DE3623864C1

DE3623864C1 - Method and device for signal transmission for cables

Info

Publication number: DE3623864C1
Application number: DE19863623864
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 3000 Hannover De Scharfenberg
Original assignee: Prakla Seismos GmbH
Current assignee: Geco Prakla GmbH
Priority date: 1986-07-12
Filing date: 1986-07-12
Publication date: 1988-02-04

Abstract

Published without abstract.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Signalübertragung für Kabel, insbesondere Bohrlochkabel nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Einrichtung zur Signalübertra gung eines binärcodierten Signals über ein Kabel nach dem Oberbegriff des Anspruches 7.The invention relates to a method for signal transmission for cables, especially downhole cables according to the generic term of claim 1 and a device for signal transmission a binary coded signal via a cable after the Preamble of claim 7.

Die Signalübertragung von digitalen oder analogen Signalen von und zu Bohrlochsonden erfolgt üblicherweise über Kabel. Diese können eine Länge bis zu mehreren tausend Metern auf weisen. Infolge der hohen mechanischen Belastungen auf diese Kabel sind nur Spezialkabel verwendbar, die z. B. maximal sieben Adern enthalten. Der mechanische Aufbau derartiger Kabel bedingt, daß diese über die Entfernung eine hohe Dämpfung, abhängig von der Frequenz, aufweisen. Der normaler weise zu verwendende Frequenzbereich ist auf eine Bandbreite von 0 bis 20 kHz begrenzt. The signal transmission of digital or analog signals to and from borehole probes is usually done by cable. These can be up to several thousand meters in length point. As a result of the high mechanical loads on this Cables can only be used with special cables, e.g. B. maximum seven wires included. The mechanical structure of such Cable requires that this be a high distance Have damping, depending on the frequency. The normal one frequency range to be used is on a bandwidth limited from 0 to 20 kHz.

Für die Übertragung digitaler Signale ist jedoch eine der artig kleine Bandbreite normalerweise zu klein. Die Spektral anteile der digitalen Signale, die für digitale Bohrloch übertragungsverfahren zu verwenden sind, reichen bis zu 300 kHz. In diesem Frequenzbereich weisen die üblicherweise verwendeten Bohrlochkabel jedoch unbestimmte Dämpfungscharak teristiken auf, die bei der Übertragung eines breitbandigen Digitalsignals zu nicht zu vernachlässigenden Verfälschungen, neben der zu erwartenden Dämpfung, führen. Es ist daher nur möglich, in diesem Frequenzbereich Signale zu übertragen, wenn deren spektrale Verteilung eine sehr kleine Bandbreite auf weist, wodurch auch Laufzeitverfälschungen zu vernachlässigen sind.For the transmission of digital signals, however, one of the neatly small bandwidth usually too small. The spectral proportions of digital signals used for digital borehole transmission methods to be used range up to 300 kHz. Usually in this frequency range downhole cables used however indefinite damping charak teristics on the transmission of a broadband Digital signal on falsifications not to be neglected, in addition to the expected damping. It is therefore only possible to transmit signals in this frequency range if their spectral distribution has a very small bandwidth points, which also neglects runtime falsifications are.

Aus F. Dokter und J. Steinhauser: Digitale Elektronik in der Meßtechnik und Datenverarbeitung, Bd. 1, Philips Lehrbücher, Philips GmbH Hamburg, 5. Auflage 1975, S. 5-12, sind Über tragungsverfahren für digitale Daten bekannt, die vor der Übertragung einer Phasenmodulation unterzogen werden. Dabei erfolgt die Modulation durch Änderung der Phasenlage eines sinusförmigen Signals um 180° an jeder durch einen Zustands wechsel des binären Signals hervorgerufenen Flanke.From F. Dokter and J. Steinhauser: Digital electronics in the Measurement technology and data processing, Vol. 1, Philips textbooks, Philips GmbH Hamburg, 5th edition 1975, pp. 5-12, are about transmission method for digital data known before the Transmission undergo phase modulation. Here the modulation takes place by changing the phase position of a sinusoidal signal by 180 ° at each by a state change of the binary signal caused edge.

Derartige Phasenmodulationsverfahren sind zwar störungsarm, jedoch nur für die Verwendung innerhalb eines bandbegrenzten Übertragungskabels geeignet.Such phase modulation methods are low-interference, however only for use within a band limited Suitable transmission cable.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Signalübertragung über Kabel, insbesondere Bohrlochkabel, sowie eine Einrichtung zur Durchführung eines derartigen Ver fahrens anzugeben, mit deren Hilfe eine Übertragung binärco dierter Signale oberhalb der Grenzfrequenz eines Übertra gungskabels ohne wesentliche Signalverfälschungen möglich ist.The invention is therefore based on the object of a method for signal transmission via cables, especially downhole cables, and a device for performing such a Ver driving, with the help of which a transfer binary dated signals above the cutoff frequency of a transmission cable without significant signal distortions is.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 7 ange gebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the in claims 1 and 7 existing invention solved. Advantageous further developments of Invention are specified in subclaims.

Mit Hilfe der Erfindung ist ein Signalübertragungsverfahren sowie eine Einrichtung zur Übertragung eines binärcodierten Signals geschaffen, das auch oberhalb der Grenzfrequenz eines Kabels verwendet werden kann. Das Kabel weist zwar in diesem Bereich bereits hohe Dämpfungswerte auf, jedoch können diesem auf anderem Wege, insbesondere durch Verstärkung begegnet werden. Die in diesem Frequenzbereich auftretenden frequenzabhängigen Laufzeiten können durch die Er findung umgangen werden. Bei entsprechender Anpassung der Wechselimpulsfrequenzen an die Übertragungseigen schaften des Kabels können auch die Dämpfungswerte des Kabels geschickt ausgenutzt werden, so daß keine überhöhte Signalverstärkung notwendig ist.With the help of the invention is a signal transmission method and a device for transmitting a binary-coded Signal created that is also above the cutoff frequency of a Cable can be used. The cable points in this Range already has high damping values, but this can encountered in other ways, in particular through reinforcement will. The occurring in this frequency range frequency-dependent terms can be by Er to be avoided. With appropriate adjustment the alternating pulse frequencies to the transmission proper The attenuation values of the cable can also be reduced Cable can be used cleverly, so that no excessive Signal amplification is necessary.

Die Einrichtung zur Signalübertragung besteht aus relativ einfachen Bauteilen und Schaltungsmaßnahmen, die keinen großen Aufwand erfordern.The device for signal transmission consists of relative simple components and circuit measures that do not require great effort.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spiels näher erläutert.The invention will be explained in the following with the aid of an embodiment explained in more detail.

Fig. 1 zeigt Signalformen auf der Sendeseite der Ein richtung; Fig. 1 shows waveforms on the transmission side of the device;

Fig. 2 zeigt Signalformen auf der Empfängerseite der Einrichtung; Fig. 2 shows waveforms on the receiver side of the device;

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung zur Erläuterung der Auswertung des empfangenen Signals; Fig. 3 is an enlarged view for explaining the evaluation shows the received signal;

Fig. 4 zeigt eine schematisierte Ansicht der Erfindung auf der Sendeseite, Fig. 4 shows a schematic view of the invention on the transmitting side,

Fig. 5 die Darstellung eines Sendesignals, Fig. 5 illustrates a transmission signal,

Fig. 6 eine schematische Ansicht der Einrichtung auf der Empfangsseite. Fig. 6 is a schematic view of the device on the receiving side.

Bohrlochkabel sind aufgrund ihrer konstruktionsbedingten elek trischen Eigenschaften für eine breitbandige Nachrichtenüber tragung ungeeignet. Ein entsprechendes digitales Signal ist z. B. in Fig. 1a dargestellt. Dieses Datensignal, z. B. ein NRZ-Signal, weist ein breitbandiges Spektrum auf. Erfindungsgemäß wird nicht das Signal in der ankommenden Form auf das Kabel gegeben, sondern es werden jeweils nur die Zustandswechsel dazu verwendet, ein Signal über die Leitung zu übertragen, das optimal an die jeweiligen Eigenschaften des Kabels angepaßt ist. Das zu übertragende Signal zeigt z. B. Fig. 1b, in der gezeigt ist, daß bei jedem Zustandswechsel des Signals gemäß Fig. 1a eine Vollwelle eines digitalen Signals ausgelöst wird, wobei die Zustandswechselrichtung des Signals von Fig. 1a die Phasenlage der ausgesendeten Vollwelle bestimmt. Die Phase beträgt vorzugsweise entweder 0° oder 180°, je nach Zu standswechselrichtung des Signals gemäß Fig. 1a.Downhole cables are unsuitable for broadband transmission due to their design-related electrical properties. A corresponding digital signal is e.g. B. shown in Fig. 1a. This data signal, e.g. B. an NRZ signal has a broadband spectrum. According to the invention, the signal in the incoming form is not passed onto the cable, but only the changes of state are used in each case to transmit a signal via the line which is optimally adapted to the respective properties of the cable. The signal to be transmitted shows e.g. B. Fig. 1b, is shown in that, at each change of state of the signal shown in Fig. 1a is a solid shaft of a digital signal is triggered, wherein the state change direction of the signal of Fig. 1a determines the phase position of the transmitted full-wave. The phase is preferably either 0 ° or 180 °, depending on the state of the signal to Fig. 1a.

Die Periodendauer der zu übertragenden Einzelimpulse ist kürzer oder gleich dem kleinsten Abstand zweier Zustands wechsel des zu übertragenden Binärcodes.The period of the individual pulses to be transmitted is shorter or equal to the smallest distance between two states change of the binary code to be transmitted.

Anstelle ein digitales Wechselimpulssignal an jedem Zu standswechsel zu übertragen, kann auch eine Sinusvollwelle übertragen werden, wodurch sich der zu übertragende Spek tralbereich weiter verringern läßt.Instead of a digital alternating pulse signal on each door Transferring a change of position can also be a full sine wave are transmitted, whereby the spotting to be transmitted can further reduce the tral range.

Die Form der Wechselsignale gewährleistet, daß keine tief frequente Aufladung des Kabels durch Unsymmetrie der Einzel signale und der Signalfolge auftritt und wegen der sehr kleinen Bandbreite der zu übertragenden Wechselimpulssignale keine Verzerrung durch Laufzeitdispersion eintritt. Vorzugsweise werden Bereiche geringer Dämpfung im Übertragungsverhalten des Kabels ausgenutzt, und die zu übertragenden Frequenzen werden entsprechend ausgewählt, so daß bei der Übertragung von digitalen Wechselimpulsen deren harmonische Oberwellen eine entsprechende Dämpfung erfahren. The shape of the alternating signals ensures that none is deep frequent charging of the cable due to asymmetry of the individual signals and the signal sequence occurs and because of the very small bandwidth of the alternating pulse signals to be transmitted there is no distortion due to runtime dispersion. Preferably areas of low attenuation in the transmission behavior of the Cable used, and the frequencies to be transmitted selected accordingly so that when transferring digital alternating impulses their harmonic harmonics experience a corresponding damping.

Bei einem Kabel, dessen Eckfrequenz beispielsweise 20 kHz beträgt, lassen sich, nach entsprechender Verstärkung, noch Wechselsignale von 300 kBit/Sek. über das Kabel übertragen, welches im Bereich von 20 bis 150 kHz starke frequenzabhän gige Laufzeiten und nichtlineare Dämpfung aufweist.For a cable whose corner frequency is 20 kHz, for example is, after appropriate reinforcement, still Alternating signals of 300 kbit / s transmitted over the cable, which depends strongly on the frequency from 20 to 150 kHz valid runtimes and non-linear damping.

Fig. 2a zeigt das nach der Übertragung empfangene Signal, das vertikal dem Signal von Fig. 1 zugeordnet ist. Zur Aus wertung des empfangenen Signals werden die Durchgänge des Signals durch Schaltpunkte mit vorgegebener positiver oder negativer Spannungsschwelle erfaßt und einer Auswerteschal tung zugeführt, wie noch erläutert wird. Als Ergebnis kann das ausgesendete Signal gemäß Fig. 1a in Fig. 2b wieder zurückgewonnen werden. Fig. 2a shows the signal received after the transmission, which is assigned vertically to the signal of Fig. 1. To evaluate the received signal, the passages of the signal are detected by switching points with a predetermined positive or negative voltage threshold and fed to an evaluation circuit, as will be explained. As a result, the transmitted signal can be recovered in accordance with FIG. 1a in FIG. 2b.

Fig. 3 zeigt die Auswertung des empfangenen Signals im De tail. Fig. 3a zeigt einen Ausschnitt eines empfangenen Sig nals. Mit Hilfe zweier Komparatoren wird die Signalbreite des Ausgangssignals zwischen den zwei Nulldurchgängen 2 und 8, die den Schaltpunkten 1 und 6 folgen, bestimmt. Ein Komparator gibt ein High-Pegelsignal 3 ab, wie in Fig. 3b dargestellt ist. Die abfallende Flanke des Komparatorsig nals gemäß Fig. 3b, die beim gefundenen Null-Durchgang 2 auftritt, löst ein Monoflop-Signal 4 gemäß Fig. 3c aus. Dieses Auslösen des Monoflop-Signals 4 ist gleichzeitig der Beginn eines High-Pegelwertes 5 gemäß Fig. 3f des zu über tragenden Signals. Fig. 3 shows the evaluation of the received signal in De tail. Fig. 3a shows a detail of a received Sig Nals. With the help of two comparators, the signal width of the output signal between the two zero crossings 2 and 8 , which follow the switching points 1 and 6 , is determined. A comparator outputs a high level signal 3 , as shown in Fig. 3b. The falling edge of the comparator signal according to FIG. 3b, which occurs when the zero crossing 2 is found, triggers a monoflop signal 4 according to FIG. 3c. This triggering of the monoflop signal 4 is at the same time the beginning of a high level value 5 according to FIG. 3f of the signal to be transmitted.

Nachdem das Signal beim Durchgang durch den ersten Schalt punkt 1 als positiv festgestellt wurde, erfolgt nun nach Erfassung des folgenden Nulldurchgangs die Feststellung eines folgenden Schaltpunktes mit negativem Wert des Sig nals. Dieser findet sich an der Stelle 6. Mittels eines weiteren Komparators wird ein High-Pegelsignal 7 gemäß Fig. 3d erzeugt, das beim nächsten Nulldurchgang 8 wieder abfällt. Zu diesem Zeitpunkt wird ein weiteres Mono flop-Signal 9 gestartet. Die ansteigende Flanke dieses Monoflop-Signals 9 bestimmt jetzt das Ende des High- Pegelsignals 5 gemäß Fig. 3f.After the signal was found to be positive when passing through the first switching point 1 , a subsequent switching point with a negative value of the signal is now determined after the following zero crossing has been detected. This can be found at position 6 . Using a further comparator, a high level signal 7 according to FIG. 3d is generated, which drops again at the next zero crossing 8 . At this time another mono flop signal 9 is started. The rising edge of this monoflop signal 9 now determines the end of the high level signal 5 according to FIG. 3f.

Fig. 4 zeigt ein Schema der Sendeseite der Übertragungs strecke. Der Eingangsleitung 10 wird das binäre zu über tragende Signal zugeführt. Ein Flankendetektor 11 ermittelt jeweils die Zustandswechsel des ankommenden Signals. An jedem Zustandswechsel wird aus der Zeitbasis 12 ein Wechselimpuls abgeleitet, dessen Pulsabstand und Pulsbreite durch die Zeit basis bestimmt sind. Dem Flankendetektor 11 sind zwei End stufen für die positive bzw. negative Halbwelle nachge schaltet, die eine entsprechende Amplitude des zu übertra genden Signals erzeugen, um die hohen Dämpfungswerte des Kabels zu überwinden. Die Verstärker 13 und 14 sind an ihren Ausgangsklemmen parallel geschaltet und mit dem Kabel verbunden. Fig. 4 shows a schematic of the transmission side of the transmission route. The input line 10 is supplied with the binary signal to be transmitted. An edge detector 11 determines the state changes of the incoming signal. At each change of state, an alternating pulse is derived from the time base 12 , the pulse interval and pulse width are determined by the time base. The edge detector 11 are two end stages for the positive or negative half-wave switched on, which generate a corresponding amplitude of the signal to be transmitted in order to overcome the high attenuation values of the cable. The amplifiers 13 and 14 are connected in parallel at their output terminals and connected to the cable.

Fig. 5 zeigt eine vergrößerte Darstellung zweier zu übertra gender Wechselimpulse mit unterschiedlicher Phase. Zwischen den jeweiligen Halbwellen der Wechselimpulse sind vorzugs weise Pausenzeiten T ₁-T ₂ eingeschaltet, durch die eine stärkere Akzentuierung auf der Empfangsseite erreichbar ist. Fig. 5 shows an enlarged view of two alternating pulses to be transmitted with different phases. Between the respective half-waves of the alternating pulses, pause times T ₁ - T ₂ are preferably switched on, through which a stronger accentuation can be achieved on the receiving side.

Schließlich zeigt Fig. 6 eine schematische Ansicht einer Empfangsschaltung am Ende der Übertragungsstrecke. Das ankommende Signal wird auf die beiden Komparatoren 15 und 16 geleitet, die zur Ermittlung von positven oder negativen Werten dienen. Komparator 15 gibt z. B. ein Signal bei Auf treten eines positiven Wertes des übertragenden Signals gemäß Fig. 3b ab, während Komparator 16 ein Signal abgibt, wenn ein negativer Wert des übertragenden Signals gemäß Fig. 3d auftritt. Die jeweiligen abfallenden Flanken der Komparatoren 15 und 16 schalten ein nachgeschaltetes Flip-Flop 17 um, so daß an der Ausgangsklemme 18 des Flip-Flops 17 das binär codierte Signal entsteht, daß der Eingangsklemme 10 auf der Empfangsseite des Kabels zugeführt wurde.Finally, FIG. 6 shows a schematic view of a receiving circuit at the end of the transmission path. The incoming signal is passed to the two comparators 15 and 16 , which are used to determine positive or negative values. Comparator 15 gives z. B. a signal when a positive value of the transmitting signal according to FIG. 3b occurs, while comparator 16 emits a signal when a negative value of the transmitting signal according to FIG. 3d occurs. The respective falling edges of the comparators 15 and 16 switch a downstream flip-flop 17 so that the binary-coded signal is produced at the output terminal 18 of the flip-flop 17 that the input terminal 10 has been fed on the receiving side of the cable.

Die Pause zwischen zwei Halbimpulsen bzw. Halbwellen des auf das Kabel gegebenen Wechselsignals beträgt vorzugsweise wenigstens 10% der Gesamtzeit des Wechselimpulses. Um auch bei Störungen des zu übertragenden Signals eindeutige Aus wertungen zu erhalten, werden nur Schaltpunkte berück sichtigt, die außerhalb eines Zeitfensters bezüglich des vorangehenden Zustandswechsels liegen. Vorzugsweise sind die Halbwellen des Wechselsignals symmetrisch und sie weisen eine gleiche Amplitude auf. The pause between two half pulses or half waves of the given alternating signal on the cable is preferably at least 10% of the total time of the alternating pulse. Too too clear off in the event of interference in the signal to be transmitted to receive ratings, only switching points are taken into account that is outside of a time window regarding the previous change of state. Are preferred the half-waves of the alternating signal symmetrical and them have the same amplitude.

Reference symbol list 1 switching point
2 zero crossing
3 comparator signal
4 monoflop signal
5 output signal
6 switching point
7 comparator signal
8 zero crossing
9 monoflop signal
10 input terminal
11 edge detector
12 time base
13 amplifiers
14 amplifiers
15 comparator
16 comparator
17 RS flip-flop
18 output terminal

Claims

1. Signal transmission method for cables, in particular downhole cables, in which a binary-coded signal is subjected to phase modulation before transmission via the cable, characterized in that the modulation is carried out by triggering a symmetrical alternating pulse on each edge caused by a change in state of the binary signal, the direction of the edge determines the phase of the alternating pulse and the duration of an alternating pulse is shorter or equal to the duration between successive edges of the binary signal, that for the demodulation of the signal transmitted via the cable, each time a second voltage threshold is exceeded in one direction, which follows a precedence when a first voltage threshold is exceeded, and thus a change of state of the output signal takes place alternately in the other direction, only those passages of the signal through a voltage threshold that are outside being used for evaluation lie within a time window with respect to the previous change of state.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the second voltage threshold is the zero crossing is.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized records that the phase of the alternating pulse 0 ° or Is 180 °.

4. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized records that the alternating signal is a digital signal with symmetrical amplitude and half-wave width.

5. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized records that the alternating signal with a sine signal symmetrical amplitude and half-wave width.

6. The method according to claim 4 or 5, characterized records that a signal between the half waves pause is switched on.

7. Device for signal transmission of a binary-coded signal via a cable, in particular a downhole cable, with a phase modulator on the transmission side and a phase demodulator on the reception side of the downhole cable, characterized in that an edge detector ( 11 ) is provided on the transmission side, which an alternating pulse generator is assigned, with a change of state of the binary-coded signal in one direction a full wave of an alternating pulse in a first phase position and with a change of state of the binary-coded signal in the other direction a full wave of an alternating pulse in a second phase position is given to the cable that on the receiving side at least one comparator ( 15, 16 ) for determining the passage of the received signal by two voltage thresholds ( 1, 6; 2, 8 ) is provided, and that each time a second voltage threshold ( 2, 8 ) is exceeded in one Direction following a previous crossing e follows in the first voltage threshold ( 1, 6 ), and thus a flip-flop ( 17 ) is switched alternately in the other direction of the received signal.

8. Device according to claim 7, characterized in that the alternating pulse generator is a sine generator.

9. Device according to claim 7, characterized in that the alternating pulse generator is a clock generator.

10. Device according to claim 9, characterized in that the clock generator is a monoflop circuit, the successive one positive and one generated negative clock pulse.

11. The device according to claim 10, characterized in that the width of a clock pulse is smaller than that is half the width of a full wave of the alternating pulse.

12. The device according to claim 7, characterized in that the alternating pulse generator is followed by an amplification stage ( 13, 14 ).

13. The device according to claim 7, characterized in that the second voltage threshold is the zero crossing and that on the receiving side of the comparator ( 15, 16 ) is a zero-crossing detector which, upon detection of every second zero-crossing in one or from alternating others Direction, which always follows a previous exceeding of the first voltage threshold, triggers a monoflop signal, the rising edge of which causes the flip-flop to be switched over.

14. The device according to claim 13, characterized in that two comparators ( 15, 16 ) are connected in parallel, of which the first comparator ( 15 ) serves to detect the positive signal values and the second comparator for detecting the negative signal values of the incoming signal .

15. Device according to claim 7, characterized in that the time base of the alternating pulse generator with the Time base of the binary coded signal is coupled.