14.2. Оптимальная форма сигналов

Однополярные импульсы, рассмотренные в предыдущем разделе, по отношению к электрическим параметрам кабеля и его частотным характеристикам не являются оптимальными. Практически все первичные и вторичные электрические характеристики кабеля, за исключением емкости, существенно нелинейны в области низких частот, где сосредоточена значительная часть энергии однополярных сигналов. Соответственно, кабель оказывается рассогласованным на этих частотах с источником сигнала и нагрузкой, а стабильность передачи сигналов зависит от изменения степени рассогласования при влиянии на кабель дестабилизирующих факторов (температуры, условий заземления оплетки в скважине и пр.). При однополярных сигналах на ограничение импульсной пропускной способности кабеля оказывает свое влияние и существенное смещение нулевой линии, определяемое резкой асимметрией импульсного отклика кабеля и, соответственно, зависимое от конкретной импульсной нагрузки кодового слова. По этой же причине для однополярных кодов не может быть выполнена система надежной автоматической синхронизации тактовых частот передатчика и приемника, весьма существенная для каротажных станций.

Рис. 14.2.1. Форма и спектры биполярных импульсов.

Решение данной проблемы в радиотехнике известно: частотное перераспределение энергии сигналов со смещением в средне- и высокочастотную область спектра кабеля, т.е. применение биполярных сигналов с нулевым средним значением по тактовым интервалам.

На рис. 14.2.1 приведена форма двух входных и выходных биполярных сигналов равной энергии пределах одного тактового периода (сплошная линия – один период меандра, пунктир – период синусоиды). Как и в предыдущем разделе, в качестве примера используется кабель КГ 3х0.75-55-150 длиной 5 км, а параметры сигналов и период их следования определены с привязкой на параметры кабеля значением Т = 2Т_к. Среднее значение сигналов в пределах тактового периода равно нулю. Модули спектров сигналов приведены в нормированном виде в сопоставлении с передаточной функцией кабеля (пунктирная кривая). Импульсные параметры сигналов на входе и выходе кабеля приведены в таблице 14.2.1.

Таблица 14.2.1. Параметры биполярных сигналов на кабеле КГ 3х0.75-60-150.

Тактовый интервал	Т=2Tk						Т=Tk
Сигналы	Входные			Выходные			Входные			Выходные
Параметры		Би-П	Син.		Би-П	Син.		Би-П	Син.		Би-П	Син.
T импульса, мкс.		30.3	27.9		39.3	36.2		15.2	13.9		24.9	23.5
 импульса, кГц.		400	38.2		26.3	28.2		566	76.4		44.1	48.0
Индекс T		12.1	1.06		1.03	1.02		8.06	1.07		1.10	1.13

Естественно, что для биполярных сигналов значение  увеличилось, но при этом существенно увеличились и значения  выходных сигналов и амплитудные характеристики выходных сигналов изменились несущественно. Гладкая форма входных сигналов на предельных тактовых частотах не имеет преимуществ перед прямоугольными импульсами, по крайней мере, для устройств без частотной коррекции передаточных функций жил.

Пример двоичного кодового сигнала, переданного биполярными П-импульсами с тактовым интервалом Т = 2Т_к, приведен на рис. 14.2.2(B). Пунктиром на рисунке приведена форма единичного (первого) импульса. При сравнении с рис. 14.1.2 можно видеть преимущества биполярной передачи сигналов.

Рис. 14.2.2. Кодовый сигнал на выходе кабеля при различной тактовой частоте.

В первых, биполярные импульсы не дают смещения нулевой линии в пределах кодового слова, при этом по внутритактовому пересечению нуля может выполняться автоматическая синхронизация тактовых частот передатчика и приемника.

Во вторых, импульсы отрицательной полярности представляют собой дублирующую кодовую информацию, сдвинутую на половину такта. Она также может быть использована для повышения достоверности идентификации импульсов и допустимого уровня шумов (детектирование сигналов по полярности на два канала, задержка канала положительных импульсов на полтакта, инверсия полярности канала отрицательных импульсов и суммирование каналов, при этом амплитуды импульсов увеличиваются в 2 раза, а среднеквадратический уровень статистических шумов уменьшается в раз).

На рис. 14.2.2(A,C) приведены выходные сигналы с тактовыми интервалами передачи 4T_k и T_k при единичных амплитудах входных биполярных сигналов. На тактовых интервалах 4T_k взаимное влияние битовых импульсов исключается практически полностью. На интервалах T_k взаимное влияние битовых сигналов становится достаточно существенным, но идентификация сигналов по синхроимпульсам сомнений не вызывает. Без специальных устройств декодирования сигналов этот интервал может считаться предельным для передачи данных с использованием биполярных кодов.

Попутно заметим, что первые импульсы в кодовых комбинациях при Т=T_k, а также импульсы после предыдущих нулевых битов, несколько больше по своим значениям последующих единичных импульсов в непрерывной последовательности. При необходимости этот эффект может быть устранен уменьшением амплитуды импульсов входного сигнала, следующих за нулевыми интервалами.

Следовательно, для биполярных сигналов значение T_k можно считать тактовым интервалом гарантированной идентификации кода при любой форме сигнала.

В принципе, для биполярных сигналов интервал T_k не является предельным. Биполярная форма импульсов позволяет подобрать соотношение длительности положительных и отрицательных частей импульсов (или их амплитудных значений) таким образом, чтобы частично компенсировать асимметрию импульсного отклика кабеля. На рис. 14.2.2(D) приведен пример формы сигналов на выходе кабеля для биполярных импульсов на входе кабеля с тактовым интервалом 0.5Т_k при равных значениях длительности импульсов и амплитуде отрицательного импульса порядка ¾ амплитуды положительного. Амплитудная асимметрия биполярного импульса создает "разрядный" импульс на входе кабеля, обратный ток которого, сдвинутый на полтакта, вычитается из тока среза "зарядного" импульса и компенсирует тем самым обратную по знаку асимметрию импульсного отклика кабеля. Результатом является практически симметричная однополярная форма единичного выходного сигнала (показана пунктиром) и одноуровневая форма кодового слова, которая хорошо декодируется.

Таким образом, оптимальной формой импульсов для каротажного кабеля при кодовой передаче информации, обеспечивающей максимальную скорость передачи данных, можно считать биполярный импульс типа одного периода меандра.