工 学 硕 士 学 位 论 文长 距 离 单 芯 电 缆 多 载 波 通 信 技 术 研 究RESEARCH OF MULTI-CARRIERSCOMMUNICATION TECHNOLOGYAPPLIED TO LONG DISTANCE SINGLE CABLE王 利哈 尔 滨 工 业 大 学2013 年 7 月国 内 图 书 分 类 号 ： TM923.6 学 校 代 码 ： 10213国 际 图 书 分 类 号 ： 621.3 密 级 ： 公 开工 学 硕 士 学 位 论 文长 距 离 单 芯 电 缆 多 载 波 通 信 技 术 研 究硕 士 研 究 生：王 利导 师 ： 李 浩 昱 教 授申 请 学 位 ： 工 学 硕 士学 科 ： 电 力 电 子 与 电 力传 动所 在 单 位 ： 电 气 工 程 系答 辩 日 期 ： 2013 年 6 月授 予 学 位 单 位 ： 哈 尔 滨 工 业 大 学Classified Index: TM923.6U.D.C.: 621.3Dissertation for the Master Degree in EngineeringRESEARCH OF MULTI-CARRIERSCOMMUNICATION TECHNOLOGYAPPLIED TO LONG DISTANCE SINGLE CABLECandidate： Wang LiSupervisor： Prof. Li HaoyuAcademic Degree Applied for： Master of EngineeringSpeciality： Power Electronics and Power DrivesUnit： Dept. of Electrical EngineeringDate of Oral Examination： June, 2013University： Harbin Institute of Technology摘 要摘 要油 田 测 井 作 业 中 ， 由 于 单 芯 铠 装 电 缆 缆 芯 细 、 价 格 低 、 维 护 方 便 且 具 有 较 好的强度，因此被广泛地应用于井下仪器与地面设备间，作为供电与数据传输的媒介。由于单芯电缆自身结构以及长度的原因，使其传输带宽较窄。同时，目前井下单芯电缆的数据传输中，工况复杂且多采用单载波调制技术，因此传输速率慢且误码率高。随着信息处理与传感器技术的快速发展，测井过程中所需传输的数据量越来越大，这就对单芯电缆传输提出了更高的要求，因此研究大容量、高效率 、 高 准 确 度 的 电 缆 通 信 技 术 成 为 亟 待 解 决 的 问 题 。本 文 在 对 实 际 五 千 米 单 芯 电 缆 进 行 PSpice 建 模 的 基 础 上 ， 分 析 单 芯 电 缆 信 道传 输 特 性 和 噪 声 特 性 ， 选 择 可 用 带 宽 为 100kHz， 对 发 送 数 据 进 行 卷 积 编 码 与Viterbi 译码的差错控制编码方式，增加传输数据的纠错能力。鉴于传输电缆高频段 的 信 号 衰 减 严 重 ， 本 文 比 较 了 三 种 不 同 的 数 字 调 制 方 式 ， 采 用 OFDM 多 载 波 调制 方 案 将 数 据 分 配 到 多 个 子 频 带 上 ， 提 高 频 带 利 用 率 ， 同 时 提 高 传 输 速 率 。由 于 电 缆 信 道 带 宽 较 窄 ， 容 易 发 生 符 号 串 扰 ， 严 重 时 子 载 波 的 正 交 性 可 能 被破坏，本文研究了信道估计和符号定时估计。采用基于循环前缀的最大似然估计算 法 完 成 OFDM 系统中的同步环节，具有一定的准确度同时避免插入导频占用可用带宽。最后，基于训练序列估计开展信道估计算法研究，通过运算得到各子信道的功率，并根据该估计结果进行自适应比特分配，自适应分配采用注水算法，信道增益较高的信道上子载波携带更多的信息比特，比特分配结果应用在下一次数 据 传 输 中 ， 自 适 应 位 加 载 有 效 提 高 了 数 据 传 输 速 率 。基 于 Matlab 进 行 了 OFDM 系 统 仿 真 ， 完 成 数 据 调 制 与 解 调 、 差 错 控 制 编码、信道估计以及同步模块程序编码，能够正确实现各模块功能。关 键 词 ： 单 芯 电 缆 ； OFDM；信道估计；同步算法-I-AbstractAbstractWith slight cable core, convenient application in logging and low price, the single-core cable has been widely used in oil field logging as the medium connecting groundand down-hole instruments, both for transmitting data and providing electricity.However, as a result of its structure and length, the single-core cable only has a narrowtransmission bandwidth. Besides, due to its slow transmission speed and thecomplicated logging environment, data accuracy of single-core cable transmission canbe hardly reached. With the development of information processing and sensortechnology, the data volume delivered of logging is on the rise, which presents higherrequirements for cable transmission. Therefore, it becomes a significant issue to studycable transmission technology with high capacity, high efficiency and high accuracy.Against such a background, this thesis makes a model with PSpice for 5000-kilometer-long single-core cable and analyzes the signal channel transmissioncharacteristics and noise features of the cable. Thus, it uses 100 kHz bandwidth toconduct convolutional encoding and error control coding of Viterbi coding to datadelivered, in the hope of enhancing error correcting capability of transferred data. As thehigh-band signal of the transmission cable weaken seriously, this thesis compares threedifferent digital modulation methods and employs OFDM multi-carrier modulationscheme to allocate the data to several sub-bands to improve band efficiency andtransmission speed.As the cable has a rather narrow channel bandwidth, symbol disturbance willfrequently occur, when it becomes serious, even destroying the orthogonality of the sub-carrier. This research studies signal channel estimation and symbol timing estimation.Since synchronization is an essential step of the OFDM system, this thesis usesmaximum likelihood estimation method of cyclic prefix, so as to ensure accuracy andavoiding inserting pilot frequency and occupying available bandwidth. The signalchannel estimation is based on training sequence estimation to obtain the power of eachsub-channel. Then, self-adaptive bit allocation, which uses water-filling algorithm, can- II -Abstractbe used on the basis of the estimated results. Signal channels with higher improvementwill carry more information bits on their sub-carriers. The results of bit allocation willbe applied in the future data transmission and the self-adaptive bit loading efficientlyimproves data transmission speed.Keywords: Single cable, OFDM, Channel estimation, Synchronization algorithm- III -目 录目 录摘 要 . IAbstract. II第 1 章 绪 论 .11.1 课 题 研 究 目 的 和 意 义 . 11.2 国 内 外 研