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基于Bayes規(guī)則的誤碼率測試系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:5407406閱讀:262來源:國知局
專利名稱:基于Bayes規(guī)則的誤碼率測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種對i吳碼率的測試方法,更特別地說,是指一種基于Bayes規(guī)則 的誤碼率測試系統(tǒng),該系統(tǒng)適用于全光纖數(shù)字測m。
背景技術(shù)
公開號CN 1932238A中公開了一種全光纖數(shù)字測斜儀,該全光纖數(shù)字測斜儀 由中心處理器l、信號處理器2、計數(shù)器3、光纜絞盤4、張力傳感器5、井架6和 下井探管10組成;中心處理器1與信號處理器2通過RS232接口連接,光纜絞盤 4與信號處理器2通過電纜線連接,計數(shù)器3安裝在光纜絞盤4上,光纜絞盤4上 纏繞有光纜,井架6放置在被測井口上方,井架6上安裝有張力傳感器5,光纜一端 通過張力傳感器5與下井探管10 —端連接,參見圖2所示。所述中心處理器1由一 公知計算機和安裝在所述計算機內(nèi)的適用于全光纖數(shù)字測斜儀的捷聯(lián)慣性組合測量 的控制裝置,以及適用于下井探管IO位置設(shè)定的初始對準(zhǔn)裝置組成。所述信號處理 器2用于實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)的接收和解碼、以及井上下傳控制指令及光纜纜長數(shù)據(jù)的編 碼和發(fā)送。信號處理器2由FPGA邏輯處理器201、功率放大電路202和光電轉(zhuǎn)換 電路203組成,F(xiàn)PGA邏輯處理器201接收由中心處理器1輸出的光纜纜長L (纜 長是指從被測井口 7處到下井探管10所處當(dāng)前位置時光纜通過光纜絞盤4的長度, 其長度由計數(shù)器3讀取,且輸出給信號處理器2)和下井探管IO運行狀態(tài)指令,并 將所述信息按照曼徹斯特編碼格式進行編碼處理后輸出給功率放大電路;功率放大電 路對所述編碼信息進行放大、濾波處理輸出給光電轉(zhuǎn)換電路,在光電轉(zhuǎn)換電路中將電 信號轉(zhuǎn)換為光強信號,所述光強信號通過光纜耦合器耦合進入光纜8 (七芯鎧裝光纜) 傳遞給下井探管10,參見圖3所示。
數(shù)字通信系統(tǒng)的性能或質(zhì)量的基本測度是所接收的任何存儲位或傳輸位的出錯 概率,即誤碼率(BER, Bit Error Rate)。全光纖數(shù)字測斜儀必須結(jié)合纜長數(shù)據(jù)(井深)和傳感器組件數(shù)據(jù)才能進行軌跡測量,如果數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生錯誤,井下系 統(tǒng)處理器就將弓I用帶有粗大誤差的數(shù)據(jù)進行導(dǎo)航,并隨著時間的增長將這種粗大誤差 不斷放大,使以后的解算結(jié)果變得沒有意義,因此全光纖數(shù)字測斜儀對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)?誤碼率指標(biāo)有著嚴(yán)格的要求。然而在不同的測量任務(wù)中,與測斜儀配接的光纜/電纜
不是固定的,不同光纜/電纜的傳輸性能會由于其新舊或型號不同存在較大差異;同 時被測井不是固定的,不同的井下環(huán)境也存在很大差異。鑒于以上原因,為避免在誤 碼率過高的情況下進行無用的軌跡測量,造成人力物力的浪費,全光纖數(shù)字測斜儀在 每次工作前必須進行誤碼率測試。
在進行誤碼率測試時,實際測得的誤碼率是理論估計值,測量精度取決于傳輸?shù)?總比特數(shù),要使測量結(jié)果足夠精確,必須傳輸足夠多的比特數(shù),這就意味著將花費大 量的測量時間。然而,在油氣勘探開發(fā)中,減少作業(yè)時間,提高測量效率,對降低成 本,提高效益具有十分重要的現(xiàn)實意義。因此,在全光纖數(shù)字測斜儀中增加一誤碼率 測試系統(tǒng)是十分必要的。
全光纖數(shù)字測斜儀是基于航空航天領(lǐng)域的光纖陀螺捷聯(lián)慣性測量技術(shù)和光纖通 訊技術(shù)的新一代測斜儀,采用光纖陀螺采集角速度信息與石英撓性加速度計采集的相 對慣性空間的比力信息結(jié)合,通過測井特種光纜實時傳送至地面工作站,并按照航跡 推算法實時解算出表征井眼軌跡特征的各個參量,繪制出井眼軌跡三維圖形及進行測 井資料解釋和分析。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決全光纖數(shù)字測斜儀上述存在的缺陷,本發(fā)明提出一種基于Bayes規(guī)則 的誤碼率測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)將測試用的發(fā)端模塊和收端模塊集成在一片F(xiàn)PGA芯片 中實現(xiàn),采用在統(tǒng)計特性上類似白噪聲的m序列作為誤碼率測試的測試碼,應(yīng)用全 數(shù)字鎖相環(huán)實現(xiàn)測試碼位同步時鐘的精確提取,并使用Bayes規(guī)則對測試得到的誤 碼信息(誤碼數(shù)和總碼元數(shù))進行處理,進一步快速估計出具有具體置信度的真實誤 碼率。
本發(fā)明的基于Bayes規(guī)則的誤碼率測試系統(tǒng),該誤碼率測試系統(tǒng)內(nèi)嵌在FPGA 處理器芯片中,其特征在于由時鐘單元、m序列發(fā)生器、輸出信息單元、接收信 息單元、序列同步及門限檢測單元、誤碼統(tǒng)計單元、誤碼率估算單元、位同步時鐘提 取單元、本地m序列發(fā)生器組成。


圖1是本發(fā)明基于Bayes規(guī)則的誤碼率測試的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是全光纖數(shù)字測錄漢的結(jié)構(gòu)圖。
圖3是信號處理器結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是本發(fā)明編m序列的結(jié)構(gòu)圖。
圖5是采用仿真軟件對本發(fā)明誤碼率測試進行仿真的誤碼率后驗概率密度曲線。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)說明。
參見圖l所示,本發(fā)明是一種對全光纖數(shù)字測斜儀進行基于Bayes規(guī)則的誤碼 率測試的系統(tǒng),該誤碼率測試系統(tǒng)內(nèi)嵌在信號處理器2 (FPGA處理器芯片)中,由 時鐘單元、m序列發(fā)生器、輸出信息單元、接收信息單元、序列同步及門限檢測單 元、誤碼統(tǒng)計單元、誤碼率估算單元、位同步時鐘提取單元、本地m序列發(fā)生器組 成。
在本發(fā)明中,對下井探管10與信號處理器2之間通信誤碼率的測試采用Verilog HDL在FPGA邏輯處理器201上實現(xiàn)。
時鐘單元用于產(chǎn)生m序列所需的時鐘信號211,該時鐘信號211的頻率高于光 纜/電纜傳輸系統(tǒng)的波特率。設(shè)定為波特率的io倍。
m序列發(fā)生器是一種多級移位寄存器,用于輸出最大線性長度序列212 (m序 列)給輸出單元。該m序列212是一種偽隨機序列,在統(tǒng)計特性上近似于隨機白噪 聲,以一定周期重復(fù)并且重復(fù)周期很長,所產(chǎn)生的各種各樣的比特排列,基本包含了 實際通信應(yīng)用中各種數(shù)據(jù)的可能,在較短序列內(nèi)可以近似地看成是隨機并與實際通信 業(yè)務(wù)類似的碼型,因而可以用來模擬實際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)作為本誤碼率測試系統(tǒng)的m 序列。
輸出信息單元用于將接收的m序列212進行編碼后輸出帶有編碼信息的m序 列213 (簡稱編m序列),并經(jīng)光/電纜送入下井探管10。編m序列213的結(jié)構(gòu)如 圖4所示。在本發(fā)明中,輸出信息單元的傳輸方式實現(xiàn)了幀與幀之間m序列的嚴(yán)格 連續(xù),以避免破壞m序列的周期結(jié)構(gòu)。具體傳輸格式如下每幀44字節(jié),每字節(jié) ll位;每字節(jié)的第l位為起始位(固定為'0'),第2-5位為標(biāo)識位(固定為'010r),
6第6-9位為數(shù)據(jù)位,第IO位為校驗位(固定為第ll位為停止位(固定為 每幀前2個字節(jié)的數(shù)據(jù)位負(fù)責(zé)發(fā)送誤碼率測試命令字,協(xié)議中定義為 '1000_0000';每幀后42個字節(jié)的數(shù)據(jù)位負(fù)責(zé)發(fā)送發(fā)端產(chǎn)生的m序列,每幀可 發(fā)送168位m序列。
接收信息單元用于接收下井探管經(jīng)光/電纜傳回的含有誤碼的m序列信息221 (簡稱含誤碼m序列),并對含誤碼m序列221進行解碼處理,獲得解m序列222。 該解碼釆用與編碼相逆方式,即將每幀后42個字節(jié)的數(shù)據(jù)位(第6-9位)上的共 168位m序列碼元依次讀出,并保存為解m序列222。
位同步時鐘提取單元用于把隱藏在解m序列222中的碼元時鐘225恢復(fù)出來, 該碼元時鐘225作為本地m序列發(fā)生器生成基準(zhǔn)m序列226的時鐘信號。
本地m序列發(fā)生器用于產(chǎn)生與解m序列222同頻同相的基準(zhǔn)m序列226給誤 碼統(tǒng)計單元。該基準(zhǔn)m序列226是誤碼統(tǒng)計單元進行碼元比較時的基準(zhǔn)序列。
序列同步及門限檢測單元對接收的解m序列222與基準(zhǔn)m序列226進行數(shù)據(jù) 流同步和同步保護后輸出同步后的解m序列223和同步后的基準(zhǔn)m序列227。數(shù) 據(jù)流同步即比特對齊,是將解m序列222與基準(zhǔn)m序列226同步起來,確保誤碼 統(tǒng)計單元進行碼元比較時以周期內(nèi)的同一位置為起點。同步保護是一種消除假同步的 保護機制。
誤碼統(tǒng)計單元用于對接收的同步后解m序列223和同步后基準(zhǔn)m序列227按 位進行碼元比較后輸出誤碼信息224給誤碼率估算單元。該i吳碼信息包括錯誤碼元 數(shù)和總碼元數(shù)。
誤碼率估算單元用于每隔ls進行一次樣本誤碼率的計算,根據(jù)測試精度要求, 應(yīng)用基于Bayes規(guī)則的誤碼估計算法給出實際誤碼率估計值,并通過RS422串口 將實際誤碼率估計值上傳至中心處理器l,在中心處理器1的顯示器中將估算結(jié)果顯 示出從使用者應(yīng)用。
本發(fā)明的誤碼率測試系統(tǒng),從發(fā)端的m序列發(fā)生器首先根據(jù)用戶的速率要求發(fā) 送測試序列,經(jīng)全光纖數(shù)字測斜儀通信信道后到達收端,并送入位于FPGA內(nèi)的位 同步單元;位同步單元恢復(fù)碼元時鐘成功后,會將這一時鐘送入本地m序列發(fā)生器 和序列同步模塊,使收端模塊產(chǎn)生與發(fā)端同頻同相的m序列,誤碼計數(shù)模塊利用本地時鐘完成兩個m序列的逐比特比較,并實時地將總碼元數(shù)、序列數(shù)和誤碼數(shù)等誤
碼信息傳送給誤碼率估算單元;誤碼率估算單元根據(jù)誤碼計數(shù)纟莫塊傳來的誤碼信息每
隔ls進行一次誤碼率的計算,應(yīng)用誤碼估計算法根據(jù)測試精度要求判決測試時間, 給出誤碼率估計值并通過RS422串口將結(jié)果上傳至中心處理器1上顯示。
在本發(fā)明中,基于Bayes規(guī)則的誤碼率估計算法是一種依賴先驗信息的估計方法。
根據(jù)Bayes規(guī)則,當(dāng)傳輸總比特數(shù)為iV、錯誤比特數(shù)為及時,誤碼率^的后驗
_ ,-(
分布密度為<formula>formula see original document page 8</formula>式中, 〃表示總比特數(shù),及 0, 夕> 1
表示錯誤比特數(shù),e表示誤碼率,"表示微分式的算子。
當(dāng)全光纖數(shù)字測余M義通信系統(tǒng)的誤碼率僅作為評判指標(biāo)(例如,判斷誤碼率指標(biāo) 是否達到執(zhí)行某一任務(wù)的要求)時,只要求驗證誤碼率是否優(yōu)于某一規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值,即
判斷誤碼率e低于某一標(biāo)準(zhǔn)值WA《l)的概率是否達到置信度C ,當(dāng)誤碼率e以大于
置信度c的概率落在[O,W內(nèi),艮卩/i^PpS/2l/ ,A0二f尸^l凡A^^2c,則誤碼測
試通過;當(dāng)誤碼率e以大于置信度c的概率落在[/U]內(nèi),即 /2=尸(6^/7|凡7^= J^尸^l凡AO^e》c,則誤碼測試失敗,測量結(jié)束,否則最新的 iV和i 的值將被誤碼儀讀入,并重復(fù)上述計算過程,此即為誤碼率的單側(cè)置信區(qū)間 估計過程。
當(dāng)全光纖數(shù)字測斜儀通信模塊的誤碼率需要很精確地測量(例如,需要利用誤碼
率進行故障診斷)時,就要求分別估計出統(tǒng)計時間內(nèi)誤碼率的上界和下界,即判斷誤 碼率e落于待估計區(qū)間[/,M的概率是否達到置信度c ,當(dāng)可以找到誤碼率下界/和上
界W瞎足^尸(/^^I^AO-f尸(^足〃)^^時,測量立即結(jié)束并計算相對應(yīng)的' 和/ 值,否則最新的W和i 的值將被誤碼儀讀入,并重復(fù)上述計算過程,此即為誤碼 率的雙側(cè)置信區(qū)間估計過程。
采用matlab仿真軟件對誤碼率的后驗概率模型進行仿真,仿真參數(shù)設(shè)定為傳輸 總比特數(shù)^ = 107,錯誤比特數(shù)i 分別為0、 1、 2、 5,得到誤碼率后驗概率密度曲 線如圖5所示。從圖中可以看出(1)當(dāng)i 值越小時圖形變得越尖,誤碼率落在峰值附近的概率越大,可見誤碼率的估計值的概率分布不僅與傳輸總比特數(shù)W有關(guān),
還與傳錯比特數(shù)/ 有關(guān);(2)誤碼率的概率密度不是對稱分布的,i 值越小,不對 稱性越明顯,所以不能簡單地用正態(tài)分布來近似誤碼率的統(tǒng)計模型。
本發(fā)明的基于Bayes規(guī)則的誤碼率測試系統(tǒng),具有如下特點
(1) m序列發(fā)生器采用了 9級移位寄存器產(chǎn)生的一種擴展的m序列,該序列 具有在統(tǒng)計特性上近似于隨機白噪聲、重復(fù)周期很長等優(yōu)點,在較短序列內(nèi)可以近似 地看成是隨機,能夠很好地近似實際傳輸中的數(shù)據(jù)。同時添加一個全"0"判斷環(huán)節(jié), 也就是在原來的m序列里增加了一個全"0"狀態(tài),使周期由511擴展到512,用 來當(dāng)其初始狀態(tài)為全"0"的狀況下在啟動時破壞它的循環(huán)結(jié)構(gòu),以避免一直處于全
"0"的死循環(huán)狀態(tài)。
(2) m序列根據(jù)全光纖數(shù)字測斜儀的通信協(xié)議進行傳輸,并實現(xiàn)幀與幀之間m 序列的嚴(yán)格連續(xù),以避免破壞m序列的周期結(jié)構(gòu)。具體傳輸格式如下每幀44字 節(jié),每字節(jié)11位;每字節(jié)的第1位為起始位(固定為'0'),第2-5位為標(biāo)識位(固 定為'0101'),第6-9位為數(shù)據(jù)位,第10位為校驗位(固定為'l'),第ll位為 停止位(固定為每幀前2個字節(jié)的數(shù)據(jù)位負(fù)責(zé)發(fā)送誤碼率測試命令字,協(xié)議 中定義為'1000—0000';每幀后42個字節(jié)的數(shù)據(jù)位負(fù)責(zé)發(fā)送發(fā)端產(chǎn)生的測試碼, 每幀可發(fā)送168位測試碼。
(3) 在位同步時鐘提取單元,結(jié)合數(shù)字鎖相環(huán)的基本原理設(shè)計一種自適應(yīng)的智 能鎖相方法,它由高穩(wěn)定度振蕩器(晶振)、鑒相器、數(shù)控振蕩器和數(shù)字環(huán)路濾波器 所組成,其中數(shù)字環(huán)路濾波器部分有如下特點釆用了數(shù)字式N先于M濾波器,改 善位同步時鐘提取單元的抗干擾性能,同時在N先于M濾波器之后加入兩個RS觸 發(fā)器兩個與門,用來縮短相位調(diào)整時間。這種自適應(yīng)的智能鎖相方法可使誤碼測試系一 統(tǒng)在較寬的速率范圍內(nèi)對信號時鐘進行提取和跟蹤。
(4) 選擇了一種基于Bayes規(guī)則的誤碼率估計算法,使用統(tǒng)計置信度原理來估
計誤碼率的范圍,同時用后驗概率分布替代正態(tài)分布來近似真實i吳碼率的統(tǒng)計+莫型, 實時計算誤碼率的后驗分布,能夠根據(jù)實際測得的誤碼點數(shù)準(zhǔn)確、有效地對誤碼率進
行估計,選取出最佳的測試時間。滿足在全光纖數(shù)字測斜儀的實際工程應(yīng)用中,需要 在盡量短的時間內(nèi)以期望的置信度估計出其通信系統(tǒng)的誤碼率的要求。
權(quán)利要求
1、一種基于Bayes規(guī)則的誤碼率測試系統(tǒng),該誤碼率測試系統(tǒng)內(nèi)嵌在FPGA處理器芯片中,其特征在于由時鐘單元、m序列發(fā)生器、輸出信息單元、接收信息單元、序列同步及門限檢測單元、誤碼統(tǒng)計單元、誤碼率估算單元、位同步時鐘提取單元、本地m序列發(fā)生器組成;時鐘單元用于產(chǎn)生m序列所需的時鐘信號(211);m序列發(fā)生器用于產(chǎn)生m序列(212);輸出信息單元用于將接收的m序列(212)進行編碼后輸出帶有編碼信息的m序列(213),并經(jīng)光/電纜送入下井探管(10);所述編m序列(213)的傳輸格式為,每幀44字節(jié),每字節(jié)11位;每字節(jié)的第1位為起始位,第2-5位為標(biāo)識位,第6-9位為數(shù)據(jù)位,第10位為校驗位,第11位為停止位;每幀前2個字節(jié)的數(shù)據(jù)位負(fù)責(zé)發(fā)送誤碼率測試命令字,協(xié)議中定義為‘1000_0000’;每幀后42個字節(jié)的數(shù)據(jù)位負(fù)責(zé)發(fā)送發(fā)端產(chǎn)生的m序列,每幀可發(fā)送168位m序列;接收信息單元用于接收下井探管經(jīng)光/電纜傳回的含有誤碼的m序列信息(221),并對含誤碼m序列(221)進行解碼處理,獲得解m序列(222);該解碼采用與編碼相逆方式,即將每幀后42個字節(jié)的數(shù)據(jù)位上的共168位m序列碼元依次讀出,并保存為解m序列(222);位同步時鐘提取單元用于把隱藏在解m序列(222)中的碼元時鐘(225)恢復(fù)出來,該碼元時鐘(225)作為本地m序列發(fā)生器生成基準(zhǔn)m序列(226)的時鐘信號;本地m序列發(fā)生器用于產(chǎn)生與解m序列(222)同頻同相的基準(zhǔn)m序列(226)給誤碼統(tǒng)計單元;序列同步及門限檢測單元對接收的解m序列(222)與基準(zhǔn)m序列(226)進行數(shù)據(jù)流同步和同步保護后輸出同步后的解m序列(223)和同步后的基準(zhǔn)m序列(227);誤碼統(tǒng)計單元用于對接收的同步后解m序列(223)和同步后基準(zhǔn)m序列(227)按位進行碼元比較后輸出誤碼信息(224)給誤碼率估算單元,該誤碼信息包括錯誤碼元數(shù)和總碼元數(shù);誤碼率估算單元用于每隔1s進行一次樣本誤碼率的計算,根據(jù)測試精度要求,應(yīng)用基于Bayes規(guī)則的誤碼估計算法給出實際誤碼率估計值,并通過RS422串口將實際誤碼率估計值上傳至中心處理器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Bayes規(guī)則的誤碼率測試系統(tǒng),其特征在于時鐘 信號(211)的頻率高于光纜/電纜傳輸系統(tǒng)的波特率的10倍。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于Bayes規(guī)則的誤碼率測試系統(tǒng),其特征在于m序 列發(fā)生器是9級移位寄存器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Bayes規(guī)則的誤碼率測試系統(tǒng),其特征在于誤碼 率估算單元中應(yīng)用的Bayes規(guī)則為,當(dāng)傳輸總比特數(shù)為iV、錯誤比特數(shù)為及時,誤碼率e的后驗分布密度為p(W凡AO二1p"(1-0)MM,——,式中, 0, 6>1W表示總比特數(shù),i 表示錯誤比特數(shù),e表示誤碼率,J表示微分式的算子。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于Bayes規(guī)則的誤碼率測試系統(tǒng),該誤碼率測試系統(tǒng)由時鐘單元、m序列發(fā)生器、輸出信息單元、接收信息單元、序列同步及門限檢測單元、誤碼統(tǒng)計單元、誤碼率估算單元、位同步時鐘提取單元、本地m序列發(fā)生器組成。本發(fā)明基于Bayes規(guī)則的誤碼率估計算法,使用統(tǒng)計置信度原理來估計誤碼率的范圍,同時用后驗概率分布替代正態(tài)分布來近似真實誤碼率的統(tǒng)計模型,實時計算誤碼率的后驗分布,能夠根據(jù)實際測得的誤碼點數(shù)準(zhǔn)確、有效地對誤碼率進行估計,選取出最佳的測試時間。滿足在全光纖數(shù)字測斜儀的實際工程應(yīng)用中,需要在盡量短的時間內(nèi)以期望的置信度估計出其通信系統(tǒng)的誤碼率的要求。
文檔編號E21B47/02GK101435329SQ20081023898
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月8日
發(fā)明者張春熹, 恒 林, 鐵 林, 蕊 王, 王基亮, 爽 高 申請人:北京航空航天大學(xué)
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