NO840672L - Apparat til forbedring av transmisjonshastigheten for et datasignal - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et apparat for forbedring av transmisjonshastigheten for kodede data som er frembragt ved en brønnloggings-operasjon.

Datainnsamlings-teknikker som anvendes ved brønnloggings-operasjoner frembringer store datamengder som må overføres fra kodingsutstyr i borehullet til en på overflaten plassert datadiskriminator/dekoder ved hjelp av en armert brønnloggings-kabel. På grunn av de store avstander som vanligvis forekommer i transmisjonsbanen, f.eks. 25.000-35.000 fot (7625-10675 m), setter båndpass-karakteristikkene til den armerte kabelen som anvendes for overføringen, alvorlige elektriske begrensninger på dataoverføringshastigheten. Vanligvis demper kabelen høyere frekvenskomponenter i datasignalet i større grad enn lavere frekvenskomponenter, noe som gjør uniform amplityde-deteksjon av alle frekvenskomponenter vanskelig. Økning av datahastigheten øker frekvensen til de forskjellige komponenter i de kodede datasignal og minsker således påliteligheten i datadeteksjonen.

Det er blitt gjort forskjellige forsøk på å øke datåover-føringshastigheten i de nettopp beskrevne omgivelser, innbefattet bruk av linjeavsluttende impedanser og bruk av kompliserte datasendere og -mottagere, men med begrenset hell. Selv med disse teknikker som for en del er meget kompliserte og kost-bare, har det imidlertid vært vanskelig å oppnå pålitelige data-transmisjonshastigheter over 40k bit/sekund. Dette er spesielt tilfelle med Manchester-kodede data som har sterkt spredde frekvenskomponenter ved f.eks. frekvenser på t^, ^ c/ 2 °<9>^c/3 -l^f fc/4 • Disse sterkt spredde frekvenskomponentene blir forvrengt i forskjellig grad av den armerte kabels båndpass-karakteristikk-er, noe som gjør deres deteksjon og korrekte dekoding spesielt vanskelig.

Et formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe et apparat som forbedrer den datatransmisjonshastighet som kan oppnås i et tele-metri-system med lang kabel.

Oppfinnelsen består følgelig i et apparat for forbedring av transmisjonshastigheten av et datasignal, omfattende: en anordning for å levere et datasignal som har forskjellige primærfrekvensekomponenter,

en operasjonsforsterker som har inverterende og ikke-inverterende innganger og en utgang, hvilken ikke-inverterende

inngang blir koblet til utgangen fra leveringsanordningen,

en første kondensator og en første motstand koblet i serie mellom et jordpotensial og den inverterende inngangen til operasjonsforsterkeren, og

en annen motstand koblet mellom den inverterende inngangen til operasjonsforsterkeren og dens utgang,

idet overførings-karakteristikken til den kretsen som ut-gjøres av operasjonsforsterkeren, de første og andre motstander og kondensatoren frembringer en forsterkning av alle frekvens-komponenter i datasignalet.

Det vises til de vedføyde tegninger, der:

figur 1 illustrerer et Manchester-kodet datasignal;

figur 2 illustrerer delvis i blokkform og delvis i skjema-form et telemetritransmisjons- og deteksjons-system som anvender et apparat i henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen;

figurene 3 og 4 er krets-skjemaer over det apparat som er vist på figur 2 og et lignende apparat, og

figur 5 er en grafisk illustrasjon av overføringsfunksjon-ene til det apparat som er vist på figurene 3 og 4.

Det vises til figur 1 hvor det er vist et typisk Manchester-kodet dataord frembragt ved hjelp av en kommersielt tilgjengelig Manchester-datakoder (Harris HD-15530). Det inneholder 20 data-bit i form av et 3-bit bredt synkroniserings-signal, 16-bit med data og en paritets-bit. Figur 1 illustrerer også de forskjellige primære frekvens-komponenter som typisk finnes i forbindelse med et Manchester-kodet dataord. Som vist blir det frembragt en høyfrekvent primærkomponent f hver gang påfølgende enere og nuller inntreffer, en middelfrekvent primærkomponent fc/,2 blir frembragt hver gang en overgang mellom enere og nuller inntreffer, og en lavfrekvent primærkomponent på omkring f /3 eller fc/4 (avhengig av det kodede nivå for dataene umiddelbart foran og etter synkroniserings-signalet) inntreffer hver gang synkroniserings-signalet er tilstede. Andre lavere og høyere frekvensharmoniske er også tilstede.

Det vises til figur 2 hvor det viste system anvender Manchester-koding ved å bruke en Manchester-kodeanordning 11, slik som den kommersielt tilgjengelige integrerte krets som er beskrevet ovenfor, til å frembringe og tilføre kodede data til en transmisjonslinje 13 bestående av et ledningspar på konven sjonell måte. En datadiskriminator 17 og data-dekoder 19 mot-tar, detekterer og dekoder datasignalet som opptrer ved enden av transmisjons-linjen 13, også på konvensjonell måte.

På grunn av den brede frekvensbåndbredden til det Manchester-kodede signalet og dettes forholdsvis høye frekvenskomponenter kan det kodede datasignalet bli alvorlig og ikke-uniformt ampli-tydeforvrengt av transmisjonslinjen 13, spesielt når det dreier seg om store avstander slik som anvendelser til borehulls-telemetri hvor overføringslinjen er en loggekabel. En filter/ forsterkerkrets 15 er derfor innsatt mellom transmisjonslinjen 13 og datadiskriminatoren 17 for å forbedre troverdigheten av det overførte signalet og dermed forsterke påliteligheten av dets deteksjon ved hjelp av diskriminatoren 17.

Filter/forsterker-kretsen 15 som også er vist på figur 3, utgjøres av en operasjonsforsterker 20, en seriekoblet motstand R^og kondensator C, koblet mellom en inverterende inngang til operasjonsforsterkeren 19 og jord, og en tilbakekoblingsmotstand 1*2 som er koblet mellom den inverterende inngangen til operasjonsforsterker 20 og dens utgang. Det datasignalet som opptrer på transmisjonslinjen 13 er koblet til den ikke-inverterende inngang til operasjonsforsterker 20. En viktig side ved oppfinnelsen er forbindelsen av det kodede datasignalet til den ikke-inverterende inngang av operasjonsforsterkeren 20. Grunnen til dette vil man forstå av den følgende diskusjon som gis i forbindelse med figurene 3 og 4.

Figur 4 illustrerer en lignende filter/forsterker-krets

med en inngangsimpedans dannet av en seriekoblet kapasitans C.

og motstand R. og en tilbakekoblingsimpedans som utgjøres av en motstand R^ koblet til dens inverterende inngang. Et inngangs-signal e^ blir tilført inngangsimpedansen, og den ikke-inverterende inngang er jordet.

Kretsen på figur 4 har en overføringsfunksjon H(s) (det brukes La Place-transformasjoner) som følger:

Overføringsfunksjonen H(s) for kretsen på figur 3 er:

Forskjellen mellom disse overføringsfunksjonene er viktig som vist på figur 5. Således er overføringsfunksjonen H(s) for kretsen i det ene eksempel som er vist på figurene 2 og 3 vist med heltrukne linjer på figur 5, mens overføringsfunksjonen for kretsen på figur 4 er vist med prikkede linjer på figur 5. Som vist oppviser overføringsfunksjonen for kretsen på figur 4 et fall i responsen til null fra grensefrekvens-punktet 3dB. Følgelig tilføres et inngangs-signal liten forsterkning ved lave frekvenser og ingen forsterkning ved likespenning. Overf©rings-funksjonen for kretsen på figur 3 oppviser derimot en forsterkning (XI) selv ved lave frekvenser og ved likespenning, og frem-hever dermed amplityden av alle likespenningskomponenter og lav-frekvens-komponenter. Amplitydeforsterkningen av lavfrekvens-komponenter i forbindelse med kretsen på figurene 2 og 3 blir i oppfinnelsen anvendt til å forsterke amplityden av lavfrekvens-komponentene (innbefattet eventuelle underharmoniske komponenter) 1 et Manchester-kodet signal, noe som gjør det lettere for diskriminatoren 17 å detektere det kodede signal riktig- Ved pas-sende valg av komponentverdier for R-^, R2og kan alle frekvenskomponenter til et Manchester-kodet signal bringes til å falle på 6dB/oktav-helningen til filterforsterkeren 15, som vist på figur 5, for derved i betydelig grad å gjenvinne amplityde-forvrengningen av det kodede signal som forårsakes av transmisjonslinjen 13. Typiske komponentverdier for kretsen på figur 2 og 3 vil frembringe en overføringsfunksjon hvor alle de primære frekvenskomponentene til det Manchester-kodede datasignalet befinner seg på 6 dB/oktav-helningen til overføringsfunksjonen, er R1= 10K, = 55pF og R2= 50K. Med disse verdier blir de nedre og øvre overgangsfrekvenser f^, f^i overføringsfunksjonen på figur 5 tilnærmet 47 kHz og 284 kHz, noe som rommer den store båndbredden, dvs. de primære frekvenskomponentene f c , fc/2 og f /3, (f /4) for et Manchester-kodet signal. Forsterkningen til filter/forsterker-kretsen 15 er omkring XI ved frekvenser under f1 og X6 ved frekvenser over F^. Et eksempel på en opera sjonsforsterker 20 som kan brukes her, er en Harris-modell nr. 2520.

Man har funnet at med den krets som er vist på figur 2 og 3 og ved å anvende de ovennevnte verdier for R^, R2 og C^, kan pålitelige transmisjonshastigheter for Manchester-kodede data opp til 150-300 k bits/sekund oppnås i et transmisjons-system som har store kabel-lengder i størrelsesorden 25.000 fot (7.625 m) .

Kretsen på figur 2 og 3 er funnet spesielt nyttig når et Manchester-kodet signal blir levert fra en datakilde 11, men kretsen vil også kunne benyttes med andre kodede signaler som har sterkt spredte frekvenskomponenter. Selv om en filter/forsterker 15 med ett trinn er blitt vist og beskrevet, kan dessuten en rekke slike trinn kobles i kaskade i avhengighet av transmisjons-linjens 13 dempningskarakteristikker.

Claims (8)

1. Apparat til forbedring av transmisjons-hastigheten for et datasignal, omfattende en anordning for å levere et datasignal som har forskjellige primære frékvens-komponenter, karakterisert ved en operasjonsforsterker som har en inverterende og en ikke-inverterende inngang og en utgang, hvilken ikke-inverterende inngang er koblet til utgangen fra leveringsanordningen, en første kondensator og en første motstand koblet i serie mellom et jordpotensial og den inverterende inngang til operasjonsforsterkeren, og en annen motstand koblet mellom den inverterende inngang til operasjonsforsterkeren og dens utgang, idet overføringskarakteristikken til den krets som utgjøres av operasjonsforsterkeren, den første og andre motstand og kondensatoren frembringer en forsterkning av alle frekvenskomponentene i datasignalet.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at verdiene av den første kondensator, den første motstand og den annen motstand er slik at overføringsfunksjonen til kretsen har en nedre overgangsfrekvens, en øvre overgangsfrekvens, en tilnærmet lineær 6 dB/oktav forsterknings-karakteristikk mellom den nedre og øvre overgangsfrekvens, og en hovedsakelig konstant første forsterknings-karakteristikk ved frekvenser over den øvre overgangsfrekvens og en hovedsakelig konstant annen forsterk-ningskarakteristikk ved frekvenser under den nedre overgangsfrekvens.

3. Apparat ifølge krav 2, karakterisert ved at den første kondensator har en verdi på omkring 55pF, den første motstand har en verdi på omkring 10k ohm og den annen motstand har en verdi på omkring 50k ohm, idet den første overgangsfrekvens er omkring 47 kHz og den annen overgangsfrekvens er omkring 284 kHz.

4. Apparat ifølge noen av de foregående krav, karakterisert ved at operasjonsforsterkeren, den første og annen motstand og kondensatoren utgjør et filter/forsterker-trinn og at apparatet videre omfatter i det minste to slike trinn koblet i kaskade.

5. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at datasignalet er et Manchester-kodet datasignal.

6. Apparat ifølge krav 5, karakterisert ved at det omfatter en datadiskriminator som er koblet til utgangen fra operasjonsforsterkeren og en Manchester-datadekoder koblet til utgangen av diskriminatoren.

7. Apparat ifølge krav 5 eller krav 6, karakterisert ved at leveringsanordningen omfatter en Manchester-datakode og en transmisjonslinje som forbinder utgangen fra koderen med den ikke-inverterende inngang til operasjonsforsterkeren .

8. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved at transmisjons-linjen er en brønnloggings-kabel.