有抖动时，其基波和高次谐波都出现了旁瓣。实际的方波频谱还会含有小幅度的偶次谐波(2f₀，4f₀，6f₀，...但占空比越接近50％，偶次谐波的份量越小)。其中基波的旁瓣是信号中含有抖动的表象，而高次谐波的旁瓣是导致波形失真的主要原因。由此可见，只要将基波f₀的旁瓣滤除就能抑制信号中的抖动。

石英晶体滤波器是性能极高的窄带带通滤波器，可有效抑制PLL输出的恢复时钟信号中基频的旁瓣，也即衰减了相位噪音(即抖动)。由于晶体滤波器成本低、电路简单，所以可用于数量特别大的采集站中，对双向传输的数字信号做抖动衰减处理。

晶体滤波器有很高的品质因数(其Q值可达十几万)，带宽可窄至中心频率的0.005％以内，具有陡峭理想的阻带衰减特性，一般阻带衰减都在60dB以上，有的甚至达到90dB 以上。其插入损耗一般均都小于5dB，幅频特性具有非常高的温度稳定性。对处于恶劣环境下工作的地震仪是十分理想的滤波器件。

图3是石英晶体等效电路和阻抗特性。其中，

L1：晶体谐振器的动态电感，一般几十mH；

C1：晶体谐振器的动态电容，一般从0.01pf到0.1pf；

R1：晶体谐振器的动态电阻，一般从几欧到几十欧；

C0：晶体支架和电极间的寄生电容。一般从几pf到几十pf。

其串联谐振频率f₁和并联谐振频率f₂用以下公式计算。

因为C₀大大的大于C1，所以f₁和f₂非常接近，f₁和f₂之间的距离就是通频带，也就是Q值。

2.本发明方法技术之二是利用级联的双锁相环(PLL)进一步衰减经晶体滤波后的恢复时钟中的剩余的抖动。

数字地震仪中的时钟数据恢复电路中是利用锁相环PLL来获得恢复时钟的。如果PLL环路滤波器的带宽选得很窄虽然可以有效地抑制恢复时钟中的抖动，但是在恢复带有高频抖动的输入数据时就会发生误码。所以为了正确地采样抖动频率较高的输入数据，PLL环路滤波器必须有足够的带宽。但增加滤波器的带宽又不可避免的会加大PLL 输出恢复时钟的抖动和噪音，如果直接利用此恢复时钟将接收到的数据再转发出去，就会把恢复时钟中的抖动直接传递给下一个站点。本发明在正常时钟数据恢复电路的PLL 后面再增加一个窄带的PLL来滤除恢复时钟中的抖动，从而达到提高数字通信可靠性的目的。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体描述本发明。其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制。

图1.地震勘探勘探网络的拓扑结构；

图2.数字传输信号抖动的频谱图；

图3.石英晶体等效图；

图4.晶体管反相器单晶体滤波器；

图5.FPGA单晶体滤波设计；

图6.采集站中的单晶体滤波滤波器；

图7.电源站中的晶体滤波器和双PLL复合应用。

具体实施方式

本发明的实施方式如下；

1.单晶体滤波器的实施方式

本发明采用差接桥型单晶体滤波器电路。差接桥型电路具有插入损耗小、带内波动小、对元件参数要求较低、设计灵活等优点。图4是晶体管倒向器，图5是利用FPGA 中反向器获得相位相反的信号。

图4和图5中的X1是用作滤波器的石英晶体，C2是PCB分布电容。输入信号Vi 经BG1缓冲后从发射极输出给晶体滤波器，经晶体的选频滤波后输给负载RL。晶体内部的C₀和分布电容C2会使信分号中的高频分量旁路泄漏到RL，导致滤波器的高频衰减特性降低。所以通过调节图4中晶体管集电极上(或图5中反相器)连接的C3来抵消C2和C₀的影响。晶体滤波器接入电路后除适当调整C3的值外，无需其他调节。晶体滤波器接入时钟数据恢复电路的工作方式见图6。输入数据经锁相环后获得跟随数据抖动的恢复时钟WCLK，该WCLK可以在输入数据的最佳采样点把数据写进FIFO或者缓冲存储器。WCLK经晶体滤波器衰减基频的旁瓣后获得消除抖动后的时钟RCLK。 RCLK从FIFO或缓存中读取恢复的数据，再将其转发出去。转发的数据中就消除了抖动。

数字地震仪中采集站数量众多，采用的晶体滤波器必须选择频率一致性良好，其绝对谐振频率和相对误差应控制在2个ppm以内，Q值在18万以上。晶体装焊进电路后 C3的值一般小于10pF。

2.级联双PLL衰减恢复时钟抖动的实施方式见图7

双PLL去抖动的原理如下，先用正常带宽环路滤波器的PLL1正确地跟踪和恢复输入数据，得到的恢复时钟是WCLK。WCLK将恢复的数据写进一个FIFO或缓冲存储器，同时WCLK送给第二级PLL2。PLL2的低通滤波器的带宽设计得较窄，所以使PLL2 的输出的RCLK维持在输入时钟WCLK的平均频率上，对WCLK中的高频抖动做进一步的抑制后输出RCLK。然后再用RCLK读出FIFO或缓存中的数据并转发出去，进一步消除了输入数据中的抖动。

双PLL仅在电源站中使用。在电源站中，输入信号的抖动首先经过晶体滤波器滤波，恢复时钟的抖动已经基本被抑制，然后再利用第二级PLL2再次滤波。因为经晶体滤波器滤波后剩余的抖动幅度已经很小，所以FIFO的长度不必很深。PLL1和PLL2中的VCO应该都采用VCXO。VCXO的固有相位噪音(即抖动)很小，而且温度稳定性很好，用VCXO的PLL可以获得更干净的时钟。

有线遥测数字地震仪采用了本发明上述的2种抖动抑制方案后就可以确保地震测线在串联几千个采集站的条件下可靠的通信。

Claims (4)

1.一种利用单个石英晶体滤波器和2个级联锁相环(PLL)抑制数字地震仪测线数字通信中信号抖动的技术。

2.利用权利1实现的只用交叉站中的一个精密石英晶体振荡器作为整条地震测线时钟源的数字通信技术。

3.根据权利要求1所述的在采集站将锁相环(PLL)输出的恢复时钟经晶体滤波器滤波后再转发数据的技术方案。

4.根据权利要求1所述的在电源站中除采用晶体滤波器消除信号中的抖动外，同时采用级联双锁相环(PLL)进一步消除恢复时钟中的抖动的技术方案。