一種抑制數字地震儀數據傳輸碼間干擾的解碼裝置及方法
【專利摘要】本發明提供了一種抑制數字地震儀數據傳輸碼間干擾的解碼裝置及方法，屬于解碼領域。本裝置包括高速差分比較器、緩存區延遲器、時鐘恢復單元、碼間干擾判決單元、邏輯電平判決單元、采樣時鐘自適應單元、高速時鐘計數單元和串行數據與采樣時鐘輸出單元；所述高速時鐘計數單元為時鐘恢復單元、碼間干擾判決單元、邏輯電平判決單元和采樣時鐘自適應單元提供高速時鐘信號，與時鐘恢復單元、碼間干擾判決單元、邏輯電平判決單元和采樣時鐘自適應單元配合，共同完成傳輸信號中時鐘的初步恢復、是否存在碼間干擾的判決、邏輯電平寬窄的判決、自適應采樣時鐘的獲得與最終傳輸數據的獲取。
【專利說明】一種抑制數字地震儀數據傳輸碼間干擾的解碼裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于解碼領域，具體涉及一種抑制數字地震儀數據傳輸碼間干擾的解碼裝 置及方法，用于在長線傳輸中接收端信息受干擾時的解碼。
【背景技術】
[0002] 高精度數字地震儀是用來記錄人工或天然地震信號，然后根據這些地震信號的記 錄來尋找油、氣、煤和其他礦產資源的地質勘探儀器，并可用于探測地球內部結構、進行工 程及地質災害預測等。地震勘探法目前仍然是勘探石油和天然氣的主要手段，同時也是其 他礦產資源的重要勘探方法，并廣泛應用于研究地球內部結構、工程勘探和檢測、地質災害 預測等等方面。其基本方法是在勘探靶區的地面上埋放數千乃至上萬只地震波傳感器，然 后用炸藥激發人工地震。地震波向地下深處傳播，遇到不同性質地層的分界面就會產生反 射，地震檢波器拾取到反射波并將其轉換成模擬電信號，然后由高精度的數字地震儀把這 些模擬電信號轉換成數字信號記錄下來。野外勘探時，勘探靶區達幾十平方公里，探測終端 需上千至上萬只，傳輸距離達上千米，要接收大量數據。在大量數據的傳輸方式上大多數數 字地震儀采用了抗干擾能力較強的曼切斯特編碼。
[0003] 曼徹斯特編碼（Manchester Encoding)，也叫做相位編碼（PE)，是一個同步時鐘編 碼技術，被物理層使用來編碼一個同步位流的時鐘和數據。在曼徹斯特編碼中，每一位的中 間有一跳變，位中間的跳變既作時鐘信號，又作數據信號；從低到高跳變表示"〇"，從高 到低跳變表示"1"。提供一個簡單的方式給編碼簡單的二進制序列而沒有長的周期沒有 轉換級別，因而防止時鐘同步的丟失。曼徹斯特編碼將時鐘和數據包含在數據流中，在傳輸 代碼信息的同時，也將時鐘同步信號一起傳輸到對方，每位編碼中有一跳變，不存在直流分 量，因此具有自同步能力和良好的抗干擾性能。在曼切斯特編碼的電平序列中寬窄電平的 長度比為1 : 2,采樣時鐘保持在固定頻率上。
[0004] 由于數字地震儀的測量區域甚廣，傳輸線動輒千米，曼切斯特編碼也會因噪聲干 擾、線長等因素在接收端造成碼間干擾。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在于解決上述現有技術中存在的難題，提供一種抑制數字地震儀數 據傳輸碼間干擾的解碼裝置及方法，抑制數字地震儀接收端出現的碼間干擾，優化曼切斯 特編碼在數字地震儀接收端的波形。
[0006] 本發明是通過以下技術方案實現的：
[0007] -種抑制數字地震儀數據傳輸碼間干擾的解碼裝置，包括高速差分比較器、緩存 區延遲器、時鐘恢復單元、碼間干擾判決單元、邏輯電平判決單元、采樣時鐘自適應單元、高 速時鐘計數單元和串行數據與采樣時鐘輸出單元；
[0008] 所述高速時鐘計數單元為時鐘恢復單元、碼間干擾判決單元、邏輯電平判決單元 和采樣時鐘自適應單元提供高速時鐘信號，與時鐘恢復單元、碼間干擾判決單元、邏輯電平 判決單元和采樣時鐘自適應單元配合，共同完成傳輸信號中時鐘的初步恢復、是否存在碼 間干擾的判決、邏輯電平寬窄的判決、自適應采樣時鐘的獲得與最終傳輸數據的獲取。
[0009] 所述高速差分比較器用于對傳輸線上的差分信號進行預處理，形成TTL電平信號 并將其保存于緩沖區延遲器；
[0010] 所述緩存區延遲器用于對TTL電平信號進行緩存并延遲；
[0011] 所述時鐘恢復單元用于形成初步采樣時鐘；
[0012] 所述碼間干擾判決單元用于判定是否存在碼間干擾；
[0013] 所述邏輯電平判決單元對所述TTL電平信號的寬度進行判別；
[0014] 所述采樣時鐘自適應單元用于對TTL電平信號重新采樣解碼得到與發送端一致 的數據結果；
[0015] 所述串行數據與采樣時鐘輸出單元用于輸出采樣時鐘自適應單元的結果。
[0016] 所述解碼裝置是利用FPGA實現的；
[0017] 所述高速時鐘計數單元的高速時鐘信號為信號采樣時鐘的16倍，是由外部晶振 和FPGA內部倍頻單元PLL設置產生的。
[0018] 所述時鐘恢復單元包括兩級D觸發器和雙異或門，高速差分比較器形成的所述 TTL電平信號作為輸入信號IN與第一級D觸發器的輸入端連接，第一級D觸發器的輸出與 雙異或門的一個輸入端相連；同時輸入信號IN進入雙異或門的另一個輸入端，雙異或門的 輸出結果進入第二級D觸發器，第二級D觸發器的輸出為初步采樣時鐘；兩級D觸發器的時 鐘信號均由所述高速時鐘計數單元提供。
[0019] TTL電平信號的初始序列進入碼間干擾判決單元；所述碼間干擾判決單元包括計 數單元、存儲單元和比較單元；
[0020] 以所述初步采樣時鐘作為所述計數單元的時鐘信號，以高速時鐘計數單元提供的 高速時鐘作為所述計數單元的輸入信號，每一次時鐘信號觸發一次計數；將每次計數的結 果保存在所述存儲單兀中；
[0021] 所述比較單元取所述存儲單元的長短值進行比較，如果長短值滿足原始編碼的長 短比例，則判定為無碼間干擾，按原編碼方法的標準解碼方法進行解碼；否則，則判定為存 在碼間干擾，啟動邏輯電平判決單元對所述TTL電平信號的寬度進行判別；所述存儲單元 的長短值是指以高速時鐘為計數單位的計數值。
[0022] 所述邏輯電平判決單元包括高電平計數器、低電平計數器和緩存區；
[0023] 所述TTL電平信號的高電平和低電平分別進入所述高電平計數器和低電平計數 器，以高速時鐘計數單元提供的高速時鐘作為基準，對兩種電平進行計數，得到邏輯電平的 寬度并保存在緩存區內。
[0024] 所述采樣時鐘自適應單元包括延時器、寬電平識別單元和采樣時鐘補充單元；
[0025] 以高速時鐘計數單元提供的高速時鐘作為基準，時鐘恢復單元得到的初步采樣時 鐘經所述延時器延時1?2個時鐘周期后采集TTL電平信號；
[0026] 所述寬電平識別單元選取邏輯電平判決單元中存儲的寬電平；
[0027] 所述采樣時鐘補充單元在選取的寬電平的中后端插入一個采樣時鐘，形成插入時 鐘的TTL波形，將該波形疊加在初步采樣時鐘上形成自適應采樣時鐘波形。形成的自適應 采樣信號的脈沖頻率為非均勻頻率，是隨接收到的包含碼間干擾的編碼信號隨時調整的自 適應采樣時鐘。
[0028] -種利用所述抑制數字地震儀數據傳輸碼間干擾的解碼裝置進行解碼的方法，包 括以下步驟：
[0029] (1)傳輸線上的差分信號輸入到所述高速差分比較器，所述高速差分比較器對其 進行預處理，形成TTL電平信號并將其保存于緩沖區延遲器；
[0030] (2)所述TTL電平信號進入時鐘恢復單元，所述時鐘恢復單元利用高速時鐘計數 單元提供的高速時鐘信號抽取該信號的跳變沿，利用跳變沿恢復出編碼的時鐘信號，并將 該時鐘信號作為后續信號的初步采樣時鐘；
[0031] (3)所述TTL電平信號的初始序列進入碼間干擾判決單元，當判決結果為無碼間 干擾時，按原編碼方法的標準解碼方法進行解碼；當判決結果為存在碼間干擾時，邏輯電平 判決單元對所述TTL電平信號的寬度進行判別，得到邏輯電平的寬度并保存；
[0032] (4)以高速時鐘計數單元提供的高速時鐘作為基準，將所述初步采樣時鐘延時 1?2個時鐘周期后采集TTL電平信號；
[0033] (5)選取邏輯電平判決單元中存儲的寬電平，在所述寬電平的中后端插入一個采 樣時鐘，形成非均勻采樣頻率、隨接收到的包含碼間干擾的編碼信號隨時調整的自適應采 樣時鐘；
[0034] (6)由步驟（5)產生的自適應采樣時鐘和初步采樣時鐘進行邏輯或的運算后，形 成新的采樣時鐘，然后利用新的采樣時鐘重新對TTL電平信號采樣解碼到與發送端一致的 數據；
[0035] (7)將步驟（6)得到的數據輸出。
[0036] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明可抑制數字地震儀數據傳輸中的 碼間干擾，由于碼間干擾的存在會顯著造成TTL電平序列中長短電平寬度不符合曼切斯特 編碼2 : 1的要求，經該方法輸出得到的采樣時鐘是頻率可變的，隨碼間干擾的程度不斷調 整，使得解碼得到的數據正確率大幅提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037] 圖1是本發明抑制數字地震儀數據傳輸碼間干擾的裝置的結構圖。
[0038] 圖2 (a)是接收端TTL波形經高速差分比較器形成的TTL電平波形。
[0039] 圖2 (b)是接收端TTL原始編碼波形。
[0040] 圖3是圖1中的時鐘恢復單元的電路結構圖。
[0041] 圖4是圖1中的碼間干擾判決單元的結構圖。
[0042] 圖5是圖1中的邏輯電平判決單元的結構圖。
[0043] 圖6是圖1中的采樣時鐘自適應單元的結構圖。
[0044] 圖7是自適應采樣時鐘波形圖。
【具體實施方式】
[0045] 下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述：
[0046] 本發明設計了一種抑制數字地震儀數據傳輸碼間干擾的解碼裝置及方法，可抑制 數字地震儀數據傳輸中的碼間干擾。本發明使用大型FPGA實現了包括高速差分比較器、緩 存區延遲器（一般的緩存區只用其數據緩存的功能，此處還利用了數據在緩存時，產生的 延遲功能，所以叫緩存區延遲器比較合適）、時鐘恢復單元、碼間干擾判決單元、邏輯電平判 決單元、采樣時鐘自適應單元、高速時鐘技術單元和串行數據恢復單元的功能，輸出得到的 采樣時鐘是頻率可變的，隨碼間干擾的程度不斷調整，使得解碼得到的數據正確率大幅提 商。
[0047] 本發明所提及的一種抑制數字地震儀數據傳輸碼間干擾的解碼裝置如圖1所示， 包括高速差分比較器、緩存區、時鐘恢復單元、碼間干擾判決單元、邏輯電平判決單元、采樣 時鐘自適應單元、高速時鐘計數單元和串行數據恢復單元。
[0048] 實現上述單元的核心部件為大型FPGA，其中的核心單元為高速時鐘計數單元。高 速時鐘計數單元的高速時鐘信號為信號采樣時鐘的16倍，由外部晶振和FPGA內部倍頻單 元PLL設置產生。
[0049] 所述高速差分比較器對傳輸線上的差分信號進行預處理，形成TTL電平的常規信 號保存于緩沖區。經高速差分比較器形成的TTL電平如圖2(a)所示，原始編碼線號波形如 圖2 (b)所示，由于數字地震儀的線纜很長，長線纜傳輸線可等效為電阻R、電容C的模型，有 低通效應，其幅頻特性為：
[0050]
【權利要求】
1. 一種抑制數字地震儀數據傳輸碼間干擾的解碼裝置，其特征在于：所述解碼裝置包 括高速差分比較器、緩存區延遲器、時鐘恢復單元、碼間干擾判決單元、邏輯電平判決單元、 采樣時鐘自適應單元、高速時鐘計數單元和串行數據與采樣時鐘輸出單元； 所述高速時鐘計數單元為時鐘恢復單元、碼間干擾判決單元、邏輯電平判決單元和采 樣時鐘自適應單元提供高速時鐘信號，與時鐘恢復單元、碼間干擾判決單元、邏輯電平判決 單元和采樣時鐘自適應單元配合，共同完成傳輸信號中時鐘的初步恢復、是否存在碼間干 擾的判決、邏輯電平寬窄的判決、自適應采樣時鐘的獲得與最終傳輸數據的獲取。
2. 根據權利要求1所述的抑制數字地震儀數據傳輸碼間干擾的解碼裝置，其特征在 于：所述高速差分比較器用于對傳輸線上的差分信號進行預處理，形成TTL電平信號并將 其保存于緩存區延遲器； 所述緩存區延遲器用于對TTL電平信號進行緩存并延遲； 所述時鐘恢復單元用于形成初步采樣時鐘； 所述碼間干擾判決單元用于判定是否存在碼間干擾； 所述邏輯電平判決單元對所述TTL電平信號的寬度進行判別； 所述采樣時鐘自適應單元用于對TTL電平信號重新采樣解碼得到與發送端一致的數 據結果； 所述串行數據與采樣時鐘輸出單元用于輸出采樣時鐘自適應單元的結果。
3. 根據權利要求2所述的抑制數字地震儀數據傳輸碼間干擾的解碼裝置，其特征在 于：所述解碼裝置是利用FPGA實現的； 所述高速時鐘計數單元的高速時鐘信號為信號采樣時鐘的16倍，是由外部晶振和 FPGA內部倍頻單元PLL設置產生的。
4. 根據權利要求3所述的抑制數字地震儀數據傳輸碼間干擾的解碼裝置，其特征在 于：所述時鐘恢復單元包括兩級D觸發器和雙異或門，高速差分比較器形成的所述TTL電平 信號作為輸入信號IN與第一級D觸發器的輸入端連接，第一級D觸發器的輸出與雙異或門 的一個輸入端相連；同時輸入信號IN進入雙異或門的另一個輸入端，雙異或門的輸出結果 進入第二級D觸發器，第二級D觸發器的輸出為初步采樣時鐘；兩級D觸發器的時鐘信號均 由所述高速時鐘計數單元提供。
5. 根據權利要求4所述的抑制數字地震儀數據傳輸碼間干擾的解碼裝置，其特征在 于：所述碼間干擾判決單元包括計數單元、存儲單元和比較單元； 以所述初步采樣時鐘作為所述計數單元的時鐘信號，以高速時鐘計數單元提供的高速 時鐘作為所述計數單元的輸入信號，每一次時鐘信號觸發一次計數；將每次計數的結果保 存在所述存儲單元中； 所述比較單元取所述存儲單元的長短值進行比較，如果長短值滿足原始編碼的長短比 例，則判定為無碼間干擾，按原編碼方法的標準解碼方法進行解碼；否則，則判定為存在碼 間干擾，啟動邏輯電平判決單元對所述TTL電平信號的寬度進行判別；所述存儲單元的長 短值是指以高速時鐘為計數單位的計數值。
6. 根據權利要求5所述的抑制數字地震儀數據傳輸碼間干擾的解碼裝置，其特征在 于：所述邏輯電平判決單元包括高電平計數器、低電平計數器和緩存區； 所述TTL電平信號的高電平和低電平分別進入所述高電平計數器和低電平計數器，以 高速時鐘計數單元提供的高速時鐘作為基準，對兩種電平進行計數，得到邏輯電平的寬度 并保存在緩存區內。
7. 根據權利要求6所述的抑制數字地震儀數據傳輸碼間干擾的解碼裝置，其特征在 于：所述采樣時鐘自適應單元包括延時器、寬電平識別單元和采樣時鐘補充單元； 以高速時鐘計數單元提供的高速時鐘作為基準，時鐘恢復單元得到的初步采樣時鐘經 所述延時器延時1?2個時鐘周期后采集TTL電平信號； 所述寬電平識別單元選取邏輯電平判決單元中存儲的寬電平； 所述采樣時鐘補充單元在選取的寬電平的中后端插入一個采樣時鐘，形成插入時鐘的 TTL波形，將該波形疊加在初步采樣時鐘上形成自適應采樣時鐘波形。
8. -種利用權利要求7所述抑制數字地震儀數據傳輸碼間干擾的解碼裝置進行解碼 的方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟： (1) 傳輸線上的差分信號輸入到所述高速差分比較器，所述高速差分比較器對其進行 預處理，形成TTL電平信號并將其保存于緩存區延遲器； (2) 所述TTL電平信號進入時鐘恢復單元，所述時鐘恢復單元利用高速時鐘計數單元 提供的高速時鐘信號抽取該信號的跳變沿，利用跳變沿恢復出編碼的時鐘信號，并將該時 鐘信號作為后續信號的初步采樣時鐘； (3) 所述TTL電平信號的初始序列進入碼間干擾判決單元，當判決結果為無碼間干擾 時，按原編碼方法的標準解碼方法進行解碼；當判決結果為存在碼間干擾時，邏輯電平判決 單元對所述TTL電平信號的寬度進行判別，得到邏輯電平的寬度并保存； (4) 以高速時鐘計數單元提供的高速時鐘作為基準，將所述初步采樣時鐘延時1?2個 時鐘周期后采集TTL電平信號； (5) 選取邏輯電平判決單元中存儲的寬電平，在所述寬電平的中后端插入一個采樣時 鐘，形成非均勻采樣頻率、隨接收到的包含碼間干擾的編碼信號隨時調整的自適應采樣時 鐘； (6) 由步驟（5)產生的自適應采樣時鐘和初步采樣時鐘進行邏輯或的運算后，形成新 的采樣時鐘，然后利用新的采樣時鐘重新對TTL電平信號采樣解碼到與發送端一致的數 據； (7) 將步驟（6)得到的數據輸出。
【文檔編號】H04L25/49GK104125178SQ201310146079
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2013年4月24日 優先權日:2013年4月24日
【發明者】李守才, 郝學元, 郭建 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院