一种适用于井下超声波通信的FSK调制解调技术研究

【摘要】：随着石油工业的发展,深油井的开采和测试日益重要。测井是深油井开采的重要环节,测井系统中的无线传输方式节约成本、操作简单,成为目前研究的热点。 本文以油管壁为媒介,采用超声波的传输方式向井上传输信息。井下油管壁是一个特殊的、高温高压及强混响的信道,对超声波通信系统提出了苛刻的要求。二进制频移键控(Binary Frequency Shift Keying,2FSK)通信方式尽管传输速率低,但是稳定可靠、抗多径效应能力强,可作为井下复杂环境中的一种通信方式。本文首先研究了2FSK信号调制解调原理,提出发送端采用直接数字频率合成器(Direct Digital Frequency Synthesizer, DDS)来产生2FSK调制信号,接收端采用差分检波法对其进行解调。低通滤波器是差分检波法中的重要模块,文中重点研究了采用分布式算法实现有限冲激响应(Finite Impulse Response, FIR)数字滤波器的方式。针对差分检波法中延时单元的非整数延时问题,采用非整数延时滤波器予以解决。其次采用DSP Builder详细设计了2FSK调制系统中的DDS模块,解调系统中的延时、乘法器和FIR低通滤波器等重要模块,并在Simulink平台上对2FSK调制解调系统进行了仿真验证。然后在DE2开发板上外扩了数模和模数转换器,采用Verilog HDL详细设计了2FSK调制解调系统中的各个模块,并对其进行了综合、功能仿真和时序仿真。最后整合用硬件描述语言设计的各个模块,编译后下载到DE2板上,实现整个2FSK调制解调系统,并对系统进行了性能测试,测试结果表明：所设计的调制解调模块在2FSK信号的峰-峰值高于0.85V时,能实现0～19200bps可调的传输速率,可应用于低速率的超声波通信系统。