DE2200784A1

DE2200784A1 - Messaging system

Info

Publication number: DE2200784A1
Application number: DE19722200784
Authority: DE
Inventors: Gene Strull
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1971-01-13
Filing date: 1972-01-08
Publication date: 1972-07-20
Also published as: AU3736171A; CA941308A; BE777931A; FR2121778A1; ZA718534B; GB1382257A; US3740488A; FR2121778B1

Description

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9Patent attorney
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9

Düsseldorf, 7. Januar 1972Düsseldorf, January 7, 1972

.Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A. .Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

NachrichtenübertragungssystemMessaging system

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Nachrichtenübertragungssysteme, insbesondere ein System für die Übertragung von Sprache durch Erdreich.The present invention relates generally to communication systems, in particular a system for the transmission of speech through the ground.

Es gibt eine Reihe von Fällen, in denen eine Nachrichtenübertragung auf der Basis der menschlichen Stimme durch das Erdreich erforderlich ist. Ein wichtiger Anwendungsbereich ergibt sich auf dem Gebiet des Bergbaus, wo ein zuverlässiges Nachrichtenübertragungssystem zur Verfügung stehen muß, um gesprochene Anweisungen von der Erdoberfläche aus geleiteter Rettungsaktionen an in einem Bergwerk bzw. einer Grube oder einem Stollen eingeschlossene Bergleute zu übermitteln und dadurch den Problemen entgegenzuwirken, wie sie normalerweise bei den Bemühungen auftreten, die eingeschlossenen Bergleute am Leben zu halten und zu retten.There are a number of cases where message transfer occurs on the basis of the human voice through the earth is required. An important area of application arises on mining where a reliable communication system must be available for voice instructions Rescue operations directed from the surface of the earth to miners trapped in a mine, a pit or a tunnel and thereby counteracting the problems normally encountered in the endeavors included Keeping miners alive and saving them.

Beim Auftreten eines Grubenunglücks verlassen sovrohl verletzte als auch unverletzte Bergleute das Gebiet, in dem Explosionen aufgetreten oder Feuer ausgebrochen sind_f um Zuflucht in entsprechenden Zufluchtkammern zu suchen, die zuvor an verschiedenen Stellen innerhalb des Stollens angeordnet wurden. Kl&Qi$re Menschengruppen können irgendwo innerhalb eines Stollens {?i&gesehlQSsen werden und dann keine Möglichkeit mehr haben, zu diesel Zufluchtkammern oderRely upon the occurrence of a mine accident sovrohl injured and uninjured miners the area occurred in the explosions or fire erupted _f to seek refuge in corresponding refuge chambers that have been previously disposed at various locations within the tunnel. Smaller groups of people can be somewhere within a gallery and then no longer have the opportunity to go to these refuge chambers or

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Telefon (0211) 32 0858Telephone (0211) 32 0858

Telegramme CjJStopatTelegrams CjJStopat

anderen besonderen Vorrichtungen zu gelangen, die vor Ausbruch des Grubenunglücks an bestimmten Stellen angeordnet wurden. Diese Personen haben dann aller Voraussicht nach keine weiteren Hilfsmittel, um sich bemerkbar zu machen, außer den Ausrüstungsgegenständen, die sie zur Zeit des Eintritts des Grubenunglücks bei sich trugen.other special devices in place prior to the onset of the Mine disaster were ordered at certain points. In all likelihood, these people will then have no further aids, to make themselves felt, except for the items of equipment they were carrying at the time of the mine disaster.

Nach Ausbruch eines Grubenunglücks ist es leicht möglich, daß die Energieversorgung bestimmter Abschnitte des Bergwerks ausfällt oder aus Sicherheitsgründen unterbrochen wird, so daß dementsprechend alle zuvor durch Drahtverbindung hergestellten Übertragungssysteme unwirksam werden. Es besteht daher das Bedürfnis, über verhältnismäßig einfache, leichte, tragbare, jedoch robuste Empfänger für das Auffangen von auf der Basis der menschlichen Stimme abgegebenen Nachrichten verfügen zu können.After a mining disaster breaks out, the power supply to certain sections of the mine can easily fail or is interrupted for security reasons, so that accordingly all transmission systems previously established by wire connection become ineffective. There is therefore a need to over relatively simple, lightweight, portable, but robust receivers for interception based on the human voice to be able to dispose of delivered messages.

Es sind eine Reihe von Systemen für die Übertragung von Nachrichten auf der Basis der menschlichen Stimme durch Erdreich vorgeschlagen worden, bei denen ein Trägersignal durch die zu übertragende Stimminformation moduliert wird, wobei die Modulation beispielsweise in Form von Frequenzmodulation, Amplitudenmodulation oder Impulsmodulation erfolgen kann.There are a number of systems for the transmission of messages on the basis of the human voice through soil has been proposed in which a carrier signal is to be transmitted through the Voice information is modulated, the modulation for example in the form of frequency modulation, amplitude modulation or pulse modulation can be done.

Bei der Nachrichtenübertragung durch Erdreich werden jedoch die höheren Frequenzen stärker gedämpft, so daß das Trägersignal nach Durchlauf einer verhältnismäßig kurzen Entfernung durch das Erdreich bereits eine Dämpfung erfährt. Um hier entgegenzuwirken, ist dann eine wesentlich teurere und mit höherem Energieaufwand arbeitende Sendeausrüstung erforderlich.In the transmission of messages through the ground, however, the higher frequencies are attenuated more so that the carrier signal after Passing a relatively short distance through the ground already experiences a dampening. To counteract this is then a significantly more expensive and working with higher energy expenditure transmission equipment is required.

Mit der USA-Patentschrift 1 470 430 wird die Übertragung eines Audiofrequenz-Signals durch Änderung eines Gleichstromkreises mittels eines Mikrofons vorgeschlagen, wobei das Mikrofon Änderungen der Stärke des den Gleichstromkreis durchfließenden Stromes hervorruft. Die Sendeantenne ist an ihren beiden Enden mit dem Erdreich verbunden, und der Empfänger weist eine ähnliche Empfangsantenne auf. Da die Empfangsantenne mit dem Erdreich verbunden sein muß, kann sie praktisch nicht einfach von dem Bergmann mitge-With the USA patent specification 1 470 430 the transmission of an audio frequency signal by changing a direct current circuit by means of proposed a microphone, the microphone causing changes in the strength of the current flowing through the direct current circuit. The transmitting antenna is connected to the ground at both ends and the receiver has a similar receiving antenna. Because the receiving antenna is connected to the ground must be, it can practically not simply be taken from the miner.

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führt werden, und außerdem besteht die Gefahr der Zerstörung beim Auftreten eines Unglücks. Darüber hinaus werden bei jeglicher Übertragung von Tonfrequenzen durch das Erdreich die höheren Tonfrequenzen stärker als die ausgesendeten niedrigeren Frequenzen gedämpft, so daß der Empfänger ein verzerrtes Ausgangssignal liefert. and there is also a risk of destruction if an accident occurs. In addition, be at any Transmission of audio frequencies through the earth the higher audio frequencies stronger than the transmitted lower frequencies attenuated so that the receiver delivers a distorted output signal.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung eines Systems für die Übertragung von in Form der menschlichen Sprache vorliegenden Nachrichten durch das Erdreich, das eine große räumliche Entfernung zwischen Sender und Empfänger gestattet und bei dem der Empfänger frei von einer Person mitgeführt werden kann, außerdem die Stimmwiedergabe mit besonders hoher Qualität erfolgt.The object of the present invention is to create a system for the transmission of messages in the form of human speech through the earth over a great spatial distance between sender and receiver permitted and in which the receiver can be carried freely by one person, as well as the Voice reproduction takes place with particularly high quality.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Nachrichtenübertragungssystem mit einem Sender für die Aussendung eines Audiosignals eines innerhalb des Audiobereiches liegenden Frequenzbandes durch Erdreich sowie einem Empfänger für den Empfang des Audiosignals erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Sender und der Empfänger für örtlich voneinander getrennten Betrieb ausgelegt sind und mindestens der Sender oder der Empfänger innerhalb des Erdreichs angeordnet ist, der Empfänger einen Audioverstärker, eine Einrichtung zur Verbindung des Audioverstärkers mit einer Energiequelle für die Lieferung von Arbeitspotential, eine mit dem Audioverstärker gekoppelte Rahmenantenne sowie einen Ausgangs-Signalwandler für die Umformung des Ausgangssignals des Audioverstärkers in ein hörbares Signal aufweist und die Rahmenantenne für ein bestimmtes Magnetfeld eine mit bis zur Resonanzfrequenz ansteigender Frequenz linear zunehmende Ausgangsspannung und bei über die Resonanzfrequenz hinaus anwachsender Frequenz abfallende Ausgangsspannung liefert und dabei so ausgelegt ist, daß sie bei Empfang des gesandten Frequenzbandes eine im wesentlichen konstante Ausgangs-Effektivspannung abgibt.To solve this problem, a message transmission system with a transmitter for the transmission of an audio signal is provided within of the audio range lying frequency band through soil and a receiver for receiving the audio signal according to the invention characterized in that the transmitter and the receiver are designed for locally separated operation and at least the transmitter or the receiver is arranged inside the ground, the receiver an audio amplifier, a device for connecting the audio amplifier with an energy source for the supply of work potential, one with the audio amplifier coupled loop antenna and an output signal converter for converting the output signal of the audio amplifier into an audible one Signal and the loop antenna for a specific magnetic field with a frequency that increases up to the resonance frequency output voltage increasing linearly and output voltage decreasing when the frequency increases beyond the resonance frequency supplies and is so designed that it has a substantially constant output rms voltage upon receipt of the transmitted frequency band gives away.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus den weiter unten aufgeführten Unteransprüchen.Further features essential to the invention emerge from the further subclaims listed below.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in .Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:The invention is illustrated below with reference to exemplary embodiments in . Connection explained with the accompanying drawing. In the drawing demonstrate:

Fig. 1 in teilweise weggebrochener Darstellung einen Ausschnitt aus einem Bergwerk, der die beim Einsatz der Erfindung sich ergebenden Verhältnisse veranschaulicht; Fig. 1 in a partially broken away representation of a section of a mine, which when using the Invention illustrates resulting relationships;

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Senderanordnung; Fig. 3 ein Blockschaltbild der Empfangsanordnung?Fig. 2 is a block diagram of the transmitter arrangement; Fig. 3 is a block diagram of the receiving arrangement?

Fig. 4 eine die Dämpfung verschiedener Frequenzen bei Übertragung durch das Erdreich wiedergebende Kurve;4 shows a curve showing the attenuation of various frequencies during transmission through the ground;

Fig. 5 eine das Ansprechverhalten einer Rahmenantenne veranschaulichende Kurve;Figure 5 is a loop antenna response Curve;

Fig. 6 eine das resultierende Signal veranschaulichende Kurve, das durch Verwendung der Schleifenantenne der Fig. 3 in Verbindung mit der Senderanordnung der Fig. 2 erhalten wird;FIG. 6 is a graph illustrating the resulting signal obtained by using the loop antenna of FIG Fig. 3 is obtained in connection with the transmitter arrangement of Fig. 2;

Fig. 7 eine Draufsicht des von einer langgestreckten Antenne erfaßten Bereiches;7 is a plan view of the area covered by an elongated antenna;

Fig. 8 eine Seitenansicht des mit der Antennenanordnung der Fig. 7 erfaßten Bereiches;FIG. 8 shows a side view of the area covered by the antenna arrangement of FIG. 7;

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer Senderanordnung für die Erfassung eines größeren Bereiches;9 is a block diagram of a transmitter arrangement for detection a larger area;

Fig. 10 weitere Antennenanordnungen;
und 1110 shows further antenna arrangements;
and 11

Fig. 12 eine etwas abgewandelte Antennenausführung, die inFig. 12 shows a somewhat modified antenna design, which is shown in

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Verbindung mit der Senderanordnung nach der Erfindung Verwendung finden kann;Can be used in connection with the transmitter arrangement according to the invention;

Fig. 13 den Einsatz der Erfindung in Verbindung mit dem Schutzhelm eines Bergmanns;13 shows the use of the invention in connection with the protective helmet a miner;

Fig. 14 eine weitere Einsatzmöglichkeit für die vorliegende Erfindung; und14 shows another possible use for the present invention; and

Fig. 15 eine das Ansprechverhalten der Rahmenantenne der Ausführung nach Fig. 14 veranschaulichende Kurve.15 shows the response of the loop antenna of the embodiment 14 illustrative curve.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Bergwerk 10, an dessen Erdoberfläche sich ein Sender 12 mit einer von einem langgestreckten, isolierten Draht gebildeten Sendeantenne 13 befindet, die an ihren beiden Enden 15 und 16 geerdet ist. Zur Erzielung einer besseren Sendewirkung können die Enden 15 und 16 durch ein Verfahren geerdet werden, bei dem mehrere Erdungspflöcke in das Erdreich in einer oder mehreren Gruppen eingetrieben werden, wobei die Erdungspflöcke beispielsweise mit Salzwasser übergössen und jeweils elektrisch mit einem der beiden Enden verbunden werden. Der Sender ist so ausgelegt, daß er ein Audiosignal unmittelbar und ohne Modulation eines Trägers durch das Erdreich zu einem oder mehreren Empfängern ausstrahlen kann. Bergleute 20 können jeweils mit einem Empfänger ausgerüstet sein, und weitere derartige Empfänger können sich in zuvor aufgestellten Zufluchtkammern 22 befinden.Fig. 1 shows a section of a mine 10, at which Earth's surface is a transmitter 12 with a transmission antenna 13 formed by an elongated, insulated wire, which is connected to at both ends 15 and 16 is grounded. To achieve a better transmission effect, the ends 15 and 16 can by a method be grounded, in which several grounding stakes are driven into the ground in one or more groups, the grounding stakes for example, with salt water poured over them and each electrically connected to one of the two ends. The transmitter is designed to deliver an audio signal directly to one or more of the earth's without modulating a carrier Can broadcast to recipients. Miners 20 may each be equipped with one receiver, and other such receivers may are in previously set up refuge chambers 22.

Wie weiter ins einzelne gehend mit Fig. 2 gezeigt, weist der Sender 12 einen Tonfrequenz-Leistungsverstärker 25 für die Verstärkung des Audiosignals auf, das eine Eingangsstufe wie ein Mikrofon 27 bei entsprechender Beaufschlagung durch einen Sprecher liefert. Gewünschtenfalls kann der Tonfrequenz-Leistungsverstärker über einen Vorverstärker 29 betrieben werden, wie er normalerweise zur Tonfrequenzverstärkung eingesetzt wird. Eine geeignete Energieversorgung 31 dient zur Lieferung des notwendigen Arbeitspotentials.As shown in further detail with FIG. 2, the transmitter 12 has an audio frequency power amplifier 25 for amplifying the audio signal which is an input stage such as a microphone 27 delivers when a spokesperson is used accordingly. If desired, the audio frequency power amplifier can use a preamplifier 29 can be operated, as it is normally used for audio frequency amplification. A suitable energy supply 31 is used to provide the necessary work potential.

Der Tonfrequenz-Leistungsverstürker 2? liefert als Ausgangssignal The audio frequency power amplifier 2? supplies as output signal

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•ein innerhalb des Tonbereiches liegendes Audiosignal. Der Tonbereich nimmt eine Bandbreite zwischen etwa 20 und 20.000 Hz ein, wobei innerhalb dieses Tonbereiches die Sprache einen hauptsächlich zwischen 50 und 7.500 Hz liegenden Bandbereich einnimmt, obwohl der Hauptanteil der Information den zwischen 300 und 3.000 Hz liegenden Bereich umfaßt. Der Sender 12 kann so ausgelegt sein, daß sein Ausgangs-Frequenzband im wesentlichen diesem letztgenannten, nachstehend auch als Sprachbereich bezeichneten Bereich entspricht. Um den Ausgang des Leistungsverstärkers 25 mit der Antenne 13 zu koppeln, ist ein Kopplungs- und Anpassungsnetzwerk in Form eines Transformators 32 mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung 33 bzw. 34 vorgesehen, um den Ausgang des Leistungsverstärkers 25 an die Impedanz der Antenne 13 anzupassen. Die Sekundärwicklung 34 des Transformators 32 kann eine Mehrzahl Anzapfungen 35 aufweisen, die über einen Schalter 36 anwählbar sind, um so eine Anpassung an einen weiten Bereich von Antennenimpedanzen zu ermöglichen.• an audio signal within the sound range. The tone range occupies a bandwidth between about 20 and 20,000 Hz, and speech is mainly one within this tone range between 50 and 7,500 Hz, although the majority of the information is between 300 and 3,000 Hz lying area includes. The transmitter 12 can be designed so that its output frequency band essentially corresponds to the latter, hereinafter also referred to as the language area. To the output of the power amplifier 25 with the antenna 13 is a coupling and matching network in the form of a transformer 32 with a primary and a secondary winding 33 and 34 are provided in order to match the output of the power amplifier 25 to the impedance of the antenna 13. The secondary winding 34 of the transformer 32 can have a plurality of taps 35, which can be selected via a switch 36, and so on allow adaptation to a wide range of antenna impedances.

Zur Installierung des Senders nach dem Auftreten eines Grubenunglücks kann ein Abschnitt der Sendeantenne 13 mit einem Ende der Sekundärwicklung des Transformators, der andere Abschnitt der Sendeantenne 13 dagegen mit dem Schalter 36 gekoppelt werden. Die beiden Antennenabschnitte befinden sich vorzugsweise auf entsprechenden Spulenkörpern, die an einem Fahrzeug befestigt sind und dann auf diese Weise in entgegengesetzten Richtungen zu den vorgesehenen Antennen-Erdungsstellen ausgefahren werden können. Statt dessen kann auch nur ein Ende geerdet werden, während ein einziger langer Abschnitt Antennendraht, der von einem Spulenkörper aufgenommen und von dem Fahrzeug getragen ist, mit dem Schalter verbunden werden kann (oder umgekehrt). Zur dauerhaften Isolierung soll die Antenne gerade unterhalb der Erdoberfläche vergraben sein, so daß eine Beschädigung vermieden wird.For installing the transmitter after a mine accident occurs one section of the transmitting antenna 13 can be connected to one end of the secondary winding of the transformer, the other section of the transmitting antenna 13, however, can be coupled to the switch 36. The two antenna sections are preferably located on corresponding ones Bobbins which are attached to a vehicle and then in this way in opposite directions to those provided Antenna grounding points can be extended. Instead, just one end can be grounded while a single one long section of antenna wire taken up by a bobbin and is carried by the vehicle, can be connected to the switch (or vice versa). Is intended for permanent insulation the antenna must be buried just below the surface of the earth so that damage is avoided.

Der Empfänger 38, wie er mit Fig. 3 wiedergegeben ist, weist einen Audioverstärker 40 für die Verstärkung des ausgesendeten Frequenzbandes auf. Ggf. können Filter vorgesehen sein, um außerhalb dieses gesendeten Frequenzbandes liegende Störsignale zu unterdrücken.The receiver 38, as shown with Fig. 3, has a Audio amplifier 40 for the amplification of the transmitted frequency band. If necessary, filters can be provided to outside this to suppress interfering signals lying in the transmitted frequency band.

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Der Audioverstärker 40 weist eine Einrichtung zum Anschluß an eine Arbeitspotentialquelle in Form einer Energieversorgung 42 auf. Wenn der Empfänger im Innern einer Zufluchtkammer angeordnet ist, kann die Energieversorgung 42 eine in der Kammer aufgestellte, wiederaufladbare Batterie sein. Wird der Empfänger 38 von einem Bergmann getragen, so kann die Energieversorgung 42 von der Batterie gebildet sein, die normalerweise von dem Bergmann mitgeführt wird, um seine an dem Schutzhelm befestigte Grubenlampe zu speisen.The audio amplifier 40 has a device for connection to a Work potential source in the form of an energy supply 42. If the receiver is located inside a refuge chamber, For example, the power supply 42 may be a rechargeable battery placed in the chamber. If the receiver 38 is from a Miner worn, the energy supply 42 can be formed by the battery that is normally carried by the miner to feed his miner's lamp attached to his hard hat.

Eine Empfangsantenne in Form einer Schleifen-, Spulen- oder Rahmenantenne 46 dient zum Empfang des ausgesendeten Signals und somit zur Lieferung einer Ausgangsspannung an den Audioverstärker. Die Ausgangsspannung des Audioverstärkers 40 beaufschlagt einen Ausgangs-Signalwandler 49 für die Umformung des Ausgangssignals in ein hörbares Signal. Der Ausgangs-Signalwandler kann beispielsweise ein; Lautsprecher oder ein Paar Kopfhörer sein.A receiving antenna in the form of a loop, coil or loop antenna 46 is used to receive the transmitted signal and thus to supply an output voltage to the audio amplifier. The output voltage of the audio amplifier 40 acts on one Output signal converter 49 for converting the output signal into an audible signal. The output signal converter can, for example a; Speakers or a pair of headphones.

Wie bereits angedeutet, besteht eines der Probleme, die bei der Übertragung von Audiofrequenzen durch das Erdreich auftreten, darin, daß nicht alle Frequenzen im gleichen Maß gedämpft werden. Dies ist beispielsweise mit Fig. 4 veranschaulicht.As indicated, one of the problems encountered in transmitting audio frequencies through the ground is that not all frequencies are attenuated to the same extent. This is illustrated with FIG. 4, for example.

In Fig. 4 ist mit der horizontalen Abszisse in logarithmischem Maßstab die Frequenz aufgetragen, während die vertikale Ordinate die Stärke des empfangenen Magnetfeldes wiedergibt, gemessen in Dezibel (db) und bezogen auf 1 A/m, eine typische Bezeichnung für die Magnetfeldstärke. Fig. 4 gibt dabei beispielsweise die Verhältnisse wieder, wie sie bei einer Tiefe von ca. 330 m und bei einer Leitfähigkeit des Erdreichs von 1O~ 2 s/m auftreten. Eine Kurve 52 stellt das resultierende Ansprechverhalten einer Sendeantenne mit einer Menge von 1000 m und einem Antennenstrom von 1 A dar, während eine Kurve 52' ähnlicher Neigung das Ansprechverhalten einer Antenne mit einer Länge von 100 m und einem Antennenstrom von 1 A wiedergibt. Wie ersichtlich, nimmt die Magnetfeldstärke mit steigender Frequenz ab, weil es mit wachsender Frequenz zu einer« ansteigenden Dämpfung kommt. Da die Feldstärke über die Bandbreite des Sprachbereiches keine gleichförmige Verteilung auf-In FIG. 4, the horizontal abscissa is plotted on a logarithmic scale, while the vertical ordinate represents the strength of the received magnetic field, measured in decibels (db) and related to 1 A / m, a typical term for the magnetic field strength. Fig. 4 shows, for example, the conditions as they are at a depth of about 330 m and at a conductivity of the soil of 1O ~ 2 s / m occur. One Curve 52 represents the resulting response behavior of a transmitting antenna with a quantity of 1000 m and an antenna current of 1 A. while a curve 52 'of similar slope represents the response an antenna with a length of 100 m and an antenna current of 1 A. As can be seen, the magnetic field strength increases with increasing frequency, because with increasing frequency there is an «increasing attenuation. Since the field strength over the Bandwidth of the language area no uniform distribution

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weist, führt ihre Verstärkung zu einem verzerrten und möglicherweise unverständlichen Ausgangssignal. Die Rahmenantenne 46 ist so ausgelegt, daß damit für eine Kompensation der ungleichförmigen Dämpfung gesorgt wird.points, their amplification leads to a distorted and possibly incomprehensible output signal. The loop antenna 46 is like this designed so that compensation for the non-uniform damping is provided.

Die Rahmenantenne 46 hat eine Wicklung 55 mit einer Anzahl Drahtwindungen, die einen Luftkern oder beispielsweise einen Ferritkern 57 umgeben können, wie das in Fig. 3 gezeigt ist. Fig. 5 zeigt ein typisches Rahmen- bzw. Spulenantennen-Ansprechverhalten, wobei die horizontale Abszisse wieder in logarithmischem Maßstab die Frequenz anzeigt, während die vertikale Ordinate die durch ein bestimmtes Magnetfeld induzierte Schleifenspannung in db bezogen auf 1 V angibt. Bis zu einem Punkt, an dem Resonanz einsetzt, ergibt sich die induzierte Ausgangs-Effektivspannung aus der BeziehungThe loop antenna 46 has a winding 55 with a number of turns of wire, which can surround an air core or, for example, a ferrite core 57, as shown in FIG. 3. Fig. 5 shows a Typical loop antenna response behavior, the horizontal abscissa being the frequency on a logarithmic scale indicates, while the vertical ordinate indicates the loop voltage induced by a specific magnetic field in db 1 indicates V. Up to a point at which resonance sets in, the induced output rms voltage results from the relationship

V_± = 21Tf N A yuH, (1)V _± = 21Tf NA yuH, (1)

V₁ die induzierte Spannung in Volt, f die Frequenz in Hertz,V _{1 is} the induced voltage in volts, f is the frequency in Hertz,

A die von der Spule erfaßte Fläche in m²,A is the area covered by the coil in m ² ,

μ die effektive Permeabilität des Kerns und μ is the effective permeability of the core and

H das effektive Magnetfeld in A/m sind.H are the effective magnetic field in A / m.

Die Antennenfläche läßt sich bei Kenntnis des Durchmessers D (A = IrO^/A) errechnen, wobei, wenn mehrere Spulenlagen um den Kern 57 gewickelt sind, für D der mittlere Durchmesser genommen wird. Zusammen mit der Wicklung ist eine verteilte Kapazität vorhanden, deren kapazitiver Blindwiderstand mit zunehmender Frequenz ansteigt, während der induktive Blindwiderstand mit zunehmender Frequenz abfällt. Wenn die induktiven und kapazitiven Blindwiderstände bei einer bestimmten Frequenz gleich sind, kommt die Rahmenoder Spulenantenne in Resonanz, wobei die spezielle Frequenz als Resonanzfrequenz fr bezeichnet ist. Die Kurve der Fig. 5 gibt die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Frequenz für ein bestimmtes Magnetfeld H von 1 A/m bei 800 Drahtwindungen, einer Fläche von 0,69 m^ und einem Luftkern wieder. Die Kurve zeigt, daß dieThe antenna area can be calculated if the diameter D (A = IrO ^ / A) is known , with the mean diameter being taken for D if several coil layers are wound around the core 57. Together with the winding there is a distributed capacitance, the capacitive reactance of which increases with increasing frequency, while the inductive reactance decreases with increasing frequency. When the inductive and capacitive reactances are the same at a certain frequency, the loop or coil antenna will resonate, with the particular frequency being referred to as the resonance frequency fr. The curve in FIG. 5 shows the output voltage as a function of the frequency for a specific magnetic field H of 1 A / m with 800 wire turns, an area of 0.69 m ^ and an air core. The curve shows that the

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AusgangsSpannung der Spulenantenne linear bis zu einem Scheitelpunkt 60 ansteigt und anschließend wieder linear abfällt. Der Scheitelpunkt 60 liegt an der Stelle der Resonanzfrequenz fr. Das lineare Ansprechverhalten entspricht etwa 6 db pro Oktave, d.h., für jede Verdopplung der Frequenz erfährt auch die Ausgangsspannung eine Verdopplung. Durch geeignete Wahl der Windungszahl (N) der Spule, der Spulenfläche (A) sowie des die verteilte Kapazität beeinflussenden geometrischen Spulenverlaufs kann die Resonanzfrequenz der Schleifenäntenne der Hg. 3 außerhalb des übertragenen Frequenzbandbereiches gelegt werden. Auf diese Weise kann die Antenne in dem linearen Bereich 62 betrieben werden, der den eigentlichen Sprachbereich umfaßt. Da die höheren Frequenzen niedrigeren Feldstärken entsprechen und die Schleifenantenne für diese Frequenzen eine höhere Ausgangsspannung liefert, führt die mit Fig. veranschaulichte Überlagerung zu einer Ausgangsspännung, die sich innerhalb des interessierenden Bandbereiches in Abhängigkeit von der Frequenz nicht nennenswert ändert.Output voltage of the coil antenna linear up to an apex 60 rises and then falls again linearly. The vertex 60 lies at the point of the resonance frequency fr. That linear response corresponds to about 6 db per octave, i.e. for every doubling of the frequency the output voltage is also experienced a doubling. By suitable choice of the number of turns (N) of the coil, the coil area (A) and the distributed capacitance influencing the geometric coil course, the resonance frequency of the loop antenna of Hg. 3 outside of the transmitted Frequency band range are placed. This way the antenna can are operated in the linear region 62 which comprises the actual language region. Because the higher frequencies lower Field strengths correspond and the loop antenna delivers a higher output voltage for these frequencies, the results shown in Fig. illustrated superposition to an output voltage, which is within the band area of interest as a function of the frequency does not change significantly.

In dieser Fig. 6 gibt eine Kurve 65 den Verlauf des Ansprechverhaltens der magnetischen Feldstärke in der zuvor mit Fig. 4 veranschaulichten Weise, eine Kurve 66 dagegen den linearen Abschnitt der das Ansprechverhalten der Empfangsschleife darstellenden Kurve der Fig. 5 wieder. Wenn diese beiden Kurven miteinander multipliziert (oder logarithmisch addiert) werden, d.h., wenn für jede Frequenz der tatsächliche Wert für H in Gleichung (1) eingesetzt wird, so ergibt sich eine im wesentlichen konstante Ausgangsspannung entsprechend Kurve 68. Wie gezeigt, ändert sich die Amplitude des übertragenen Audiosignals; die Spannung, auf die Bezug genommen wird, ist die Effektivspannung. Die Verstärkung des mit der Kurve 68 veranschaulichten Signals, das auf den gesendeten Frequenzbereich im wesentlichen linear anspricht, gewährleistet eine 'im wesentlichen verzerrungsfreie Ausgangsspannung des Audioverstärkers 40 (Fig.. 3) sowie ein verständliches Ausgangssignal des Si gnalwandlers 49. Eine gut verständliche Nachrichtenübermittlung ist für ein System der in Rede stehenden Art unerläßlich, insbesondere beim Auftreten eines Grubenunglücks, da es von verletzten, verstörten oder sonstwie durcheinandergebrachten Personen benutzt In this FIG. 6, a curve 65 shows the course of the response behavior of the magnetic field strength in the manner previously illustrated with FIG. 4, while a curve 66, on the other hand, shows the linear section of the curve of FIG. 5 representing the response behavior of the receiving loop. If these two curves are multiplied together (or logarithmically added), that is, if the actual value for H in equation (1) is substituted for each frequency, the result is a substantially constant output voltage corresponding to curve 68. As shown, this changes Amplitude of the transmitted audio signal; the voltage referred to is the rms voltage. The amplification of the signal illustrated by curve 68, which responds essentially linearly to the transmitted frequency range, ensures an essentially distortion-free output voltage of the audio amplifier 40 (FIG. 3) and an understandable output signal of the signal converter 49. An easily understandable message transmission is Indispensable for a system of the type in question, especially in the event of a mining accident, as it is used by injured, disturbed or otherwise confused people

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wird, die sich gegebenen Anweisungen entsprechend verhalten müssen. Wegen der nur in begrenztem Umfang zur Verfügung stehenden Senderenergie in der Grube sowie des an der Erdoberfläche herrschenden hohen atmosphärischen Rauschpegels ist der an der Erdoberfläche verfügbare Störpegelabstand wesentlich niedriger als der, wie er sich bei der Nachrichtenaussendung von der Erdoberfläche in den Stollen erhalten läßt. Jedoch kann durch Verwendung eines schmalbandigen Codesystems mit niedrigem Datengehalt als Bergmann-Ansprecheinheit der Störpegelabstand genügend groß gemacht werden, um eine zuverlässige Nachrichtenübertragung zu erhalten. Diese Ansprecheinheiten können in den Zufluchtkammern angeordnet sein und dabei jeweils eine etwas voneinander abweichende Frequenz aufweisen, um eine Identifizierung zu ermöglichen.the instructions given must behave accordingly. Because of the only limited available transmitter energy in the pit and that prevailing on the earth's surface At high atmospheric noise levels, the signal-to-noise ratio available on the earth's surface is much lower than the one that can be obtained from the surface of the earth in the tunnels when the news is broadcast. However, by using a narrow-band code system with low data content as a Bergmann response unit, the signal-to-noise ratio is made sufficiently large in order to obtain reliable message transmission. These response units can be arranged in the refuge chambers and each have a slightly different frequency in order to enable identification.

Sofern ein Bergmann nicht in der Lage ist, eine Zufluchtkammer zu erreichen, kann entsprechend empfangenen Anweisungen durch Hämmern an die Stollenwand oder sonstige Bestandteile des Stollens mit seismischem Ansprechen gearbeitet werden.Unless a miner is able to get a refuge chamber can reach, according to the instructions received, by hammering on the tunnel wall or other components of the tunnel seismic response can be worked.

Fig. 7 ist eine Draufsicht auf eine von einem langen Draht gebildete Antenne 72 der Länge L, die ungefähr einen Bereich 74 erfaßt. Fig. 8 ist eine Seitenansicht des durch die Antenne 72 zum Erdreich hin erfaßten Bereiches. Der von dem System erfaßte Bereich hängt von verschiedenen Faktoren wie Leitfähigkeit des Erdreiches, Länge L der Drahtantenne sowie von dem Audioverstärker aus eingespeistem Strom ab. Um das Volumen des erfaßten Bereiches zu vergrößern, kann von einem Aufbau Gebrauch gemacht werden, wie er mit Fig. 9 angedeutet ist.Fig. 7 is a plan view of one formed by a long wire Antenna 72 of length L covering approximately an area 74. Figure 8 is a side view of the through antenna 72 to the ground area covered. The area covered by the system depends on various factors such as the conductivity of the soil, Length L of the wire antenna and the current fed in from the audio amplifier. To increase the volume of the captured area, use can be made of a structure as indicated by FIG.

Dieser Aufbau der Fig. 9 weist ein Koppelglied 80 für die Ankopplung des Ausgangssignals des Audiofreguenz-Leistungsverstärkers an eine Mehrzahl Antennen 83, 84 auf. Statt dessen könnten auch mehrere Audiofrequenz-Leiatungsverstärker mit dem Mikrofon gekoppelt sein, um entsprechende Antennen zu speisen. Das Koppelglied 80 der Fig. 9 könnte - ebenso wie andere, hier nicht beschriebene Kopplungselemente - die Mehrfach-Anaapfungen 35 der Fig. 2 aufweisen, wenngleich das in Fig. 9 nicht ausdrücklich veranschaulicht ist. This structure in FIG. 9 has a coupling element 80 for coupling the output signal of the audio-frequency power amplifier to a plurality of antennas 83, 84 . Instead , several audio frequency line amplifiers could also be coupled to the microphone in order to feed corresponding antennas. The coupling element 80 of FIG. 9 could - like other coupling elements not described here - have the multiple anchoring 35 of FIG. 2, although this is not expressly illustrated in FIG. 9.

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Andere im Rahmen der Erfindung mögliche Antennenausgestaltungen sind mit Fig. 10 bzw. Fig. 11 wiedergegeben, wobei Fig. 10 ein Paar gekreuzter, Fig. 11 sternförmig verlaufende Antennen zeigt.Other antenna configurations possible within the scope of the invention are shown with FIG. 10 and FIG. 11, FIG. 10 showing a pair of crossed antennas, FIG. 11 showing a star-shaped antenna.

Fig. 12 gibt eine Alternative zu der zuvor beschriebenen Antenne wieder, die von einem langen, an seinen beiden Enden geerdeten Draht gebildet ist. Ein Koppelglied 86 koppelt den Ausgang des Audiofrequenz-Leistungsverstärkers mit einer großen Rahmenantenne 89, die in der Praxis Längserstreckungen in der Größenordnung einiger hundert Meter haben kann.Fig. 12 shows an alternative to the previously described antenna, that of a long antenna, grounded at both ends Wire is formed. A coupling member 86 couples the output of the audio frequency power amplifier to a large loop antenna 89, which in practice can have lengths of the order of a few hundred meters.

Die Einfachheit des Systems und insbesondere des Empfängeraufbaus verringern die Kosten so weit, daß jeder Bergmann mit einem Empfänger ausgestattet werden kann. Die Herstellung kann in Verbindung mit integrierten Schaltungen erfolgen, so daß die Empfänger leicht von dem Bergmann am Körper getragen oder aber in den Schutzhelm des Bergmanns eingebaut werden können, wie das mit Fig. 13 veranschaulicht ist. Der Schutzhelm 92 ist in üblicher Weise mit einer Grubenlampe 93 ausgestattet, die durch eine von dem Bergmann mitgeführte Batterie 95 gespeist wird. Der Bergmann kann bequem unmittelbar mit einer Empfangs-, Schlei fen- oder Rahmenantenne ausgestattet werden, die jedoch - wie mit der Schleife 98 in Fig. 13 angedeutet - auch an der Innenseite des Schutzhelms 92 entlanggeführt sein kann. Die übrigen Anteile des Empfängers sind in einem Gehäuse 104 untergebracht, das auf der Krempe 102 des Schutzhelms 92 aufruhen kann. Es versteht sich, daß das Gehäuse 104 infolge seiner geringen räumlichen Abmessungen auch an jeder anderen Stelle des Schutzhelms 92 oder sonstwo am Körper des Bergmanns angeordnet werden kann.The simplicity of the system, and particularly the receiver structure, reduces the cost to the point that any miner can have a receiver can be equipped. The manufacture can be done in conjunction with integrated circuits, so that the receivers can easily be carried on the body by the miner or built into the miner's protective helmet, as shown in Fig. 13 is illustrated. The protective helmet 92 is equipped in the usual way with a miner's lamp 93, which is by one of the Bergmann carried battery 95 is fed. The miner can conveniently use a receiving, loop or loop antenna which, however - as indicated by the loop 98 in FIG. 13 - also on the inside of the protective helmet 92 can be guided along. The remaining parts of the receiver are housed in a housing 104 which is mounted on the rim 102 of the Protective helmet 92 can rest. It goes without saying that the housing 104 due to its small spatial dimensions also on each can be arranged elsewhere on the protective helmet 92 or elsewhere on the miner's body.

Soweit kein Unglück vorliegt, schafft die vorliegende Erfindung nicht nur von der Erdoberfläche - zum Stollen eine Sprechverbindung, sondern zusätzlich auch vom Stollen zur Erdoberfläche. Für diese letztgenannte Art der Sprechverbindung kann ein Sender, wie er mit Fig. 2 gezeigt ist, in der Grube angeordnet werden, wobei die Enden der' Antenne in dem Boden oder den Seitenwandungen des Stollens geerdet werden können. An der Erdoberfläche kann ein EmpfängerUnless there is a misfortune, the present invention not only creates a voice connection from the earth's surface - to the tunnel, but also from the tunnel to the surface of the earth. For this last-mentioned type of speech connection, a transmitter like him can use Fig. 2 is shown to be placed in the pit, with the ends the antenna can be grounded in the floor or the side walls of the tunnel. A receiver can be on the surface of the earth

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eingesetzt werden, wie er mit Fig. 3 gezeigt ist. Da hinsichtlich der Energieversorgung an der Erdoberfläche keine besonderen Rücksichten hinsichtlich eines möglichst geringen Verbrauchs genommen zu werden brauchen, kann der Empfänger auf einem höheren Energieniveau betrieben werden, um einen größeren Störpegelabstand zu gewährleisten. can be used, as shown in FIG. 3. Since there are no special considerations regarding the energy supply on the earth's surface need to be taken with a view to the lowest possible consumption, the receiver can use a higher energy level operated to ensure a greater signal-to-noise ratio.

Die Sendeantenne kann auch den mit Fig. 12 wiedergegebenen Aufbau haben, wobei die Schleife der Antenne um die Wandung eines Tunnels geführt sein mag. Allgemein gesehen sind die Sende- und die Empfangseinrichtung so ausgelegt, daß sie mit räumlichem Abstand voneinander arbeiten, wobei mindestens eine innerhalb des Erdreiches angeordnet ist.The transmitting antenna can also have the structure shown in FIG. 12, with the loop of the antenna around the wall of a tunnel may be led. In general, the transmitting and receiving devices are designed in such a way that they are at a spatial distance from one another work, at least one being arranged within the ground.

Die Erfindung wurde im Zusammenhang mit Bergwerk-Rettungsarbeiten bzw. in Verbindung mit Grubenbetrieb beschrieben. Sie läßt sich jedoch auch in anderen Bereichen einsetzen, wo eine Sprachübermittlung durch das Erdreich hindurch gewünscht ist. Eine solche Anwendungsmöglichkeit liegt auf dem Gebiet des Verkehrs, wie das mit Fig. 14 angedeutet ist. Ein Sender 110 weist einen Tonfrequenz-Leistungsverstärker 112 auf, der von einer Eingangsstufe 115 wie einem Mikrofon mit Signalen gespeist wird, um so Echtzeit-Stimmübertragungen oder aufgezeichnete Nachrichten über eine von einem langen Draht gebildete Antenne 118 auszusenden, die neben oder, wie in Fig. 14 gezeigt, unter einem Straßenbett 120 vergraben ist. Der Sender 110 weist ferner eine Energieversorgung 122, einen Vorverstärker 123 sowie ein Koppelglied 125 auf, wie das zuvor beschrieben wurde.The invention was related to mine rescue work or described in connection with mining operations. However, it can also be used in other areas where voice transmission is required is desired through the soil. One such application is in the field of transport, such as with 14 is indicated. A transmitter 110 has an audio frequency power amplifier 112, which is fed with signals from an input stage 115 such as a microphone, so as to provide real-time voice transmissions or to transmit recorded messages via an antenna 118 formed by a long wire, which is next to or, as shown in FIG. 14, is buried under a road bed 120. The transmitter 110 also has a power supply 122, a preamplifier 123 and a coupling member 125, as described above.

Ein Fahrzeug wie etwa ein Automobil 129 ist mit einem Empfänger 132 ausgestattet, der mit einer Rahmenantenne 133 zusammenarbeitet und im übrigen den in Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen Aufbau besitzt. Das Fahrzeug kann somit Information oder insbesondere Warnungen empfangen, die beispielsweise bei Annäherung an eine Kreuzung oder eine Unfallstelle ausgesandt werden, um den Fahrer vor dem drohenden Unglück zu warnen und ihn auf geeignete Gegenmaßnahmen hinzuweisen.A vehicle such as an automobile 129 is equipped with a receiver 132 that cooperates with a loop antenna 133 and otherwise has the structure described in connection with FIG. The vehicle can thus be information or in particular Receive warnings that are sent to the driver when approaching an intersection or an accident site, for example To warn of the impending disaster and to point out suitable countermeasures.

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Beim Einsatz im Bergbau sind Sender und Empfänger durch eine verhältnismäßig große Entfernung voneinander getrennt, so daß es zu den in Verbindung mit Fig. 4 beschriebenen Dämpfungserscheinungen kam. Da bei dem Aufbau gemäß Fig. 14 die Antenne 118 sich relativ nahe an dem Empfänger 132 befindet, muß der Aufbau der Rahmenantenne 133 geringfügig abgewandelt werden. Fig. 15 zeigt den dann erhaltenen Verlauf der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Frequenz für die Rahmenantenne 133. Die Antenne ist demnach so ausgebildet, daß sich eine in Nähe der Resonanzfrequenz fr relativ flach verlaufende Ansprechkurve ergibt und die Resonanzfrequenz innerhalb des übertragenen Frequenzbandes liegt. Dies läßt sich durch Hinzufügen von Widerständen zu der Rahmenantenne 133 bewerkstelligen, um so den Q-Wert der Rahmenantenne herabzusetzen und damit die Kurve abzuflachen. Außer durch die Wahl des Windungsverlaufs, der Windungszahl (N) sowie der Fläche (A) kann die Resonanzfrequenz fr auch durch Hinzufügung von Kapazitätswerten zu der Rahmenantenne, beispielsweise durch Anschluß an die Endklemmen der Rahmenantenne, herabgesetzt werden. Der Arbeitsbereich der Rahmenantenne 133 liegt somit zwischen den Punkten 135 und 136 der Fig. 15. Da die Feldstärke für das übertragene Frequenzband verhältnismäßig konstant ist, ergibt auch der verhältnismäßig konstante Anteil der Rahmenantennen-Ansprechkurve eine verhältnismäßig konstante Ausgangs-Effektivspannung, wie das zuvor beschrieben wurde.When used in mining, the transmitter and receiver are proportionate separated by a large distance, so that the attenuation phenomena described in connection with FIG came. 14, since the antenna 118 is located relatively close to the receiver 132, the structure of the loop antenna 133 can be modified slightly. Fig. 15 shows the then obtained curve of the output voltage as a function of the Frequency for the loop antenna 133. The antenna is accordingly designed so that one in the vicinity of the resonance frequency fr relative results in a flat response curve and the resonance frequency lies within the transmitted frequency band. This can be by adding resistors to the loop antenna 133 so as to lower the Q of the loop antenna and thus flattening the curve. Apart from the choice of the winding course, the number of turns (N) as well as the area (A) the resonance frequency fr can also be determined by adding capacitance values to the Loop antenna, for example by connecting to the end terminals of the loop antenna, can be reduced. The working area of the loop antenna 133 is thus between points 135 and 136 of FIG. 15. Since the field strength is relative for the transmitted frequency band is constant, the relatively constant portion of the loop antenna response curve also gives a relatively constant one RMS output voltage as previously described.

Patentansprüche;Claims;

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Claims

'Claims;

Message transmission system with a transmitter for the transmission of an audio signal within the audio range lying frequency band through the ground and a receiver for receiving the audio signal, characterized in that the transmitter and the receiver are designed for locally separated operation and at least the transmitter or the Receiver is arranged within the ground, the receiver an audio amplifier, a device for connection of the audio amplifier with an energy source for the supply of work potential, one coupled to the audio amplifier Loop antenna as well as an output signal converter for the conversion of the output signal of the audio amplifier into an audible signal and the loop antenna, for a specific Magnetic field, an output voltage that increases linearly with the frequency increasing up to the resonance frequency and at over the Resonant frequency also supplies decreasing output voltage and is designed so that it at Receipt of the transmitted frequency band emits a substantially constant output rms voltage.

2. Message transmission system according to claim 1, characterized in that that the loop antenna is designed so that the resonance frequency is above the transmitted frequency band.

3. Message transmission system according to claim 1 or 2, characterized in that the transmitter has an audio frequency power amplifier, a device for supplying the amplifier with working potential, an input stage for the delivery of a amplifying audio signal, an antenna arrangement and a device for coupling the output of the amplifier with the Having antenna arrangement.

4. Message transmission system according to claim 3, characterized in that that the antenna arrangement is covered by a long insulating

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th wire is formed, the ends of which can be connected to the ground.

5. Message transmission system according to claim 3, characterized in that that the antenna arrangement is formed by a relatively large loop.

6. Message transmission system according to claim 3, characterized in that that the device for coupling a transformer with a primary and a secondary winding and the antenna arrangement comprises first and second long insulated wires with sections connected to the secondary winding are connected.

7. Message transmission system according to claim 6, characterized in that that the secondary winding has a plurality of taps and means for the selective connection the antenna arrangement with the taps is provided in order to connect a large number of different antenna impedances to the amplifier adapt.

8. Message transmission system according to claim 1, characterized in that that the transmitter has several antennas, which correspond to a desired detection area with a predetermined Distribution are arranged.

9. Message transmission system according to one or more of the Claims 1-8, for use in mining operations, characterized in that the receiver on the protective helmet (92) has one Miner is arranged.

10. Message transmission system according to claim 3, for use in connection with vehicles, characterized in that the antenna arrangement is arranged in the vicinity of the roadway of the vehicle and the receiver is attached to the vehicle.

KN / hs / sg 3

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