3 Расчёт системных параметров

Для расчёта разрядности цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), нужно выбрать тип модуляции, так как в зависимости от этого меняется полоса пропускания сигнала и отношение сигнал/шум (ОСШ).

Рисунок 3.1 – График спектральной эффективности различных видов цифровой модуляции.

Также необходимо, чтобы полезный сигнал на входе приемника был больше уровня тепловых шумов. Поэтому необходимо рассчитать допустимые уровни шума для каждого типа модуляции и сравнить их с шумами приёмника.

Рисунок 3.2 – График коэффициента затухания кабеля

Выберем несущую частоту 1 МГц. Из графика коэффициента затухания кабеля, показанного на рисунке 3.2, определяем, что затухание в кабеле равно 3 Нп/км = 26 дБ/км = 20 раз/км. Исходя из этого, получаем, что в кабеле протяженностью 3 км сигнал ослабнет в 8000 раз.

То есть при сигнале на выходе передатчика 15В, на входе приёмника будет сигнал равный .

Так как сигнал сильно ослабляется, важно, чтобы он был выше уровня шумов усилителя в приёмнике. Поэтому необходимо рассчитать уровень внутреннего шума усилителя в зависимости от вида модуляции.

В качестве усилителя приёмника будет использоваться усилитель LT1028, подключенный по неинвертирующей схеме, показанной на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Схема неинвертирующего усилителя

Для, дальнейшего расчёта уровня шума необходимо определить максимальный коэффициент усиления на рабочей частоте.

Рисунок 3.4 – График АЧХ усилителя.

Из графика АЧХ видно, что на частоте 1 МГц максимальный возможный коэффициент усиления равен 36дБ = 63 раза.

Зададим коэффициент усиления 50, а резистор R1 возьмем 1кОм, тогда R2 будет равен:

Из ряда номиналов выберем

Источник шума равен:

Рассчитаем допустимый уровень шума, полосу пропускания для скорости 500 кБит/с и уровень шума во входном усилителе приемника для каждого типа модуляции.

QPSK:

ОСШ при :

;

;

Данный вид модуляции можно использовать.

16QAM:

ОСШ при :

;

;

Данный вид модуляции также можно использовать.

64QAM:

ОСШ при :

;

;

Данный вид модуляции также можно использовать.

256QAM:

ОСШ при :

;

Данный вид модуляции также можно использовать.

Все рассчитанные виды модуляции имеют приемлемые шумовые характеристики. Расчёты будем производить для модуляции 64QAM.

В 64QAM сигнале 10 амплитуд, поэтому для формирования сигнала необходимо сформировать 10 уровней квантования. Для достижения погрешности ЦАП 10%, необходимо сформировать 1000 уровней. Исходя из этого, разрядность ЦАП буде равна:

Примем m=10. Погрешность ЦАП будет равна:

Для QPSK модуляции полоса пропускания для скорости 500кБит равна:

4 Разработка принципиальной схемы системы связи

4.1 Разработка модулятора

В качестве микроконтроллера для реализации данной системы выбран STM32G081 от компании STMicroelectronics. Этот микроконтроллер характеризуется высоким быстродействием и относительно низкой стоимостью, что делает его оптимальным выбором для данного проекта. Учитывая, что внутри скважин температура может достигать 110°C, необходимо было подобрать контроллер, способный функционировать в условиях повышенных температур. Микроконтроллер STM32G081 обладает температурным диапазоном эксплуатации до 125°C, что делает его пригодным для работы в экстремальных условиях. На рисунке 4.1 показана структурная схема данного контроллера.

Рисунок 4.1 – Структурная схема контроллера

Данный контроллер обладает следующими характеристиками:

Ядро: Arm Cortex®-M0 32-bit 64 МГц

Память: 128 Кбайт, 36 Кбайт SRAM

Внутренний кварцевый генератор 32 кГц с калибровкой

Диапазон Питания: 1 .7 - 3 .6 В

Аналоговый и цифровой датчики будут подключены к выводам PB3 и PB4 соответственно.

Для повышения скорости передачи данных планируется использовать внешний параллельный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) TLC7524C. Структурная схема представлена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 – Структурная схема ЦАП

Данный ЦАП отличается высокой скоростью преобразования до 5 МГц и рабочей температурой до 100°C, что обеспечивает его совместимость с температурными условиями рабочей среды. Принципиальная схема представлена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 – Принципиальная схема модулятора

Параметры элементов обвязки контроллера и ЦАП взяты из datasheet [8] [9].

4.2 Разработка фильтра нижних частот

После прохождения через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) сигнал приобретает ступенчатую форму. Для восстановления непрерывного аналогового сигнала необходимо применить сглаживающий фильтр, который устранит ступенчатость и обеспечит более плавное изменение амплитуды. Для этого целесообразно использовать Г-образный RC-фильтр первого порядка, обладающий простой реализацией и достаточной эффективностью.

Выберем несущую частоту 1 МГц, а максимальное падение напряжения на резисторе не должно превышать 0,5 В. На основе этих данных получаем сопротивление резистора 220 Ом.

Ёмкость конденсатора фильтра рассчитывается по следующей формуле:

Значение из ряда номиналов: 580 пФ.

Рисунок 4.4 – Сглаживающий RC-фильтр

Таким образом, принципиальная схема RC-фильтра имеет вид, представленный на рисунке 4.4.

4.3 Разработка усилителя.

При прохождении через каротажный кабель сигнал подвергается естественному затуханию, что требует его предварительного усиления. Для достижения этой цели будет использоваться усилитель мощности.

В качестве усилителя приёмника будет использоваться операционный усилитель LT1028, подключенный по неинвертирующей схеме, показанной на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 – Схема неинвертирующего усилителя

Для, дальнейшего расчёта уровня шума необходимо определить максимальный коэффициент усиления на рабочей частоте.

Рисунок 4.6 – График АЧХ усилителя.

Из графика АЧХ видно, что на частоте 1 МГц максимальный возможный коэффициент усиления равен 36дБ = 63 раза.

Зададим коэффициент усиления 50, а резистор R1 возьмем 1кОм, тогда R2 будет равен:

Из ряда номиналов выберем

Таким образом, принципиальная схема скважинной части системы передачи будет выглядеть, как показано на рисунке 4.7.

Рисунок 4.8 – Принципиальная схема скважинной части

4.4 Разработка полосового фильтра.

При прохождении через каротажный кабель, сигнал подвергается искажению и ослаблению вследствие воздействия внешних помех. Для корректного получения данных необходимо осуществить фильтрацию и усиление сигнала. Для этого применяется двухконтурный полосовой фильтр, который удаляет нежелательные частотные компоненты, оставляя только информативную составляющую сигнала. Для усиления сигнала используется инструментальный усилитель AD8221 [10], обладающий высокой точностью. К выводам RG подключается резистор с номиналом 470 Ом, который служит для задания коэффициента усиления.

Выбор двухконтурного полосового фильтра обусловлен его способностью обеспечивать высокую избирательность и подавление побочных частот. Схема фильтра представлена на рисунке 4.9.

Рисунок 4.9 – Принципиальная схема полосового фильтра

Исходя из задания, рассчитаем параметры элементов фильтра:

Рассчитаем добротность контура:

Ёмкость конденсаторов:

Индуктивности:

Выберем номиналы из ряда:

Таким образом, полная принципиальная схема системы передачи показана на рисунке 4.10.

Рисунок 4.10 – Принципиальная схема системы связи

В качестве платы ввода/вывода будет использоваться ADLink PCI-9812 [11], которая обеспечивает взаимодействие компьютера с внешними устройствами. Данная плата подключается к компьютеру через порт PCI компьютера и обладает полной совместимостью с программной средой LabView, что позволяет реализовать демодуляцию и обработку сигнала с помощью программного обеспечения компьютера. Данная плата имеет следующие характеристики:

Частота дискретизации: 20 МГц

Входные каналы: четыре односторонних

Этого достаточно для нашей цели.