時鐘恢復及同步技術在地震勘探儀器中的應用

摘要：隨著石油勘探的發(fā)展，在地震勘探儀器中越來越需要高精度的同步技術來支持高效采集?；谶@種目的，采用FPGA技術設計了一種時鐘恢復以及系統(tǒng)同步方案，并完成了系統(tǒng)的固件和嵌入式軟件設計。通過室炔饈?、野宛}匝橐約吧產(chǎn)應用，證明結(jié)合FPGA技術，時鐘恢復和系統(tǒng)同步技術在地震勘探儀器中具有獨到的優(yōu)勢，其精度可達us級，而且穩(wěn)定，實現(xiàn)方便。

地震勘探儀器是一個高度集成的網(wǎng)絡采集系統(tǒng)，在這些地震勘探儀器中，要求系統(tǒng)能長時間連續(xù)采集，且在這種情況下能達到各個采集樣點的嚴格時間同步，而且要求在同步精度上要達到微秒級，因此涉及到時鐘同步和系統(tǒng)時間同步的2個技術難點，即時鐘恢復技術以及系統(tǒng)同步技術這兩個核心技術。因此，圍繞這兩項技術，以前的地震勘探儀器采用了各種各樣的實現(xiàn)方法，但是精度不高，甚至有的系統(tǒng)沒有完全實現(xiàn)這兩種技術，對高精度、高效率石油地震勘探的發(fā)展不利。

本項目結(jié)合FPCA可編程邏輯技術，對通信中用到的時鐘恢復技術以及系統(tǒng)同步方法進行探討，并設計了一種方案，經(jīng)過了試驗和實際應用考驗，證明其精度高，實現(xiàn)靈活，并取得了良好的應用效果。

1 通信中的時鐘恢復設計

地震勘探儀器的有線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其包含了主機系統(tǒng)(中央控制系統(tǒng))，交叉站(通過光纖把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻x器車的設備)，電源站(給野外站體提供電源的設備)，采集站(用于采集地震數(shù)據(jù)的設備)，交叉線，排列電纜這些野外設備。一般主機系統(tǒng)和交叉站之間的數(shù)據(jù)傳輸采用光纖(交叉線)傳輸，電源站和采集站之間的采用銅纜(排列電纜)傳輸。

在這些數(shù)據(jù)傳輸中，涉及到命令的發(fā)送以及數(shù)據(jù)的收發(fā)。其中有2個基本的技術需要解決，一個是時鐘恢復，另外一個就是數(shù)據(jù)恢復，有的系統(tǒng)不需要時鐘恢復，只需要將數(shù)據(jù)恢復出來即可，但是有的系統(tǒng)需要兩個都要恢復出來，這需要依據(jù)系統(tǒng)的要求而定，本設計需要同時進行時鐘恢復以及數(shù)據(jù)恢復。

圖2是地震勘探儀器中采用的通信鏈路結(jié)構(gòu)。

圖中數(shù)據(jù)糾錯模塊可以用RS前向糾錯碼，也可以用應答式的糾錯控制。如果系統(tǒng)的誤碼率比較低，糾錯模塊也可以不用。本設計充分利用系統(tǒng)的特點(即存在下行與上行數(shù)據(jù)通道)，采用重傳控制機制來實現(xiàn)糾錯目的。

在地震勘探儀器中，當涉及到高效連續(xù)采集時候，時鐘恢復是必不可少的。其需要全網(wǎng)時鐘同步，其時鐘需要同步到主機系統(tǒng)的GPS時鐘。如果不需要震源高效采集，只需要同步到主機時鐘即可，此時可以不用CPS時鐘同步。

設計中通信編碼方式采用8B10B，采用此類編碼有利于時鐘的快速恢復，可以避免長1或者0的編碼方式。在通信中，采用的時鐘恢復技術就是利用鎖相環(huán)PLL技術，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖中的相頻檢測器為數(shù)字鑒相器，完成VCO時鐘與輸入串行數(shù)據(jù)的時鐘的同步，其包括頻率與相位的同步。參考時鐘為中心頻率與串行數(shù)據(jù)隨路時鐘一樣，用于對串行數(shù)據(jù)時鐘的快速鎖定。

數(shù)字鑒相器為鎖相環(huán)的核心部分。只有完成了頻率和相位的準確定位和比較，才能輸出控制VCO的信號，從而達到頻率和相位一致。數(shù)字鑒相器本質(zhì)上是對輸入串行數(shù)據(jù)進行采樣，采樣的時間窗口為一個數(shù)據(jù)時鐘周期，然后根據(jù)采樣的信息進行時鐘相位超前或者滯后判斷，從而調(diào)節(jié)VCO的相位和頻率。

數(shù)字鑒相器的實現(xiàn)方案如圖4所示。

此鑒相器為在1個時鐘周期內(nèi)對輸入的數(shù)據(jù)流進行相位變化檢測，并將檢測結(jié)果(超前或者滯后)由o1和o2進行編碼表示。

在本方案設計中，無論是光纖傳輸還是銅纜傳輸，其命令通道都實現(xiàn)了時鐘恢復功能，因此能達到全網(wǎng)與主機時鐘同步，因此能支持長時間連續(xù)采集。系統(tǒng)時鐘恢復由自定義模塊實現(xiàn)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

通過此種方案，能讓主機系統(tǒng)，交叉站，電源站以及采集站等野外設備都同步到同一個時鐘源。

光纖通道的時鐘恢復由FPGA的IP硬核實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)同步

地震勘探儀器的同步需要實現(xiàn)以下幾個技術：

1)全網(wǎng)時鐘同步;

2)延遲測試;

3)全網(wǎng)時間同步，即TOD同步;

4)采集開始時刻同步;

對本方案來說，其全網(wǎng)時鐘同步已經(jīng)在時鐘恢復中實現(xiàn)，下面對其他3個技術點進行設計。

2.1 延遲測試

此延遲測試為測試相鄰站體間的命令傳輸延遲，為命令下行通道的延遲時間，此值在TOD設置時候需要，延遲測試過程如流程圖6所示。

2個站體之間的延遲測試涉及的參數(shù)包括：

1)大線或光纜延遲;

2)上一站體pps發(fā)送處理延遲時間;

3)站體內(nèi)部延遲;

2.2 TOD同步設置

TOD設置用于設置全網(wǎng)的時間一致，其設置流程如圖7所示。

圖中的TOD值由主機通過命令下傳。

2.3 采集開始時刻同步

在上述的TOD設置正確以及時鐘步調(diào)ticks一致后，就可以進行采集開始時刻的設置，此步驟根據(jù)施工需要進行設置，由主機命令啟動。其設置流程圖如下：

圖中分為主機系統(tǒng)、主機接口卡以及野外站體3大部分，其中放炮采集和測試采集都需要進行采集開始同步設置。

3 實驗及應用效果

本方案設計成功后，經(jīng)過了實驗測試，測試平臺包括：

1)力科SDA13000串行數(shù)據(jù)分析儀;

2)安捷倫MS06104A示波器;

系統(tǒng)從以下2個方面進行評估。

①傳輸性能測試

測試平臺采用力科SDA13000串行數(shù)據(jù)分析儀，2節(jié)點之間傳輸距離為220米，速率為10.24 Mbps，分析參數(shù)包括眼圖，抖動等。測試得到的眼圖參數(shù)如表1。

從表1可以看出，系統(tǒng)傳輸性能良好，在時鐘恢復良好情況下，進一步提高了系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，并且經(jīng)過了實際應用的證明。

②系統(tǒng)同步精度測試

系統(tǒng)同步精度我們通過測試采集開始時刻TO來驗證，我們采用測試任意2個站體之間的TO同步脈沖相位差的方式，此脈沖由主機系統(tǒng)的放炮命令啟動，表示采集開始時刻TO的同步。測試儀器為高精度數(shù)字示波器，上升沿觸發(fā)，測試多次結(jié)果，統(tǒng)計如表2。

從表2可以看出，系統(tǒng)同步精度很高，遠小于1μs，完全能滿足地震系統(tǒng)采集的要求。

4 結(jié)論

通過實驗和實際應用，可以看出：

1)全網(wǎng)時鐘以及時間同步能有效地解決長時間采集導致的時鐘漂移(此會導致采集樣點在時間上的不同步)，因此是地震勘探儀器高效采集的核心基礎;

2)采用FPGA邏輯來實現(xiàn)系統(tǒng)同步控制，在精度控制以及資源利用方面具有優(yōu)勢;

3)采用FPGA邏輯來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，不但能最大發(fā)揮數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅埽瑫r能實現(xiàn)高效的硬實時性能，時鐘恢復實現(xiàn)手段靈活簡單。