DE3741866C2 - Gerät für Wechselfunkverkehr in unterirdischen Anlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Gerät für Wechselfunkverkehr in unterirdischen Anlagen gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen, z. B. ein Radiophon oder Funksprechgerät für Bergwerke, Gruben oder Minen, um dort eine Verbindung in zwei Richtungen bzw. Wechselver­ kehr zu ermöglichen. Das dabei angewandte Verfahren der Ausbreitung der Radiowellen beruht, insbesondere bei langen Übertragungswegen auf dem Verbinden der elektro­ magnetischen Wellen mit den Metallkonstruktionen, Rohr­ leitungen und sonstigen leitenden Körpern, die in Minen­ stollen eingebaut sind.

Bei der unterirdischen Verwendung von Funksprechgeräten besteht ein grundlegendes Problem in der starken Dämp­ fung der elektromagnetischen Wellen unter diesen Bedin­ gungen. Das bedeutet, daß Funksprechgeräte, die oberhalb des Erdbodens absolut normal funktionieren, bei Verwen­ dung im Erdreich ohne Sondermaßnahmen nicht zufrieden­ stellend oder überhaupt nicht arbeiten. Zusätzliche Erfordernisse, die von den Geräten erfüllt werden müssen, ergeben sich aus weiteren Umständen der Umgebung.

Eine Funksprechverbindung mit einer Mine kann auf dreierlei verschiedene Weise hergestellt werden:

• 1. durch Ausbreiten der Wellen mittels Wellenleiter bei Frequenzen über 200 MHz,
• 2. durch Verwenden von geschlitzten Zuleitungen oder Koaxialleitungen bei Frequenzen von 2 bis 200 MHz,
• 3. durch Ausbreitung der Wellen unmittelbar durch das Muttergestein und unter Zuhilfenahme der in Minen vor­ handenen leitenden Körper, wobei ein Frequenzband von 0,1 bis 2 MHz möglich ist.

Bei der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen per Wel­ lenleiter oder Hohlleiter setzt sich die Wellenbewegung so fort, als ob sie innerhalb eines Leiters stattfände.

Man kann den Minenstollen dabei als eine Art Hohlleiter betrachten. Allerdings ist die Dämpfung des Signals be­ trächtlich, und zusätzliche Dämpfung wird verursacht durch Hindernisse im Stollen, beispielsweise durch Fahr­ zeuge. Das Verfahren eignet sich nicht für das komplexe Stollennetz in bestehenden Bergwerken, in denen die Übertragungswege lang sind.

Bei Verwendung einer geschlitzten Zuleitung oder Koaxial­ leitung wird an den Funksender ein langes Paar Kabel in­ nerhalb des gleichen Mantels oder eine locker geflochtene Koaxialübertragungsleitung gekoppelt. Das von der Über­ tragungsleitung ausgestrahlte Feld kann allerdings mit einem tragbaren Empfänger bestenfalls in einer Entfernung von einigen zehn Metern von der Leitung aufgefangen werden. Das Antennenkabel ist in den Minenstollen verlegt, und tragbare Geräte können in der Nachbarschaft dieser Antenne benutzt werden.

Bei einer Frequenz unterhalb von 2 MHz können Radiophon­ systeme benutzt werden, bei denen sich das Signal unmit­ telbar durch das Muttergestein fortpflanzt oder vorhan­ dene leitende Körper, beispielsweise Stromkabel, Rohr­ leitungen oder Förderseile ausgenutzt werden. Die direkte Ausbreitung der Wellen durch den Fels hängt von der Leit­ fähigkeit desselben und von der benutzten Frequenz ab. Wenn vorhandene, leitende Körper benutzt werden, können die Übertragungswege bedeutend länger werden. Das gleiche wird erreicht, wenn die Basisstation oder feste Sende­ stelle unmittelbar mit dem Kabel gekoppelt wird, welches als Antenne dient.

Aus der DE-A 24 04 116 ist ein Gerät für Wechselfunkverkehr be­ kannt, das zur Übermittlung der Nutzsignale von einer Sendeein­ heit zu einer entfernten Empfängereinheit eine Vielzahl von stationären Verstärkereinheiten verwendet, die nach Art von Re­ laisstationen zwischen der Sendeeinheit und der Empfängerein­ heit zwischengeschaltet sind. Die jeweilige Verstärkereinheit empfängt die von der Sendeeinheit oder einer anderen Verstär­ kereinheit ausgesendeten Funksignale, verstärkt sie und über­ mittelt diese an die auf dem Übertragungsweg nächst liegende Verstärkereinheit. Um eine Rückkopplung der von den Verstär­ kereinheiten ausgesendeten Funksignale zu vermeiden, wird die Kodierung der Funksignale so gewählt, daß nach einem hochfre­ quenten Schwingungsimpuls, in dem die Nutzinformation enthalten ist, eine Ruhezeit oder Austastzeit vorgesehen ist, in der kein Schwingungsimpuls ausgesendet wird. In dieser Ruhezeit werden die Verstärkereinheiten unwirksam geschaltet. Bei diesem be­ kannten Gerät ist es von Nachteil, daß eine Vielzahl von Ver­ stärkereinheiten zum Überbrücken des Übertragungsweges benötigt werden. Der technische Aufwand für den Betrieb eines solchen Gerätes ist demnach hoch. Ferner wird bei der angewandten Ko­ dierung die verfügbare Bandbreite zur Informationsübertragung nur teilweise ausgenutzt, da in den Ruhezeiten keine Nutzinfor­ mationen übertragen werden.

Aus der GB-A 2 083 977 ist die Verwendung von FSK-Signalen be­ kannt, die zur Kommunikation über einen Duplexkanal verwendet werden.

Aus einem Aufsatz von H.-G. Unger mit dem Titel "Hochfrequenztechnik in Funk und Radar", Stuttgart, B.G. Täub­ ner, 1984, S. 9, ist beschrieben, daß der Bereich der Hochfre­ quenztechnik im Bereich funktechnischer Anwendungen bereits bei 30 kHz beginnt und bis über 300 MHz hinausreicht. Zu berück­ sichtigen für eine derartige Anordnung ist jedoch das Frequenz­ spektrum des Nutzsignals, das dem Trägersignal aufmoduliert werden soll. Hat dieses bereits eine Bandbreite von etwa 10 kHz, so kann im Rahmen der Verwendung dieses Nutzsignals von einem hochfrequenten Trägersignal nur gesprochen werden, wenn dieses auf einer sehr viel höheren Frequenz liegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gerät, beispielsweise ein Funksprechgerät zu schaffen, welches mit geringem Aufwand in unterirdischen Anlagen Wechselverkehr ermög­ licht und innerhalb eines Frequenzbandes von 0,1 bis 2 MHz arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei werden bereits in Minen vorhandene leitende Körper für die Ausbreitung des Signals herangezogen und das gleiche Signal teilweise auch über das Muttergestein wei­ tergeleitet.

Gemäß der Erfindung ist es von Vorteil, eine Rahmenan­ tenne mit einem Sende- und Empfangsgerät zu koppeln, wel­ ches eine Nachrichtenverbindung in zwei Richtungen ermög­ licht, beispielsweise eine Sprechverbindung. In diesem Gerät wird die digitale Übertragungstechnik genutzt, bei der das Codieren von Sprache in digitale Form im Wege der Deltamodulation erfolgt. Wenn ein Signal auf Hochfrequenz moduliert wird, wird eine Frequenzumtastung (FSK) ange­ wandt.

Mittels der digitalen Modulationstechnik kann die Emp­ findlichkeit des Gerätes gegenüber in Minen vorhandenen Störungen und Geräuschen, beispielsweise aufgrund der be­ nutzten elektrischen Maschinen wesentlich verringert wer­ den, da es bei digitaler Übertragung möglich ist, Abtast­ werte, beispielsweise eines Analogsignals zu übertragen, die in ausreichend kurzen Intervallen entnommen werden. Dann kann auf der Basis dieser Abtastproben das ursprüng­ liche Signal rekonstruiert werden. Es ist vorteilhaft, die Abtastproben so zu codieren, daß in jedem beliebigen Zeitpunkt jeweils nur zwei Alternativsignale zu übertra­ gen sind. Signale, die während der Übertragung verzerrt werden und Rauschen enthalten, können beim Empfang als eine dieser beiden Alternativen interpretiert werden, und dann können die verzerrten Signale in den im Gerät vor­ handenen Zwischenverstärkern oder Verstärkern regene­ riert werden.

Bei digitaler Übertragung kann außerdem das Niveau der Sprechqualität solange aufrechterhalten werden, wie es gelingt, die empfangenen Bits richtig zu interpretieren, und zwar selbst dann, wenn sich der Rauschabstand im Ver­ lauf der Übertragung ändert. Wenn sich der Rauschabstand bei digitaler Modulation bis zu einem bestimmten Punkt verschlechtert hat, nimmt die Fehlerwahrscheinlichkeit bei den empfangenen Bits rasch zu, und das ursprüngliche Sprachsignal kann nicht mehr richtig decodiert werden. Deshalb erfolgt bei dem Verfahren gemäß der Erfindung das Codieren von Sprache in digitale Form mittels Deltamodu­ lation, denn dabei werden die übertragenen Abtastproben mit einem Bit codiert. Diese Differentialcodierung beruht auf der Tatsache, daß vom Signal entnommene, aufeinander­ folgende Abtastproben miteinander in Beziehung stehen und es infolgedessen auf der Grundlage der vom gleichen Sig­ nal früher entnommenen Abtastwerte möglich ist, zu versu­ chen, den nächsten Abtastwert vorherzusagen. Infolgedes­ sen ist die Differenz zwischen der tatsächlichen Abtast­ probe und der vorhergesagten Abtastprobe derjenige Abtast­ wert, der zu übertragen ist. Damit läßt sich Sprache mit einer verhältnismäßig kleinen Anzahl von Bits decodieren.

Wegen der großen Toleranz der erfindungsgemäß angewandten digitalen Modulationstechniken gegenüber Störungen und Rauschen wird auch der erreichte Übertragungsweg verlän­ gert. Wenn ein Modulationsverfahren gegenüber Störungen und Rauschen nicht tolerant ist, können Störungen wesent­ lich größere Einschränkungen in der Verbindung verursa­ chen,als es die Dämpfung des Signals längs der Ausbrei­ tungsstrecke tut. Aus diesem Grund wird gemäß der Erfin­ dung selbst bei Modulation eines Signals in Hochfrequenz ein Winkelmodulationsverfahren angewandt, bei dem der Rauschabstand gegenüber der Bandbreite einstellbar ist, wodurch bessere Ergebnisse erzielt werden.

Außerdem ermöglicht die digitale Übertragung eine komplexe Verarbeitung des Signals, und dadurch können die Dämpfung bei der Ausbreitung ebenso wie Störungen kompensiert wer­ den. Um in diesem Fall das gegenseitige Verhältnis der vom Signal entnommenen, aufeinanderfolgenden Abtastpro­ ben zu verbessern, ist die Anzahl der übertragenen Bits größer, als es für die fragliche Information am Übertragungsende nötig wäre. Beim Empfang kann dann ein Teil dieser überschüssigen Bits ruhig unrichtig interpretiert werden, ohne daß dies zu Fehlern beim Decodieren des Nutzsignals führt. Aufgrund der digitalen Übertragung kann das Gerät gemäß der Erfindung außerdem mit hochinte­ grierten Schaltungen bestückt werden, beispielsweise mit Deltamodulationsschaltungen und phasenstarren Schaltun­ gen bei der Hochfrequenzmodulation.

Als Verbindungsmethode bei dem Gerät der Erfindung kann beispielsweise mit Vorteil das sogenannte Semiduplex-Verfahren angewandt werden. Hierbei funktioniert eine Sprechverbindung in zwei Richtungen so, daß es nicht mög­ lich ist, beim Senden gleichzeitig zu hören. Es können auch Nachrichtenübermittlungsverfahren angewandt werden, bei denen beispielsweise alle Empfänger die Sendung von der Basisstation oder von einem einzigen Funksprechgerät hören können. Ferner kann das Gerät gemäß der Erfindung zur Übertragung von anderen Informationen als Sprache be­ nutzt werden. Unter Berücksichtigung der durch die Band­ breite gegebenen Einschränkungen ermöglicht die für einen Sprachkanal nötige Bandbreite gegebenenfalls die Übertragung von Meß-, Kontroll- und Produktionsdaten eben­ so wie die eines stationären Monitorbildes.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaf­ ten Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der bei einem bevor­ zugten Ausführungsbeispiel des Gerätes gemäß der Erfindung benutzten Vorrichtungen;

Fig. 2 ein Schaltdiagramm einer für das Ausführungsbei­ spiel gemäß Fig. 1 geeigneten Antenne.

Wenn das Gerät gemäß der Erfindung, wie in Fig. 1 ge­ zeigt, zum Senden benutzt wird, wird das von einem Mi­ krophon 1 empfangene Hörsignal mittels eines Verstärkers 2 verstärkt und durch einen Begrenzer 3 und Filter 4 weitergeleitet, um dem Signal eine für einen A/D-Umsetzer 5 geeignete Amplitude zu geben. Im Filter 4 werden aus dem Sprachsignal diejenigen Frequenzkomponenten heraus­ gefiltert, die unter dem Gesichtspunkt der Verständlich­ keit unnötig sind. Der A/D-Umsetzer 5 wandelt das bereits vorverarbeitete Signal in digitale Form um, d. h. das Signal wird mittels der von ihm entnommenen Abtastproben dargestellt. Die Länge der Abtastintervalle kann dabei mit Hilfe eines Zeitgebers 6 variiert werden.

Der A/D-Umsetzer 5 arbeitet nach dem Deltamodulations­ prinzip, so daß bei wachsendem Wert eines Sprachsignals der A/D-Umsetzer 5 ein Bit abgibt, welches eine logische 1 bezeichnet, während bei abnehmendem Signalwert ein Bit abgegeben wird, welches eine logische 0 bezeichnet. Die­ se die Sprache beschreibenden Bits steuern ihrerseits einen FSK-Modulator 7, der im Wege der Frequenzumtastung betrieben wird. Bei einem 0-Bit erzeugt der FSK-Modulator 7 eine bestimmte Frequenz, während er bei dem Bit 1 eine andere gegebene Frequenz zur Verfügung stellt. Das emp­ fangene hochfrequente Signal wird mittels einer Steuer­ stufe 8 und Leistungsstufe 9 eines Leistungsverstärkers verstärkt. Die erhaltene Leistung wird dann über ein An­ tennenanpassungsnetzwerk 10 und Antennenschalter 11 an eine Antenne 12 weitergeleitet.

Wenn das Gerät gemäß der Erfindung zum Empfang eines Sig­ nals benutzt wird, wird das über die Antenne 12 empfan­ gene schwache Signal über die Antennenschalter 11 und ein Anpassungsnetzwerk 13 an eine Empfängereinheit 14 ge­ leitet. Zu dieser Empfängereinheit 14 gehört auch eine Frequenzabstimmung 15 und eine Frequenzanzeige 16 sowie ein Signalstärkemesser 17. Das in der Empfängereinheit 14 erzeugte Zwischenfrequenzsignal wird einem FSK-Detektor 18 zugeleitet, der vorteilhafterweise phasenstarr arbei­ tet. Das vom FSK-Detektor 18 empfangene Signal wird wei­ ter verstärkt und gefiltert in eigenen Verstärkungs- und Filterstufen 19, und auf diese Weise wird eine Kette von Bits rekonstruiert, die der übertragenen Bitkette ent­ spricht. Auf der Basis dieser Kette von Bits bildet ein D/A-Umsetzer 20 ein analoges Signal, welches in einem Filter 21 weiter gefiltert wird, um die Auswirkungen der Abtastung auszuschalten. Anschließend kann das in einem Verstärker 22 verstärkte Signal über einen Lautsprecher 23 oder Kopfhörer 24 in einer der übertragenen Sprache entsprechenden Sprache gehört werden.

Um das Gerät gemäß der Erfindung sowohl zum Senden als auch zum Empfangen zu benutzen, ist im Zusammenhang mit dem Mikrophon 1 eine Tangente als Kontrollglied 25 vorge­ sehen, wie in Fig. 1 gezeigt, um eine Übertragungs/Emp­ fangs-Kontrolle zu ermöglichen. Das Kontrollglied 25 ist nötig, weil das Gerät gemäß der Erfindung Bauteile ent­ hält, die sowohl für das Senden als auch für das Empfan­ gen benutzt werden und deshalb Informationen über die je­ weils benutzte Betriebsweise brauchen. Außerdem muß der Empfänger während der Dauer der Übertragung gedämpft wer­ den, während die Spannungen der Übertragungsschaltungen während des Empfangs abgeschaltet werden müssen.

Eines der sowohl für das Übertragen als auch für das Emp­ fangen im erfindungsgemäßen Gerät benutzten Bauteile ist die Antenne 12, deren Betriebsweise unter Hinweis auf Fig. 2 erläutert werden soll. Während der Übertragung wird die Antenne 12 auf Serienresonanz abgestimmt, um die maximale Leistung aus der Leistungsstufe 9 in die An­ tenne 12 zu erzielen. Im Fall des Empfangens, für das in Fig. 2 zu sehende Schalter 26 eingestellt sind, wird Pa­ rallelresonanz benutzt, um die maximale Spannung aus der Antenne 12 zu erhalten. Die Arbeitsweise der Schalter 26 wird mittels des Kontrollgliedes 25 gesteuert. Durch das Abstimmen der in Fig. 2 gezeigten Antenne 12 wird nicht nur eine maximale Leistungsübertragung sondern auch eine Bandbegrenzung von Störsignalen erzielt. Die Antenne 12 kann beispielsweise eine im wesentlichen kreisförmige Rahmenantenne sein. Dabei kann die Größe der Antenne 12 beispielsweise dadurch reduziert werden, daß vorteilhaf­ terweise ein Ferritkern in der Rahmenantenne benutzt wird.

Claims (3)

1. Gerät für den Wechselfunkverkehr in unterirdischen Anla­ gen, mit einer Sendeeinheit, einer Empfängereinheit sowie einer Antenne, wobei die Sender- bzw. Empfängereinheit mit einem A/D-Umsetzer bzw. D/A-Umsetzer versehen ist, die ein in digitaler Form codiertes Signal in einem vorgegebenen Frequenzband zwi­ schen den beiden Geräteeinheiten übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät zur Ausnutzung der in den unterirdischen Anlagen eingebauten Metallkonstruktionen für die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen innerhalb des Frequenzbandes von 0,1 bis 2 NHz betrieben wird, daß ein FSK-Modulator (7) bzw. ein FSK-Detektor (18) vorgesehen sind, die das digitale Signal im Wege der Frequenzumtastung modulieren bzw. demodulieren, und daß ein Schalterbaustein (26) vorgesehen ist, der die Antenne (12) während des Sendens auf Serienresonanz und während des Empfangs auf Parallelresonanz einstellt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der A/D-Umsetzer (5), der das analoge, übertragungsfähige Si­ gnal in digitale Form umwandelt, auf der Basis der Deltamo­ dulation arbeitet.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sende/Empfangs-Kontrollglied (25) in das Gerät ein­ gebaut ist, welches das zu übertragende und zu empfangende Signal steuert.