旋轉(zhuǎn)導向工具中聲波短傳的信號處理方法研究
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解調(diào)濾波器的軟件設計
設計中心頻率為6830Hz的帶通濾波器，其階數(shù)為8階，采樣頻率為100kHz，通帶范圍內(nèi)的幅值衰減為1dB、阻帶最小衰減為30dB。根據(jù)以上參數(shù)來設計濾波器為：
將高階的IIR濾波器轉(zhuǎn)換為一系列二階IIR濾波器的級聯(lián)。從FDAtool中輸出的分子系數(shù)為Num，分母系數(shù)為Den，增益為Gain。濾波器的傳遞函數(shù)如下式所示：
根據(jù)濾波技術要求在FDAtool中得到濾波階數(shù)為8階，系數(shù)采用4個二階級聯(lián)方式的IIR濾波器。這四個二階級聯(lián)的根本形式是一樣的，只是在于它的系數(shù)不同，濾波程序的編寫可以采用for循環(huán)的形式，循環(huán)4次就可以構成一個點的濾波。整體濾波的軟件流程如圖5所示。
圖5 四階帶通切比雪夫濾波器軟件編程流程圖
本文通過調(diào)用MATLAB中Simulink的各功能模塊構成數(shù)字濾波器的仿真框圖。通過Simulink環(huán)境下的數(shù)字濾波器設計模塊導入FDAtool所設計的濾波器文件，反復進行仿真，以得出最好的濾波效果。原始信號波形圖和濾波后信號波形圖分別是圖6和圖7所示。從圖7中可以看到經(jīng)過離散采樣、數(shù)字濾波后分離出了7kHz的頻率分量。
圖6 原始信號波形圖 圖7 濾波后信號波形圖
解調(diào)結果與分析
采用上述解調(diào)方法，在單片機C8051F060編寫解調(diào)程序，通過適配器完成在線調(diào)試，采用最終調(diào)試成功的解碼軟件進行解碼測試。聲波信號在可控偏心器中傳輸之后，接收端將接收到的信號進行調(diào)理、數(shù)據(jù)采集，采集信號的時域圖如圖8所示，然后進入到解調(diào)程序中進行解調(diào)，在MATLAB中繪制圖形如圖9所示?？梢钥闯?，接收端信號經(jīng)過解碼之后的碼元是1010101010101010，與發(fā)射端的信息碼是一致的，說明解調(diào)成功。
圖8 信號時域圖 圖9 解碼后的波形圖
結論
在復雜的井下環(huán)境中，信息準確實時的傳輸非常重要。本文采用2FSK技術處理旋轉(zhuǎn)導向工具中的聲波短傳信號，相比于泥漿脈沖傳輸方式，信號傳輸速率更快。同時在接收端設計了IIR濾波器，有效地克服了采用電磁波傳輸時衰減嚴重的問題。此外，2FSK技術設備簡單，解調(diào)方便，有利于推廣使用。
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