ES2330286B1 - Metodo y dispositivo de transmision y recepcion de audio para comunicaciones bidireccionales mediante inyeccion de corriente. - Google Patents
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Abstract
Método y dispositivo de transmisión y recepción
de audio para comunicaciones bidireccionales mediante inyección de
corriente.
La invención se aplica en comunicaciones
bidireccionales subterráneas, entre el interior de la localización
subterránea y el exterior o superficie, siendo igualmente válida
para la comunicación entre dos puntos del
exterior-exterior, permitiendo dos modos de
operación: modo recepción y modo transmisión. Tal comunicación se
basa en la tecnología TTE por inyección de corriente, con la
ventaja de que no requiere la instalación de infraestructura
subterránea ni tampoco en el exterior. Además, los procesos tanto
en recepción como en transmisión están basados en tecnología
digital, permitiendo el uso de diversas técnicas de modulación y
otros procesados sobre la señal de audio.
Description
Método y dispositivo de transmisión y recepción
de audio para comunicaciones bidireccionales mediante inyección de
corriente.
La presente invención está relacionada con las
comunicaciones subterráneas en general y, más particularmente, con
la tecnología de propagación electromagnética a través de la roca
por medio de electrodos de inyección de corriente. Esta invención
es aplicable para lograr comunicaciones bidireccionales de voz, ya
sean interior-interior,
exterior-interior o
exterior-exterior, dentro de entornos mineros,
túneles, aparcamientos u otros emplazamientos bajo tierra, en
espeleología, para espeleosocorro o rescates en galerías
subterráneas y en general donde se requiere la comunicación de
audio en cualquiera de las tres posibilidades indicadas.
Las tecnologías actuales que permiten las
comunicaciones subterráneas de voz pueden ser clasificadas en dos
grandes grupos:
(1) tecnologías que necesitan de la
instalación o despliegue de una infraestructura subterránea;
(2) tecnologías que no necesitan de
infraestructura subterránea.
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En primer lugar, se describen de forma general
las tecnologías basadas en la instalación de una infraestructura
subterránea (grupo 1):
1.1) Sistemas de comunicaciones
subterráneas cableados, en los que la señal es distribuida mediante
cable o fibra óptica. La tecnología de un sistema cableado
subterráneo es la misma que para uno en superficie, salvo que los
materiales, elementos y sistemas son más robustos y con mayor grado
de protección para soportar las condiciones de trabajo en el
subsuelo.
1.2) Tecnología de cable radiante
("Leaky-Feeder", en inglés), muy extendida para
comunicaciones inalámbricas subterráneas en minería y túneles. La
señal se propaga por un cable coaxial que emite hacia el túnel o
galería donde está instalado. Son numerosas las patentes en esta
tecnología, tales como: US 5697067, US 5669065, US 4476574 y US
7024157.
1.3) Sistemas de comunicaciones
subterráneas basados en el acoplamiento a conductores. La presencia
de conductores axiales en un túnel facilita la propagación de ondas
electromagnéticas en las bandas de baja frecuencia ("Low
Frequency", en inglés, 30 kHz-300 kHz) y media
frecuencia ("Medium Frequency", en inglés, 300
kHz-3 MHz). Esto ha permitido el desarrollo de
sistemas basados en este fenómeno, como es el caso de los descritos
en US 4777652, US 4495495 y EP 0292950.
1.4) Sistemas de comunicación
celulares y de antenas distribuidas trabajando en las bandas de UHF
y microondas. En ellos, la señal es distribuida a un conjunto de
antenas o estaciones base cuya densidad en el interior del
subterráneo garantiza la cobertura de comunicaciones. Tal es el caso
de las patentes US 6195561 y US 7050831.
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Un segundo grupo de tecnologías de
comunicaciones subterráneas son las que no requieren de
infraestructura subterránea. Existen aplicaciones o situaciones en
las cuales el despliegue de una infraestructura es imposible o
precisa gran coste económico, de mano de obra o de tiempo. Tal es el
caso de los rescates, de la exploración y vigilancia de
subterráneos o de los frentes de explotación minera.
Dentro de este grupo (grupo 2), pueden
distinguirse dos tipos de sistemas: los que usan tecnología de
propagación natural en túneles y aquéllos en los que la propagación
se realiza a través de la roca. Ambos se describen
seguidamente:
2.1) En la propagación natural en
túneles, el canal de propagación son los propios túneles o galerías
subterráneas que actúan como guía de ondas. La frecuencia a la cual
se empieza a observar este fenómeno, denominada frecuencia de corte
("cutoff frequency", en ingles), depende de la conductividad
eléctrica y de la permitividad relativa de las paredes, así como de
la geometría del túnel, y suele ser superior a 1 GHz. La propagación
natural en túneles presenta dos problemas fundamentales que han
impedido la extensión de su uso en comunicaciones subterráneas. Por
una parte, los cambios bruscos de dirección, cruces u obstáculos que
cubran gran parte de la sección del túnel tienen un efecto
desastroso en la propagación. Por otra parte, la señal sufre de un
fuerte efecto de distorsión ("fading", en ingles) debido a las
interferencias entre los diferentes modos que se propagan.
2.2) La tecnología de propagación a
través de la roca, también denominada tecnología TTE
("Through-The-Earth" en
ingles), utiliza el medio sólido circundante (por ejemplo, la propia
roca) como canal de propagación. La comunicación TTE necesita bajas
frecuencias de trabajo porque la atenuación de la señal debida a la
conductividad eléctrica del medio decrece al disminuir la
frecuencia de trabajo. La frecuencia de transmisión en TTE se sitúa
generalmente entre los 10 Hz y 300 kHz, esto es, en las bandas ELF
(de frecuencia extremadamente baja), ULF (de frecuencia ultra
baja), VLF (de muy baja frecuencia) o LF (de baja frecuencia). En
comunicaciones TTE se utilizan dos formas diferentes de acceder al
medio de propagación: la inyección de corriente y el acoplo
inductivo.
- 2.2.1)
- En la comunicación TTE mediante inyección de corriente, el acceso al medio se realiza a través de cables con sus extremos en contacto con el medio de propagación (roca, suelo, agua) mediante unos electrodos de inyección.
- 2.2.2)
- La tecnología TTE por acoplo inductivo usa antenas formadas por espiras sintonizadas a la frecuencia de trabajo para acceder al medio de propagación. Un inconveniente es que la sintonía de las antenas disminuye drásticamente el ancho de banda disponible.
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A continuación se describen diversos sistemas
TTE conocidos y algunas deficiencias que presentan. En general, hoy
en día, la tecnología TTE no está muy extendida debido al escaso
ancho de banda que ofrece, el cual la hace inviable para multitud
de aplicaciones.
Por ejemplo, los sistemas PED de MINE SITE
Technologies, Canary ONE de Vital Alert Communication Inc. o
Wavelynx de Communications Australia Pty. Ltd. aplican la
tecnología TTE para las comunicaciones en minería, pero únicamente
para sistemas de mensajería ("paging systems", en inglés), por
tanto, es una comunicación unidireccional
fuera-dentro. Estos sistemas emplean una estación
base emisora con una gran espira (de 4 a 7 kilómetros de desarrollo
lineal suele ser típico), que se sitúa en el exterior dando
cobertura prácticamente para toda el área de la mina. Cada minero
porta un receptor con una pantalla donde se visualizan los mensajes
emitidos. Se consiguen transmisiones más allá del kilómetro de
profundidad en la banda ULF. Sin embargo, no permiten una
comunicación bidireccional ni la transmisión de voz por el escaso
ancho de banda.
Para conseguir comunicaciones bidireccionales
con tecnología TTE, en WO 01/11807 se propone el uso de repetidores
subterráneos que dan a la señal la suficiente potencia para alcanzar
el exterior.
El principal problema de todos los sistemas
mencionados es que precisan la instalación de una infraestructura
fija, al menos en el exterior.
Otra propuesta de un sistema TTE con
comunicaciones bidireccionales, basado en acoplo inductivo, es el
descrito en WO 2005/002066, que permite la comunicación de voz
mediante su digitalización y posterior compresión, así como el
desarrollo de equipos portátiles. La frecuencia de trabajo está por
debajo de los 10 kHz y emplea antenas de tipo SQUID (basadas en
superconductores de alta temperatura) para aumentar la eficiencia
permitiendo comunicaciones bidireccionales, con un alcance de entre
100 y 200 metros. Sin embargo, este tipo de antenas necesitan
nitrógeno líquido a 77º Kelvin (ver US 6263189) para su
funcionamiento, lo que dificulta seriamente su uso.
En US 7050831, se describe un sistema de
comunicaciones subterráneas para minería en el que uno de sus
módulos es un enlace TTE, cuyo funcionamiento también se basa en la
técnica de acoplo inductivo y es para frecuencias inferiores a 10
kHz. Utiliza una modulación en banda lateral única (SSB: "Single
Side Band", en inglés) y puede comunicar datos y voz comprimida.
El uso de grandes antenas de bucle limita su movilidad y su alcance
(entre 100 y 200 metros).
Finalmente, procede comentar que en el ámbito de
los rescates en espeleología (espeleosocorro) se han desarrollado
dos radios TTE no comerciales: la Nicola mkII y la Heyphone. Su
diseño e implementación no está protegido y es de libre
distribución. Ambas trabajan a 87 kHz, usan la técnica de inyección
de corriente, permiten comunicación de voz y han conseguido
profundidades superiores a los 1000 metros. Utilizan una modulación
clásica en banda lateral única (SSB) con tecnología analógica.
Estos dispositivos radio se ven fuertemente afectados por las
interferencias del sistema de radionavegación LORAN C que trabaja en
una banda muy cercana.
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La invención que aquí se describe viene a
resolver la problemática anteriormente expuesta, contemplando el
soporte de comunicaciones bidireccionales de audio, tanto para
comunicaciones subterráneas entre interior-exterior
(subterráneo-superficie) e
interior-interior (dentro del subterráneo) como
entre dos puntos exterior-exterior (en la
superficie). Las comunicaciones se basan en el uso de tecnología
inalámbrica de propagación a través de la roca (TTE) por inyección
de corriente, pero sin necesidad de instalación de ninguna
infraestructura, ni subterránea ni exterior, utilizando además
dispositivos portátiles que permiten su empleo en un amplio campo
de aplicaciones.
Una de las características esenciales de la
presente invención es que usa uno o varios componentes electrónicos
de lógica programable, tales como un microcontrolador o un
procesador digital de la señal (DSP), pudiendo también emplearse
circuitos integrados para Aplicaciones Específicas (ASIC),
dispositivos de lógica programable compleja (CPLD) y/o tarjetas
FPGA ("field programmable gate array"), constituyendo un
sistema radio basado en software.
De la característica anterior deriva una de las
principales ventajas de la invención con respecto a los prototipos
de radio de inyección de corriente disponibles en la actualidad,
pues al estar basada la presente solución en tecnología digital
permite utilizar diferentes modulaciones y frecuencias de trabajo,
así como incorporar las técnicas de filtrado y tratamiento de la
señal que más se adecuan al entorno concreto de aplicación.
La posibilidad que da esta invención de trabajar
con distintas frecuencias base en el mismo dispositivo y que éste
obtenga un alcance de hasta casi 2500 m., representa una ventaja
también frente a sistemas basados en la tecnología de acoplo
inductivo, como el descrito en US 7050831 y citado en los
antecedentes.
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Un aspecto de la invención es un dispositivo de
transmisión de voz para comunicaciones TTE que comprende al menos
dos electrodos de inyección de corriente para realizar la
propagación a través del terreno, en general un medio sólido de
propagación, natural o artificial (roca, hormigón, ...) donde están
implantados. Los electrodos de inyección de corriente
inyectan/entregan a su salida una señal electromagnética, basada en
una corriente eléctrica alterna, cuya frecuencia (frecuencia de
transmisión) pertenece a una banda de frecuencias determinada. El
rango de frecuencias de la señal inyectable en el terreno para
comunicaciones TTE está entre 5 kHz y 300 kHz. Este dispositivo de
transmisión de audio comprende las siguientes etapas:
- Una etapa de acondicionamiento de una señal de
entrada de audio, la cual contiene información de voz y/o señales
acústicas de alarma, música, etc. La etapa de acondicionamiento
entrega a la siguiente (etapa de procesado digital) una señal de
audio convenientemente filtrada y amplificada, con objeto de
permitir a dicha etapa de procesado digital realizar un muestreo
correcto de la señal, esto es, que permite su reconstrucción. Para
conseguir este objetivo, la etapa de acondicionamiento incluye un
filtro anti-solapamiento
("anti-aliasing", en inglés).
- Una etapa de procesado digital constituida por
al menos un componente electrónico de lógica programable y un
conversor analógico-digital que muestrea
correctamente (sin efecto "aliasing") la señal de audio
entregada por la etapa de acondicionamiento, para lo cual usa una
frecuencia de muestreo dada (por el Teorema de Nyquist) en función
de la frecuencia de dicha señal de audio. Seguidamente al muestreo,
esta etapa de procesado digital realiza una serie de procesos de
filtrado y modulación necesarios (a los que se pueden añadir
procesos de compresión y/o codificación de la señal) para generar
una señal a transmitir con una frecuencia central (sea cual sea la
frecuencia central deseada, dentro de la banda de frecuencias
determinada). Esta etapa de procesado digital puede programarse
para implementar diversas técnicas de modulación (AM: Amplitud
Modulada, BLU: Banda Lateral Única, etc.). Además, la etapa de
procesado digital implementa un modulador PWM ("Pulse With
Modulation"), para entregar a la salida de esta etapa una señal
modulada en anchura de pulso. Esto último hace innecesario el uso a
continuación de un conversor digital-analógico y,
por tanto, permite simplificar la construcción del dispositivo
ahorrando hardware.
- Una etapa de amplificación de potencia
conectada a la salida de la anterior, a través de la que recibe la
señal modulada PWM. A su vez, a la salida de esta etapa de
amplificación se conectan los electrodos de inyección de corriente
que inyectan la señal al medio sólido de propagación. El
amplificador de potencia que se propone consiste en un amplificador
conmutado controlado directamente por la misma señal PWM
(preferentemente, un puente en H, aunque pueden usarse otras
topologías de amplificadores: clase D, clase E y clase S).
La señal de entrada de audio entregada a la
etapa de acondicionamiento (primera etapa del dispositivo de
transmisión) puede provenir de un micrófono o cualquier otro
dispositivo con salida de audio (un reproductor digital de audio
tal como un reproductor MP3, una radio convencional, un ordenador,
...) que recoge directamente o tiene grabada una señal sonora.
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Paralela y complementariamente, otro aspecto de
la invención es un dispositivo de recepción de audio para
comunicaciones TTE que comprende al menos dos electrodos de
inyección de corriente para recoger del terreno que hace de medio
de propagación una señal en la banda de frecuencias determinada,
definida entre 5kHz y 300kHz. El dispositivo de recepción comprende
las siguientes etapas:
- Una primera etapa que recoge la señal de los
electrodos de inyección conectados al terreno, para amplificarla en
la banda de interés y entregar dicha señal amplificada como señal de
entrada a la segunda etapa que se describe como sigue.
- Una segunda etapa que consiste en un cambio de
frecuencia mediante mezcla ("downconversion", en inglés), en
un control automático de ganancia (AGC) y en un filtrado para
permitir, en la siguiente (tercera) etapa, un muestreo correcto.
Dicho muestreo correcto se logra seleccionando apropiadamente una
frecuencia de muestreo en la tercera etapa y usando un filtro
anti-solapamiento
("anti-aliasing", en inglés) en esta segunda
etapa, el cual permite la reconstrucción de la señal original a
partir de dicha señal digitalizada/muestreada. El fin de la segunda
etapa es, para cualquier frecuencia que se esté utilizando en
transmisión, obtener una señal en una frecuencia intermedia fija
que puede ser posteriormente muestreada por la tercera etapa. La
segunda etapa o etapa de traslación de frecuencia presenta una
salida por donde entrega a la siguiente etapa dicha señal a la
frecuencia intermedia fijada. La etapa de traslación de frecuencia
presenta al menos dos entradas: una primera entrada conectada a la
salida del amplificador sintonizado que constituye la primera etapa
y una segunda entrada para recibir la(s) señal(es) de
control de esta etapa de traslación de frecuencia desde la tercera
etapa, que se describe a continuación.
- Una tercera etapa o etapa de procesado digital
que realiza las funciones de muestrear la señal entregada a su
entrada por la anterior (segunda) etapa y, sobre la señal
muestreada, realiza los procesos de filtrado, demodulación y otros
procesamientos (descompresión y/o decodificación de dicha señal)
necesarios para extraer la información de sonido (voz, música u
otras señales acústicas audibles) contenida en dicha señal. Una vez
realizados tales procesos, la etapa de procesado digital entrega
por una de sus salidas digitales una señal PWM de audio. Para
ejecutar todas estas funciones, esta etapa de procesado digital
comprende al menos un componente electrónico de lógica programable
y un conversor analógico-digital, que puede estar
integrado en el componente electrónico de lógica programable para
un mayor ahorro de hardware. Esta tercera etapa tiene programados al
menos un filtro digital, al menos un demodulador (pudiendo usar
diferentes técnicas en correspondencia con la modulación usada en
transmisión) y un modulador PWM para generar la señal PWM de audio.
Esta tercera etapa presenta varias salidas digitales: una primera
salida a través de la que entrega una señal digital de mezcla para
gobernar el cambio de frecuencia y una señal para controlar la
ganancia del AGC de la etapa de translación de frecuencia; y una
segunda salida para entregar la señal PWM de audio a la siguiente
(cuarta) etapa. Dichas señales (señal digital de mezcla, señal de
control del AGC y señal PWM) son generadas por dicho al menos un
componente electrónico de lógica programable. Puesto que se hace un
procesado digital de la señal que resulta en la obtención de una
señal PWM, no se requiere ningún conversor
digital-analógico, lo que hace ventajosa esta
invención frente a los antecedentes por el ahorro de componentes y
la sencillez del circuito electrónico frente a otros diseños.
- Una cuarta etapa que consta de un amplificador
de audio que recibe como entrada la señal PWM generada por la etapa
de procesado digital y entrega la señal de audio amplificada en
potencia.
La señal de audio entregada por esta última
etapa de amplificación está destinada a ser recogida por un altavoz
u otro dispositivo con entrada de audio, tal como una grabadora, una
radio convencional, un ordenador, teléfono u otro reproductor de
sonido aplicable.
\vskip1.000000\baselineskip
Otro aspecto de la invención se refiere a un
dispositivo para comunicaciones bidireccionales portátil de tipo
semi-dúplex ("half-duplex", en
inglés), que comprende el dispositivo de recepción y el de
transmisión descritos en los dos aspectos anteriores de la
invención, entre los que se conmuta para trabajar en modo recepción
o en modo transmisión, respectivamente. Este dispositivo portátil
está especialmente concebido para mantener comunicaciones en el
interior de una localización subterránea, en el exterior o entre el
interior de la localización subterránea y el exterior. La
conmutación de un modo al otro la realiza la etapa de procesado
digital a instancias de una señal de control proveniente de la
actuación de un pulsador PTT ("Push to Talk"), por ejemplo, al
apretar un botón para transmitir y liberarlo para recibir. El
pulsador PTT puede ser externo o estar incorporado en la misma
carcasa que contiene el dispositivo de recepción y el de
transmisión. La conmutación entre ambos también puede efectuarse
realizando la activación por voz o mediante transmisión de tonos de
uno u otro modo de actuación.
El núcleo del dispositivo
semi-dúplex es la etapa de procesado digital de
señal, que existe tanto en transmisión como en recepción, habiendo
programado el (o los) componente(s) electrónico(s) de
lógica programable que comprende dicha etapa para realizar las
funciones que se han descrito anteriormente para cada modo de
funcionamiento. El rango de frecuencias de interés, entre 5 kHz y
300 kHz (que es la banda de trabajo con inyección de corriente)
permite que gran parte del procesamiento se pueda concentrar en un
único DSP, minimizando el hardware necesario, puesto que ofrece la
suficiente capacidad procesadora para implementar por software todas
las funciones descritas para la etapa de procesado digital de
señal, tanto en transmisión como en recepción.
El dispositivo en modo transmisión inyecta en el
terreno una señal electromagnética con una cierta modulación que
transporta la información de sonido que recoge el micrófono o el
dispositivo con salida de audio que procede conectado a la entrada
(por ejemplo, un teléfono móvil, etc.). El dispositivo en modo
recepción detecta la señal en el terreno mediante los dos
electrodos, procesándola para extraer la información de sonido y
poderla pasar al reproductor de sonido conectado a la salida para
entregar la señal sonora (un altavoz, otro teléfono, etc.).
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Las ventajas principales de esta invención se
resumen como sigue:
- La estructura del dispositivo tanto en emisión
como en recepción hace que éste sea independiente de la frecuencia
de transmisión de la señal electromagnética. Permite adaptar la
comunicación a la ventana espectral más conveniente, cambiando
únicamente la sintonía de la etapa de entrada y el software de la
etapa de procesado digital. Esta ventana espectral depende
fundamentalmente del nivel de ruido o las interferencias presentes
en cada enclave particular.
- Al realizarse la mayor parte del procesamiento
de la señal dentro del DSP (o equivalente), pueden utilizarse
diferentes modulaciones/demodulaciones, filtrados y compresiones de
la señal. Este dispositivo puede, por tanto, relacionarse con la
tecnología de las radios fundamentadas en el software (SDR o
"Software Defined Radio", en inglés).
- La utilización de la tecnología TTE por
inyección de corriente permite el ancho de banda necesario para la
transmisión de voz sin necesidad de compresión. Además, los
electrodos de inyección de corriente son sencillos y robustos,
compuestos únicamente por dos cables y dos picas o tiras
conductoras.
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Asimismo, otro aspecto de la invención se
refiere a un método de transmisión de audio para comunicaciones
bidireccionales mediante inyección de corriente que comprende los
siguientes pasos:
- acondicionar una señal de entrada
de audio, que puede provenir de al menos un dispositivo con salida
de audio que recoge directamente y/o graba dicha señal de entrada
de audio;
- muestrear la señal acondicionada
para realizar un procesado digital que comprende al menos los pasos
de:
- -
- filtrado y modulación a una frecuencia central de la señal muestreada aplicando al menos una técnica de modulación determinada, por ejemplo en SSB,
- -
- generar a partir de la señal modulada y filtrada una señal modulada por ancho de pulso, que puede ser adicionalmente amplificada, para entregar la señal a un medio sólido de propagación a través de electrodos de inyección de corriente.
\vskip1.000000\baselineskip
De manera complementaria, se define otro aspecto
de la invención que trata de un método de recepción de audio para
comunicaciones bidireccionales mediante inyección de corriente que
comprende los siguientes pasos:
- amplificar y filtrar la señal
electromagnética de entrada;
- trasladar a una frecuencia
intermedia la señal amplificada;
- muestrear dicha señal amplificada
y trasladada en frecuencia para realizar un procesado digital que
comprende al menos los pasos de:
- -
- demodulación y filtrado de la señal muestreada,
- -
- generar a partir de la señal demodulada y filtrada una señal modulada por ancho de pulso, que adicionalmente puede ser amplificada para ser entregada a al menos un dispositivo con entrada de audio, tal como un altavoz, ordenador, grabadora, etc.
Adicionalmente el paso de procesado digital de
la señal en recepción puede incluir la generación de una señal de
mezcla digital para aplicarla en el paso de trasladar a la
frecuencia intermedia la señal amplificada. También en este paso de
procesado digital se puede generar una señal para el control
automático de ganancia de la señal trasladada en frecuencia.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de
realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante
de esta descripción, un juego de dibujos en donde con carácter
ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra una representación
esquemática del dispositivo objeto de la invención en modo
recepción, según una realización preferida.
La figura 2.- Muestra una representación
esquemática del dispositivo objeto de la invención en modo
transmisión, según una realización preferida.
La figura 3.- Muestra una vista en perspectiva
del dispositivo portátil que engloba los dos modos anteriores,
junto con las posibles fuentes de alimentación externas y una caja
estanca que guarda todos los componentes.
Puede describirse una realización práctica de la
invención como un dispositivo transceptor portátil para
comunicaciones subterráneas mediante TTE por inyección de
corriente, entre dos puntos: interior-interior,
interior-exterior y
exterior-interior, pudiéndose aplicar también para
comunicación exterior-exterior. Este dispositivo es
capaz de conmutar entre dos modos de operación o funcionamiento:
modo recepción y modo transmisión, que se detallan como sigue y de
acuerdo a lo representado en las Figuras 1 y 2 respectivamente.
La Figura 1 muestra el dispositivo de
comunicaciones en modo recepción. La señal de entrada, en dicho modo
recepción, es primeramente recogida por unos electrodos de
inyección de corriente (1) y seguidamente entregada a una primera
etapa consistente en un amplificador sintonizado (2) que amplifica
la banda de interés. La salida del amplificador sintonizado (2) es
la entrada de una segunda etapa o etapa de traslación de frecuencia
(3) que realiza un cambio de frecuencia mediante un mezclador, un
control automático de ganancia y un filtrado "antialiasing".
Esta etapa de cambio o traslación de frecuencia (3) desplaza la
banda frecuencial a una frecuencia intermedia fija que pueda ser
muestreada por el conversor analógico-digital de un
componente electrónico de lógica programable (4), preferiblemente
un DSP o procesador de señal digital. El cambio de frecuencia de
esta etapa de traslación de frecuencia es controlada por el
componente electrónico de lógica programable (4) que genera para
ello una señal de mezcla y, además, establece la ganancia del
circuito de control automático de ganancia de forma que la señal a
muestrear por dicho procesador de señal digital (4) tiene un rango
apropiado para el correcto funcionamiento del conversor
analógico-digital. Una vez que la señal es
muestreada, el componente electrónico de lógica programable (4)
realiza un proceso de filtrado y demodulación, necesario para
obtener la información de voz contenida en la señal de entrada,
dando lugar a una señal de salida que es entregada a un
amplificador de audio (5) mediante una salida PWM. La salida del
amplificador de audio (5) puede ser entregada así a un dispositivo
con entrada de audio (6), por ejemplo un altavoz.
La Figura 2 muestra el dispositivo de
comunicaciones en modo transmisión. La señal de audio de entrada, en
dicho modo transmisión, proveniente de un dispositivo con salida de
audio (7), por ejemplo un micrófono, pasa primero a una etapa de
acondicionamiento (8) de la señal. Dicha etapa de acondicionamiento
(8) comprende un filtro paso bajo
"anti-aliasing" y un amplificador. La salida de
esta etapa de acondicionamiento (8) es muestreada por el componente
electrónico de lógica programable (9), tal como un DSP, que se
encarga de realizar la modulación y procesamientos necesarios para
entregarla a un amplificador de potencia (10) a través de una señal
PWM. A su vez, el amplificador de potencia (10) inyecta la señal
PWM en el terreno a través de los electrodos de inyección de
corriente (11). Este amplificador de potencia (10) está basado en un
puente en H y por tanto el componente electrónico de lógica
programable (9) lo controla directamente por la señal PWM.
El transceptor portátil, capaz de operar en
cualquiera de los dos modos propuestos, presenta una carcasa
exterior (12) única, como se muestra en la Figura 3, donde están
incorporados respectivos mandos de encendido apagado (13) y control
de volumen del audio (14), así como correspondientes conectores (15)
a los cables eléctricos del par de electrodos de inyección de
corriente. También, pueden incorporarse distintos señalizadores (16,
16') para la indicación del nivel de batería y modo de
funcionamiento del transceptor respectivamente. La conmutación
entre los modos de transmisión y recepción se realiza mediante
medios PTT que permiten intercambiar entre la operación de un
micrófono y un altavoz dispuestos en un accesorio exterior (18), tal
como los que usan los radioaficionados. Como fuente de alimentación
para este transceptor portátil, bastan unas pilas (17) o usar, por
ejemplo, una batería externa recargable (17'). Todos los elementos
se pueden guardar y transportar cómodamente en el interior de una
caja estanca (19).
Se ha realizado una implementación de la
presente invención en la que la frecuencia central de la señal de
transmisión es de 70 kHz, la frecuencia intermedia de trabajo son 30
kHz, el muestreo se realiza a 120 kHz, y la modulación implementada
en el DSP es en banda lateral única mediante un modulador Weaver. La
alimentación del dispositivo se realiza mediante una batería de 12
voltios. En las pruebas realizadas con este dispositivo se han
conseguido comunicaciones de voz inteligibles a través de una
separación de más 2000 metros de roca caliza.
Los términos en que se ha redactado esta memoria
deberán ser tomados siempre en sentido amplio y no limitativo.
En este texto, la palabra "comprende" y sus
variantes (como "comprendiendo", etc.) no deben interpretarse
de forma excluyente, es decir, no excluyen la posibilidad de que lo
descrito incluya otros elementos, pasos etc.
También en este contexto el término
"aproximadamente" y otros términos de su familia debe
entenderse para indicar valores muy próximos a los que acompañan al
término ya mencionado. Es decir, debe ser aceptada cualquier
desviación de un valor exacto dentro de unos límites razonables,
porque el experto medio en la materia entenderá que tal desviación
de los valores indicados es inevitable debido a las inexactitudes de
la medida, etc.
Por otra parte, la invención no está limitada a
las realizaciones concretas aquí descritas sino que abarca también,
por ejemplo, las variantes que pueden ser realizadas por el experto
medio en la materia (por ejemplo, en cuanto a la elección de
componentes electrónicos del dispositivo radio, etc.), dentro de lo
que se desprende de las reivindicaciones que se incluyen
seguidamente.
Claims (34)
1. Dispositivo de recepción para comunicaciones
bidireccionales de audio, en especial de aplicación para
comunicaciones subterráneas, mediante inyección de corriente, que
comprende al menos dos electrodos de inyección de corriente (1)
adaptados para obtener de un medio sólido de propagación una señal
electromagnética en una banda de frecuencias determinada,
caracterizado porque comprende:
- un amplificador sintonizado (2) en
la banda de frecuencias determinada, conectado a los electrodos de
inyección de corriente (1) y configurado para entregar en una
salida una señal de entrada que genera amplificando la señal
electromagnética obtenida por dichos electrodos de inyección de
corriente (1);
- una etapa de traslación de
frecuencia (3) conectada a la salida del amplificador sintonizado
(2) y configurada para entregar en una salida la señal de entrada
trasladada a una frecuencia intermedia;
- una etapa de procesado digital que
comprende un conversor analógico-digital y al menos
un componente electrónico de lógica programable (4) y que tiene
programados al menos un demodulador, al menos un filtro digital y un
modulador por ancho de pulso, estando la etapa de procesado digital
dotada de
- \quad
- una entrada conectada a la salida de la etapa de traslación de frecuencia (3),
- \quad
- una primera salida digital conectada a una entrada de dicha etapa de traslación de frecuencia (3) y
- \quad
- una segunda salida digital,
y estando el conversor
analógico-digital configurado para muestrear la
señal entregada a la entrada por la etapa de traslación de
frecuencia (3) y configurado el componente electrónico de lógica
programable (4) para
- \quad
- entregar en la primera salida digital al menos una señal de mezcla destinada a controlar la etapa de traslación de frecuencia (3) y
- \quad
- entregar en la segunda salida digital una señal de audio modulada por ancho de pulso.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Dispositivo de recepción según reivindicación
1, caracterizado porque el conversor
analógico-digital está integrado en el, al menos
un, componente electrónico de lógica programable (4).
3. Dispositivo de recepción según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
etapa de traslación de frecuencia (3) comprende un mezclador, un
circuito de control automático de ganancia y un filtro
antisolapamiento.
4. Dispositivo de recepción según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
etapa de traslación de frecuencia (3) está configurada para entregar
la señal a la entrada de la etapa de procesado digital a la
frecuencia intermedia que está entre 5 kHz y 300 kHz.
5. Dispositivo de recepción según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
componente electrónico de lógica programable (4) está configurado
para realizar una demodulación en banda lateral única.
6. Dispositivo de recepción según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
componente electrónico de lógica programable (4) se selecciona entre
un microcontrolador, DSP, CPLD, ASIC, FPGA y combinaciones de los
anteriores.
7. Dispositivo de recepción según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque
adicionalmente comprende un amplificador de audio (5) conectado a
la segunda salida digital de la etapa de procesado digital para
recibir la señal de audio modulada por ancho de pulso y entregar
dicha señal amplificada a al menos un dispositivo con entrada de
audio (6).
8. Dispositivo de recepción según reivindicación
7, caracterizado porque el dispositivo con entrada de audio
(6) se selecciona entre un altavoz, una grabadora de sonido, una
radio convencional, un ordenador y un teléfono.
\vskip1.000000\baselineskip
9. Dispositivo de transmisión para
comunicaciones bidireccionales de audio, en especial de aplicación
para comunicaciones subterráneas, que comprende al menos dos
electrodos de inyección de corriente (11) adaptados para entregar a
través de un medio sólido de propagación una señal electromagnética
en una banda de frecuencias determinada, caracterizado
porque comprende:
- una etapa de acondicionamiento (8)
de una señal de entrada de audio configurada para entregar en una
salida una señal que genera filtrando y amplificando la señal de
entrada de audio;
- una etapa de procesado digital que
comprende un conversor analógico-digital y al menos
un componente electrónico de lógica programable (9) y que tiene
programados al menos un modulador de una técnica determinada de
modulación, al menos un filtro digital y un modulador por ancho de
pulso, estando la etapa de procesado digital dotada de una entrada
conectada a la salida de la etapa de acondicionamiento (8) y al
menos una salida digital, y estando el conversor
analógico-digital configurado para muestrear la
señal entregada por la etapa de acondicionamiento (8) y el
componente electrónico de lógica programable (9) configurado
para
- \quad
- generar una señal con la determinada técnica de modulación a una frecuencia central dentro de la banda de frecuencias determinada, y
- \quad
- entregar en la salida digital la señal a la frecuencia central modulada por ancho de pulso.
\vskip1.000000\baselineskip
10. Dispositivo de transmisión según
reivindicación 9, caracterizado porque adicionalmente
comprende un amplificador de potencia (10) conectado por una
entrada a la salida de la etapa de procesado digital para recibir la
señal modulada por ancho de pulso y conectado por una salida a los
electrodos de inyección de corriente (11).
11. Dispositivo de transmisión según
reivindicación 10, caracterizado porque el amplificador de
potencia (10) comprende un puente en H controlado por la señal
modulada por ancho de pulso.
12. Dispositivo de transmisión según cualquiera
de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque la etapa
de acondicionamiento (8) comprende un filtro
anti-solapamiento y un amplificador.
13. Dispositivo de transmisión según cualquiera
de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado porque el
conversor analógico-digital está integrado en el,
al menos un, componente electrónico de lógica programable (9).
14. Dispositivo de transmisión según cualquiera
de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizado porque el
componente electrónico de lógica programable (9) está configurado
para realizar una modulación en banda lateral única.
15. Dispositivo de transmisión según cualquiera
de las reivindicaciones 9 a 14, caracterizado porque el
componente electrónico de lógica programable (9) se selecciona
entre un microcontrolador, DSP, ASIC, FPGA y combinaciones de los
anteriores.
16. Dispositivo de transmisión según cualquiera
de las reivindicaciones 9 a 14, caracterizado porque la etapa
de procesado digital está configurada para operar a la frecuencia
central que está entre 5 kHz y 300 kHz.
17. Dispositivo de transmisión según cualquiera
de las reivindicaciones 9 a 16, caracterizado porque el
componente electrónico de lógica programable (9) está configurado
para realizar la técnica determinada de modulación en banda lateral
única.
18. Dispositivo de transmisión según cualquiera
de las reivindicaciones 9 a 17, caracterizado porque
adicionalmente comprende al menos un dispositivo con salida de
audio (7) conectado a la etapa de acondicionamiento (8) para
entregar la señal de entrada de audio.
19. Dispositivo de transmisión según
reivindicación 18, caracterizado porque el dispositivo con
salida de audio (7) se selecciona entre un micrófono, una grabadora
de sonido, un reproductor de audio digital, una radio convencional,
un ordenador y un teléfono.
20. Dispositivo portátil para comunicaciones
subterráneas que comprende el dispositivo de recepción definido
según las reivindicaciones 1 a 8 y el dispositivo de transmisión
definido según las reivindicaciones 9 a 19 entre los que se conmuta
para operar en un modo recepción y un modo transmisión
respectivamente.
21. Dispositivo portátil según reivindicación
20, caracterizado porque la conmutación se realiza por medios
de PTT.
22. Dispositivo portátil según cualquiera de las
reivindicaciones 20 ó 21, caracterizado porque adicionalmente
comprende al menos una batería de alimentación.
23. Dispositivo portátil según cualquiera de
las reivindicaciones 20 a 22, caracterizado porque
adicionalmente comprende una única carcasa exterior dentro de la
que se sitúa el dispositivo de recepción y el dispositivo de
transmisión.
\vskip1.000000\baselineskip
24. Método de recepción para comunicaciones
bidireccionales de audio, en especial de aplicación para
comunicaciones subterráneas, que recibe en una banda de frecuencias
determinada una señal electromagnética de entrada extraída de un
medio sólido de propagación mediante inyección de corriente,
caracterizado porque comprende los siguientes pasos:
- amplificar y filtrar la señal
electromagnética de entrada;
- trasladar a una frecuencia
intermedia la señal amplificada;
- muestrear dicha señal amplificada
y trasladada en frecuencia para realizar un procesado digital que
comprende al menos los pasos de:
- -
- demodulación y filtrado de la señal muestreada,
- -
- generar a partir de la señal demodulada y filtrada una señal modulada por ancho de pulso.
\vskip1.000000\baselineskip
25. Método de recepción de audio según
reivindicación 24, caracterizado porque el procesado digital
adicionalmente comprende el siguiente paso:
- generar una señal de mezcla
digital para aplicarla en el paso de trasladar a la frecuencia
intermedia la señal amplificada.
\vskip1.000000\baselineskip
26. Método de recepción de audio según
cualquiera de las reivindicaciones 24 ó 25, caracterizado
porque adicionalmente comprende un control automático de ganancia
de la señal trasladada en frecuencia.
27. Método de recepción de audio según
cualquiera de las reivindicaciones 24 a 26, caracterizado
porque adicionalmente comprende amplificar la señal modulada por
ancho de pulso y entregar dicha señal amplificada a al menos un
dispositivo con entrada de audio (6).
28. Método de recepción de audio según
cualquiera de las reivindicaciones 24 a 27, caracterizado
porque la frecuencia intermedia está entre 5 kHz y 300 kHz.
29. Método de recepción de audio según
cualquiera de las reivindicaciones 24 a 28, caracterizado
porque la demodulación es en banda lateral única.
\vskip1.000000\baselineskip
30. Método de transmisión de audio para
comunicaciones bidireccionales, en especial de aplicación para
comunicaciones subterráneas, que entrega a un medio sólido de
propagación mediante inyección de corriente una señal
electromagnética en una banda de frecuencias determinada,
caracterizado porque comprende los siguientes pasos:
- acondicionar una señal de entrada
de audio;
- muestrear la señal acondicionada
para realizar un procesado digital que comprende al menos los pasos
de:
- -
- filtrado y modulación a una frecuencia central de la señal muestreada aplicando al menos una técnica de modulación determinada,
- -
- generar a partir de la señal modulada y filtrada una señal modulada por ancho de pulso.
\vskip1.000000\baselineskip
31. Método de transmisión de audio según
reivindicación 30, caracterizado porque adicionalmente
comprende amplificar la señal modulada por ancho de pulso para
entregar dicha señal amplificada al medio sólido de propagación.
32. Método de transmisión de audio según
cualquiera de las reivindicaciones 30 ó 31, caracterizado
porque adicionalmente comprende obtener la señal de entrada de
audio de al menos un dispositivo con salida de audio (7).
33. Método de transmisión de audio según
cualquiera de las reivindicaciones 30 a 32, caracterizado
porque la frecuencia central está entre 5 kHz y 300 kHz.
34. Método de transmisión de audio según
cualquiera de las reivindicaciones 30 a 33, caracterizado
porque la técnica de modulación determinada es en banda lateral
única.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200702086A ES2330286B1 (es) | 2007-07-26 | 2007-07-26 | Metodo y dispositivo de transmision y recepcion de audio para comunicaciones bidireccionales mediante inyeccion de corriente. |
| PCT/ES2008/000511 WO2009013374A1 (es) | 2007-07-26 | 2008-07-18 | Método y dispositivo de transmisión y recepción de audio para comunicaciones bidireccionales mediante inyección de corriente |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200702086A ES2330286B1 (es) | 2007-07-26 | 2007-07-26 | Metodo y dispositivo de transmision y recepcion de audio para comunicaciones bidireccionales mediante inyeccion de corriente. |
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|---|---|
| ES2330286A1 ES2330286A1 (es) | 2009-12-07 |
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ID=40281036
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200702086A Active ES2330286B1 (es) | 2007-07-26 | 2007-07-26 | Metodo y dispositivo de transmision y recepcion de audio para comunicaciones bidireccionales mediante inyeccion de corriente. |
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| US3740488A (en) * | 1971-01-13 | 1973-06-19 | Westinghouse Electric Corp | Inductive loop through-the-earth communication system |
-
2007
- 2007-07-26 ES ES200702086A patent/ES2330286B1/es active Active
-
2008
- 2008-07-18 WO PCT/ES2008/000511 patent/WO2009013374A1/es active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| ES2330286A1 (es) | 2009-12-07 |
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