旋轉導向工具中聲波短傳的信號處理方法研究
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解調濾波器的軟件設計
設計中心頻率為6830Hz的帶通濾波器，其階數為8階，采樣頻率為100kHz，通帶范圍內的幅值衰減為1dB、阻帶最小衰減為30dB。根據以上參數來設計濾波器為：
將高階的IIR濾波器轉換為一系列二階IIR濾波器的級聯。從FDAtool中輸出的分子系數為Num，分母系數為Den，增益為Gain。濾波器的傳遞函數如下式所示：
根據濾波技術要求在FDAtool中得到濾波階數為8階，系數采用4個二階級聯方式的IIR濾波器。這四個二階級聯的根本形式是一樣的，只是在于它的系數不同，濾波程序的編寫可以采用for循環的形式，循環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
本文通過調用MATLAB中Simulink的各功能模塊構成數字濾波器的仿真框圖。通過Simulink環境下的數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中可以看到經過離散采樣、數字濾波后分離出了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
解調結果與分析
采用上述解調方法，在單片機C8051F060編寫解調程序，通過適配器完成在線調試，采用最終調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理、數據采集，采集信號的時域圖如圖8所示，然后進入到解調程序中進行解調，在MATLAB中繪制圖形如圖9所示。可以看出，接收端信號經過解碼之后的碼元是1010101010101010，與發射端的信息碼是一致的，說明解調成功。
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，解調方便，有利于推廣使用。
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