时钟恢复及同步技术在地震勘探仪器中的应用

摘要：随着石油勘探的发展，在地震勘探仪器中越来越需要高精度的同步技术来支持高效采集。基于这种目的，采用FPGA技术设计了一种时钟恢复以及系统同步方案，并完成了系统的固件和嵌入式软件设计。通过室內测试、野外试验以及生产应用，证明结合FPGA技术，时钟恢复和系统同步技术在地震勘探仪器中具有独到的优势，其精度可达us级，而且稳定，实现方便。

地震勘探仪器是一个高度集成的网络采集系统，在这些地震勘探仪器中，要求系统能长时间连续采集，且在这种情况下能达到各个采集样点的严格时间同步，而且要求在同步精度上要达到微秒级，因此涉及到时钟同步和系统时间同步的2个技术难点，即时钟恢复技术以及系统同步技术这两个核心技术。因此，围绕这两项技术，以前的地震勘探仪器采用了各种各样的实现方法，但是精度不高，甚至有的系统没有完全实现这两种技术，对高精度、高效率石油地震勘探的发展不利。

本项目结合FPCA可编程逻辑技术，对通信中用到的时钟恢复技术以及系统同步方法进行探讨，并设计了一种方案，经过了试验和实际应用考验，证明其精度高，实现灵活，并取得了良好的应用效果。

1 通信中的时钟恢复设计

地震勘探仪器的有线系统结构如图1所示。

其包含了主机系统(中央控制系统)，交叉站(通过光纤把数据传输到仪器车的设备)，电源站(给野外站体提供电源的设备)，采集站(用于采集地震数据的设备)，交叉线，排列电缆这些野外设备。一般主机系统和交叉站之间的数据传输采用光纤(交叉线)传输，电源站和采集站之间的采用铜缆(排列电缆)传输。

在这些数据传输中，涉及到命令的发送以及数据的收发。其中有2个基本的技术需要解决，一个是时钟恢复，另外一个就是数据恢复，有的系统不需要时钟恢复，只需要将数据恢复出来即可，但是有的系统需要两个都要恢复出来，这需要依据系统的要求而定，本设计需要同时进行时钟恢复以及数据恢复。

图2是地震勘探仪器中采用的通信链路结构。

图中数据纠错模块可以用RS前向纠错码，也可以用应答式的纠错控制。如果系统的误码率比较低，纠错模块也可以不用。本设计充分利用系统的特点(即存在下行与上行数据通道)，采用重传控制机制来实现纠错目的。

在地震勘探仪器中，当涉及到高效连续采集时候，时钟恢复是必不可少的。其需要全网时钟同步，其时钟需要同步到主机系统的GPS时钟。如果不需要震源高效采集，只需要同步到主机时钟即可，此时可以不用CPS时钟同步。

设计中通信编码方式采用8B10B，采用此类编码有利于时钟的快速恢复，可以避免长1或者0的编码方式。在通信中，采用的时钟恢复技术就是利用锁相环PLL技术，其系统框图如图3所示。

图中的相频检测器为数字鉴相器，完成VCO时钟与输入串行数据的时钟的同步，其包括频率与相位的同步。参考时钟为中心频率与串行数据随路时钟一样，用于对串行数据时钟的快速锁定。

数字鉴相器为锁相环的核心部分。只有完成了频率和相位的准确定位和比较，才能输出控制VCO的信号，从而达到频率和相位一致。数字鉴相器本质上是对输入串行数据进行采样，采样的时间窗口为一个数据时钟周期，然后根据采样的信息进行时钟相位超前或者滞后判断，从而调节VCO的相位和频率。

数字鉴相器的实现方案如图4所示。

此鉴相器为在1个时钟周期内对输入的数据流进行相位变化检测，并将检测结果(超前或者滞后)由o1和o2进行编码表示。

在本方案设计中，无论是光纤传输还是铜缆传输，其命令通道都实现了时钟恢复功能，因此能达到全网与主机时钟同步，因此能支持长时间连续采集。系统时钟恢复由自定义模块实现，其系统结构图如图5所示。

通过此种方案，能让主机系统，交叉站，电源站以及采集站等野外设备都同步到同一个时钟源。

光纤通道的时钟恢复由FPGA的IP硬核实现。

2 系统同步

地震勘探仪器的同步需要实现以下几个技术：

1)全网时钟同步;

2)延迟测试;

3)全网时间同步，即TOD同步;

4)采集开始时刻同步;

对本方案来说，其全网时钟同步已经在时钟恢复中实现，下面对其他3个技术点进行设计。

2.1 延迟测试

此延迟测试为测试相邻站体间的命令传输延迟，为命令下行通道的延迟时间，此值在TOD设置时候需要，延迟测试过程如流程图6所示。

2个站体之间的延迟测试涉及的参数包括：

1)大线或光缆延迟;

2)上一站体pps发送处理延迟时间;

3)站体内部延迟;

2.2 TOD同步设置

TOD设置用于设置全网的时间一致，其设置流程如图7所示。

图中的TOD值由主机通过命令下传。

2.3 采集开始时刻同步

在上述的TOD设置正确以及时钟步调ticks一致后，就可以进行采集开始时刻的设置，此步骤根据施工需要进行设置，由主机命令启动。其设置流程图如下：

图中分为主机系统、主机接口卡以及野外站体3大部分，其中放炮采集和测试采集都需要进行采集开始同步设置。

3 实验及应用效果

本方案设计成功后，经过了实验测试，测试平台包括：

1)力科SDA13000串行数据分析仪;

2)安捷伦MS06104A示波器;

系统从以下2个方面进行评估。

①传输性能测试

测试平台采用力科SDA13000串行数据分析仪，2节点之间传输距离为220米，速率为10.24 Mbps，分析参数包括眼图，抖动等。测试得到的眼图参数如表1。

从表1可以看出，系统传输性能良好，在时钟恢复良好情况下，进一步提高了系统的传输质量，并且经过了实际应用的证明。

②系统同步精度测试

系统同步精度我们通过测试采集开始时刻TO来验证，我们采用测试任意2个站体之间的TO同步脉冲相位差的方式，此脉冲由主机系统的放炮命令启动，表示采集开始时刻TO的同步。测试仪器为高精度数字示波器，上升沿触发，测试多次结果，统计如表2。

从表2可以看出，系统同步精度很高，远小于1μs，完全能满足地震系统采集的要求。

4 结论

通过实验和实际应用，可以看出：

1)全网时钟以及时间同步能有效地解决长时间采集导致的时钟漂移(此会导致采集样点在时间上的不同步)，因此是地震勘探仪器高效采集的核心基础;

2)采用FPGA逻辑来实现系统同步控制，在精度控制以及资源利用方面具有优势;

3)采用FPGA逻辑来实现数据传输，不但能最大发挥数据传输的性能，同时能实现高效的硬实时性能，时钟恢复实现手段灵活简单。