Фильтр восстановления кодовых сигналов

Методика синтеза фильтров ЧД на кодовые сигналы практически полностью повторяет методику расчетов при восстановлении формы сигналов. Все нижеследующие расчеты выполняются в качестве примера для кабеля КГ 3х0.75-60-150 длиной 5 км для цифрового фильтра ЧД при интервале дискретизации данных 0.1 мкс. Импульсные параметры кабеля: DT_k» 26 мкс, DW_k» 34 кГц.

Оператор фильтра. При приеме кодовых сигналов главное значение имеет простота и надежность выделения кода, которая определяется надежностью выделения единичных битовых импульсов. Для кода Манчестер-II она определяется интервалом минимум-максимум в непрерывной последовательности единиц (нулей). Для кодов NRZ и RZ имеет значение и сдвиг нулевой линии. Форма выходных импульсов особого значения не имеет, если не нарушается пространственное распределение импульсов. Естественно, что на предельной частоте передачи сигналов при достаточно высокой степени их амплитудного затухания существенное значение имеет увеличение (или, по крайней мере, сохранение на прежнем уровне) выходного отношения сигнал/шум фильтром ЧД.

При использовании фильтра ЧД можно считать, что предельная пропускная способность кабеля должна быть оценена с ограничением параметров оператора ЧД по определенному допустимому уровню коэффициента усиления дисперсии шумов. Примем этот уровень для дальнейших расчетов равным 1, т.е. оператор ЧД не должен усиливать среднеквадратичный уровень шумов. Это обеспечивается заданием соответствующей длительности импульса z(t) на половине высоты гауссовского пика (в данном случае порядка 7-8 мкс).

Пример оператора, и результат его проверки сверткой с импульсным откликом жилы кабеля приведен на рис. 15.2.1. Длительность оператора 20 мкс, коэффициент усиления дисперсии шумов ~0.65, коэффициент усиления амплитуды импульсного отклика жилы ~3.8.

Рис. 15.2.1. Оператор фильтра ЧД кодов.

Предельная частота передачи данных. В качестве входных импульсов кабеля имеет смысл рассмотреть только прямоугольные импульсы, фронты которых на выходе фильтра ЧД будут соответственно сглажены до величины порядка ширины импульса z(t). Эффект применения фильтра ЧД можно видеть на рис. 15.2.2 на примерах кодовой последовательности биполярных импульсов с единичной амплитудой на тактовых интервалах Т = 2×DT_k, Т = DT_k и Т = 0.5×DT_k мкс (тактовые частоты 19, 38 и 76 кГц). Пунктиром на рисунке показаны входные импульсы, приведенные к выходу кабеля с учетом безвозвратных потерь и задержки в кабеле.

Рис. 15.2.2. Биполярные импульсы на входе и на выходе фильтра ЧД

Как следует из этого рисунка, применение фильтра ЧД позволяет уменьшить предельный тактовый интервал следования битовых импульсов при идентификации кода минимум в 2 раза, т.е. в 2 раза увеличить скорость передачи информации по кабелю.

Заметим, что при коэффициенте усиления дисперсии шумов данного оператора ЧД не более 1 отношение сигнал/шум на выходе фильтра ЧД при статистических шумах на входе улучшается практически в 2 раза, т.к. оператор ЧД в этом случае выполняет и роль низкочастотного сглаживающего фильтра. О последнем наглядно свидетельствует рис. 15.2.3(A).

Рис. 15.2.3. Преобразование шумов и сигналов с шумом фильтром ЧД.

Пример фильтрации сигналов с наложенным статистическим шумом, средние квадратические флюктуации которого составляют порядка 30% от амплитуды информационных импульсов, приведен на рис. 15.2.3(B) и показывает уверенное сохранение информационной структуры сигнала.

Кодовые сигналы. На рис. 15.2.4(A) показана деконволюция кодовых сигналов с тактовой частотой 38 кГц, приведенных ранее на рис. 14.3.1 без деконволюции на предельной тактовой частоте 19 кГц. Как следует из рисунка, деконволюция позволяет практически полностью восстановить амплитудные значения сигналов (за вычетом безвозвратных потерь) на удвоенной тактовой частоте, т.е. импульсная пропускная способность кабеля повышается минимум в 2 раза для всех видов кодирования. Что касается предельной импульсной пропускной способности кабеля, то она повышается практически в 4 раза по сравнению с приемом сигналов без деконволюции, о чем достаточно наглядно свидетельствует пример формы тех же кодовых сигналов на тактовой частоте 76 кГц, приведенный на рис. 15.2.4(B), и сравнение этого рисунка с рисунком 14.3.1(B). Преимущество кода Манчестер-II перед кодами NRZ и RZ при использовании частичной деконволюции очевидно как на рис. 15.2.4(A), так и на рис. 15.2.4(B). С определенным запасом "прочности" можно считать, что при передаче информации биполярными кодами скорость передачи данных с использованием частичной деконволюции импульсного отклика кабеля может быть увеличена в 3 раза.

Краткие выводы по возможностям повышения импульсной пропускной способности каротажных кабелей:

1. Качество приема и надежность идентификации кодовой информации на выходе кабеля могут быть существенно повышены при частичной деконволюции импульсного отклика кабеля до симметричной (гауссовской) формы.

2. Основная (значимая) часть энергии оператора частичной деконволюции импульсного отклика кабеля сосредоточена в пределах 2-3 значений фронта отклика.

3. Для финитных сигналов, задаваемых на интервале не менее 2DT_к и имеющих эффективную ширину спектра не более DW_к, частичная деконволюция импульсного отклика жил кабеля обеспечивает восстановление формы сигналов с погрешностью по основным метрологическим параметрам (амплитуда, площадь, временная привязка) не более (1-2)%.

4. Скорость передачи кодовых данных при использовании частичной деконволюции импульсного отклика может быть увеличена минимум в 2 раза при любых методах кодирования и равна 1/DT_к. При передаче информации биполярными импульсами предельная скорость передачи данных может быть увеличена минимум в 3 раза.

Рис. 15.2.4. Деконволюция кодовых выходных сигналов, тактовые частоты 38 и 76 кГц.