高速电缆遥传系统中的盲均衡技术应用

党剑华　任品毅

　　摘要　　党剑华，任品毅．高速电缆遥传系统中的盲均衡技术应用．测井技术，1999，23（3）：207～209
　　*的均衡技术可提高电缆的传输速率，以满足成像测井系统的需要。文章从电缆实际出发，选用了盲均衡方法，并对其从理论上做了分析。通过计算机仿真试验，证明该方法是可行的。
　　主题词：　高速　　电缆遥测系统　　数据传输　　模拟试验　　［均衡算法］

　　ABSTRACT　Dang Jianhua， Ren Pinyi． Application of the Blind Equalization Algorithm to High Speed Cable emetry System． WLT， 1999， 23（3）：207～209
　　An advanced equalization algorithm can increase cable transmission rate so as to meet the need of imaging logging system． According to the characteristics of the logging cable， the blind equalization algorithm is chosenanalyzed in theory． The computer emulation shows this algorithm is viable．
　　Subject Terms： high velocity   cable emetry system  data transmission  simulation test  ［equalization algorithm］

引言
　　高速电缆传输系统用在成像测井系统之中，数据传输速率远高于以往的遥传仪器，它使用当今通信领域中比较成熟、*的编解码调制解调技术和均衡技术来实现高速率传输。本文根据测井电缆的特性，通过选用的传输方式来阐述盲均衡技术在高速电缆传输系统中的重要性及应用。

测井电缆特性
　　在一个测井系统中，地面系统与井下仪器间的数据传递通过电缆来实现。通常，我们所使用的测井电缆为7芯铠装电缆，长度一般为7 000 m。它对信号的衰减随信号频率的增加而增加，且在信号频率超过100 kHz时，信号衰减严重，难以检测。井温升高时，信号衰减程度加重见。因此，通常测井电缆传输信号的频率使用范围在100 kHz以下，这就给提高信息的传输速率带来很大困难，用基带传输已不能满足电缆高速率的传输要求。要想提高传输速率，就要选择率的调制解调技术，对电缆传输特性设法进行补偿，以满足高速数据传输系统的要求。
　　在高速数据传输系统中，我们选择了技术上比较成熟的多电平调制解调方法——QAM编解码技术^［1］正交振幅调制，通过选择不同的编码位数，使信号传输速率成倍增加。经过调制后的信号可以看成在一定带宽内具有各个频率分量的随机信号，经过电缆后，电缆对信号的衰减均匀的话，就比较容易恢复原先发送的信号。但实际上，电缆低频端衰减小，高频端衰减大，为了弥补这个不足，保证调制后的信号通过电缆时所造成的非线性衰减得到纠正，我们使用了均衡技术。均衡是对系统中的线性失真进行校正的过程。它的特性曲线与电缆衰减特性曲线相反，这样，信号通过电缆传输、信号放大、均衡后，信号便于检测，使接收端的判决变得比较可靠，信号可以恢复为原先发送的信号。

自适应盲均衡技术
　　自适应均衡技术就是能适应信号传输过程中的变化，使信号传输的误差达到zui小值，减免信号失真的过程。它分为两类：一类需要对通信环境事先训练，即依靠训练序列来对均衡器的各抽头系数进行训练收敛，然后才能可靠地接收输入信号；另一类不需经过训练就可以可靠地实际运转，即自适应盲均衡系统。
　　从图1中可见，电缆在恒温下，其幅频特性为固定值，随着温度的变化，其幅频特性也在缓变，且变化不是很剧烈，可以用算法纠正过来。因此，我们考虑均衡方案时，针对电缆特性，先用固定均衡器补偿电缆通常情况下的幅频特性，使信号保持一定的幅度。对测井中随深度、温度等引起的变化，采用自适应均衡中的盲均衡方案。因为自适应均衡需要周期性的训练，会对通信的效率造成影响，自适应盲均衡则不需要对通信环境进行事先训练，就能可靠地实际运转，它实现简单，不影响通信效率，而且运行可靠。

图1　T5方式下7 000 m电缆衰减特性曲线

　　图2所示为电缆遥传系统均衡方案的线性模型框图。｛a_n｝是遥传短节发出的信号集，电缆传输信道可用线性滤波器模拟，其低通脉冲响应h（t）是未知的，n是高斯白噪声AWGN，｛x_n｝是输入均衡器的采样信号集，｛Z_n｝是均衡器的估值输出集，误差信号e反馈到均衡器去调整响应函数c（t），｛_n｝是判决器对｛Z_n｝的判决输出，｛R_n｝为产生e的来源。均衡器实现盲均衡的原理如图3所示^［2］。

图2　高速电缆遥传系统的线性模型

图3　均衡器原理框图

　　传统的自适应均衡的实现方法一般是基于某种准则，如均方误差或平方误差准则，先构造一个函数，该函数能反映信号a_n通过信道后统计特性的变化，然后利用随机梯度搜索的方法，找到极小值点。该极小值对应码间串扰为零的状态，从而使均衡器收敛^［3］。在盲均衡技术中通常选用均方误差准则，这一类方法形式比较简单，运算方便。即

e_mse＝E｛｜Z_n－R_n｜²｝　　（1）

式中　e_mse——均方误差；
　　　E｛^.｝——｛^.｝内量的期望集平均。
由此可导出误差信号为

　　（2）

　　实际观测的信号为瞬时信号，可用随机梯度来代替统计平均，可得误差信号为

e＝－2e_nx_n（3）

　　对于图2中均衡器的抽头系数调整算法为

C^（n＋1）＝C^（n）－2μe_nX_n（4）

其中，μ为收敛步长，C^（n＋1）为经过第n+1次调整后均衡器抽头系数矩阵，X_n为均衡器的输入信号矩阵。对于自适应均衡，经过训练周期后使均衡器收敛，在工作状态时，用Z_n的判决量_n代替a_n，就可使自适应均衡正常运转。在盲均衡中，由于没有训练序列，不能直接用Z_n的判决量_n代替a_n。尽管我们不知道某一具体时刻的a_n，但知道它的统计特性，如QAM信号的星座图，可以认为，信号在星座图上是均匀分布的。Godard算法就是利用QAM信号的统计特性，是一种实现上比较简单、可靠性比较高、较好地解决了盲均衡算法的收敛性和收敛速度问题的一种算法。Godard算法如下^［4］。
　　Godard构造了一种扩散函数

D^（p）＝E（｜Z｜^p－R_p）²（5）

其中，D为扩散函数的符号，P为扩散函数的阶数，为一正整数，一般取1和2；R_p是与信号的统计特性有关的一个常量，且R_p＝E｜a_n｜^2p／E｜a_n｜^p。从式5中可推出盲均衡算法中均衡器抽头系数的调整公式为

C^（n＋1）＝C^（n）－a（｜Z_n｜^p－R_p）｜Z_n｜^p－2X^_nZ_n（6）

　　我们可以证明Godard构造的扩散函数［公式5］与误差函数［公式1］等价。对式6简化、整理，可得均衡器抽头系数调整公式为

C^（n＋1）＝C^（n）－μX^_n（Z_n－a_n）　　（7）

其中，μ为每次调整抽头系数的步长。

仿真试验结果
　　针对上述所选的盲均衡算法Godard算法，我们在计算机上做了仿真试验。选择的试验信道类似测井电缆见图4。
　　从图4可以求出该仿真信道的频率特性，其幅频特性如图5所示，可见所选择的试验信道类似于测井电缆。对该信道用盲均衡算法做计算机仿真试验，试验结果见图6。

图4　计算机仿真信道幅度特性

图5　计算机仿真信道幅频特性

图6　盲均衡算法均方误差

　　由试验结果可见，均衡器收敛速度很快，且收敛以后相当稳定，信号判决的可靠性高。在实际测井过程中，由于先用固定均衡补偿常温条件下的电缆衰减，测井中井温等因素的变化对电缆造成的影响是缓变的，选用盲均衡算法就可以跟踪电缆的变化，且不用经过训练序列的训练就可以很好收敛。在具体应用中，用一片DSP芯片就能完成盲均衡算法的运算，方案比较简单实用。

作者简介：党剑华　工程师，1965年生。1988年毕业于西安交通大学信控系无线电技术专业。现从事成像测井系统中高速电缆遥测系统研制工作。地址：西安市西影路53号西安石油勘探仪器总厂研究所　：710054

作者单位：党剑华　西安石油勘探仪器总厂
　　　　　任品毅　西安交通大学

参考文献

　1　李乐民等著．数字通信传输系统．北京：人民邮电出版社，1986
　2　郭梯云等著．数据传输．北京：人民邮电出版社，1986
　3　陈尚勤，李晓峰著．快速自适应信息处理．北京：人民邮电出版社，1993
　4　Gordard　D　N．　Self-recovering Equalization　and　Carrier　Tracking in　Two　Dimensional Data Communication System．　IEEE Trans　Commum， Vol． Com-32： pp1867-1875

本文编辑　高宝善
修改稿收稿日期：1999-02-24