FI77131C

FI77131C - Device for providing bi-directional communication in underground spaces

Info

Publication number: FI77131C
Application number: FI870286A
Authority: FI
Inventors: Antti Berg
Original assignee: Outokumpu Oy
Priority date: 1987-01-22
Filing date: 1987-01-22
Publication date: 1989-01-10
Also published as: GB8729449D0; FR2610156B1; JPH07118680B2; FI870286A; DE3741866A1; FR2610156A1; GB2200270B; FI77131B; JPS63194425A; GB2200270A; DE3741866C2; FI870286A0

Description

1 771311 77131

LAITTEISTO KAKSISUUNTAISEN YHTEYDEN AIKAANSAAMISEKSI MAANALAISISSA TILOISSAEQUIPMENT FOR A TWO-WAY CONNECTION IN UNDERGROUND PREMISES

Tämän keksinnön kohteena on laitteisto, radiopuhelin käytettäväksi maanalaisissa tiloissa, kuten kaivoksessa, kaksisuuntaisen yhteyden aikaansaamiseksi, jolloin hyödynnettävä radioaaltojen etenenismekanisni perustuu erityisesti pitkillä yhteysväleillä sähkömagneettisten aaltojen 5 kytkeytymiseen kaivoskäytävien ja kuilujen metallirakenteisiin, putkistoihin ja johtimiin.The present invention relates to an apparatus, a radiotelephone, for use in underground spaces, such as a mine, for providing a two-way connection, wherein the radio wave propagation mechanism to be utilized is based in particular on long communication intervals of electromagnetic waves coupling to mine structures and shafts.

Perusongelmana radiopuhelimien käyttämisessä maan alla on sähkömagneettisten aaltojen voimakas vaimeneminen näissä olosuhteissa. Tästä johtuu, että maan päällä hyvin toimivat radiopuhelimet eivät toimi tyydyt-1q tävästi tai eivät ollenkaan maanalaisessa käytössä ilman erityistoimenpiteitä. Myös muut ympäristöolosuhteet asettavat lisävaatimuksia käytettävälle kalustolle.The basic problem with the use of radiotelephones underground is the strong attenuation of electromagnetic waves under these conditions. As a result, well-functioning radiotelephones on the ground do not work satisfactorily or at all in underground use without special measures. Other environmental conditions also impose additional requirements on the equipment used.

Radiopuhelinyhteys kaivoksessa voidaan perustaa kolmeen eri tapaan: 1. käyttäen aaltoputkietenemistä ja yli 200 MHz:n taajuuksia, 15 2. käyttäen vuotojohtoja taajuksilla 2-200 MHz ja 3. käyttäen suoraan kallion läpi tapahtuvaa ja kaivoksissa oleviin johteisiin perustuvaa etenemistä, jolloin taajuusalue 0,1-2 MHz voi tulla kysymykseen.A radiotelephone connection in a mine can be established in three different ways: 1. using waveguide propagation and frequencies above 200 MHz, 15 2. using leakage lines at frequencies 2-200 MHz and 3. using propagation directly through the rock and based on conductors in the mines, with a frequency range of 0.1 -2 MHz may be considered.

Aaltoputkieteneminen on sähkömagneettisten aaltojen etenemismuoto, 2o missä aaltoliike kulkee "putkessa". Kaivostunneli voidaan katsoa eräänlaiseksi aaltoputkeksi. Signaalin vaimentuminen on kuitenkin huomattavaa ja tunnelissa olevat esteet, kuten ajoneuvot aiheuttavat lisävai-mentumista. Menetelmä ei sovellu kaivosten monimutkaiseen, todelliseen tunneliverkostoon, kun kyseessä on pitkät etäisyydet.Waveguide propagation is a mode of propagation of electromagnetic waves, 2o where the wave motion travels in a "tube". The mining tunnel can be considered as a kind of waveguide. However, the attenuation of the signal is considerable and obstacles in the tunnel, such as vehicles, cause additional attenuation. The method is not suitable for a complex, real tunnel network of mines over long distances.

25 Vuotojohtomenetelmässä radiolähettimeen kytketään pitkä samassa vaipassa oleva johtopari tai löysästi punottu koaksiaalinen siirto!inja. Siir-tolinjan säteilemä kenttä voidaan siepata kannettavalla vastaanottimella korkeintaan muutaman kymmenen metrin päässä linjasta. Antennikaapeli asennetaan kaivoksen tunneleihin ja kannettavien laitteiden käyttö on 30 mahdollista tämän antennin läheisyydessä.25 In the leakage line method, a long pair of wires in the same sheath or a loosely braided coaxial transmission line is connected to the radio transmitter. The field radiated by the transmission line can be captured by a portable receiver at a maximum of a few tens of meters from the line. The antenna cable will be installed in the mine tunnels and the use of portable equipment is possible in the vicinity of this antenna.

2 771 312,771 31

Alle 2 MHz taajuudella voidaan käyttää radiopuhelinjärjestelmiä, joissa signaali etenee suoraan kallion läpi tai joissa käytetään hyväksi olemassa olevin johteita, kuten voimakaapeleita, putkistoja tai nostokoneiden köysiä. Suora eteneminen kallion läpi on riippuvainen kallion 5 johtokyvystä ja käytetystä taajuudesta. Jos käytetään hyväksi olemassa olevia johteita, saadaan yhteysetäisyydet huomattavasti pitemmiksi. Sanoin käy, jos tukiasema on suoraan kytkettynä lankaan, joka toimii antennina.At frequencies below 2 MHz, radiotelephone systems can be used in which the signal travels directly through the rock or in which existing conductors, such as power cables, piping or hoisting ropes, are utilized. The direct propagation through the rock depends on the conductivity of the rock 5 and the frequency used. Utilizing existing conductors will result in significantly longer connection distances. I said will happen if the base station is directly connected to a wire that acts as an antenna.

Esilläolevan keksinnön tarkoituksena on aikaansaada maanalaisiin tiloihin 10 soveltuva kaksisuuntaisen yhteyden mahdollistava laitteisto, kuten radiopuhelin, joka toimii taajuusalueella 0,1-2 MHz ja joka käyttää hyväksi kaivoksessa jo olemassa olevia johteita signaalin etenemiseen ja jonka signaalin etenemistä tapahtuu osittain myös kallioperässä. Keksinnön olennaiset tunnusmerkit selviävät oheisista patenttivaatimuk-15 sista.The object of the present invention is to provide a bi-directional connection equipment suitable for underground spaces 10, such as a radiotelephone operating in the frequency range 0.1-2 MHz and utilizing existing lines for signal propagation in the mine, the signal propagation of which also takes place partly in the bedrock. The essential features of the invention will become apparent from the appended claims.

Keksinnön mukaisesti edullisesti kehäantenni on sovitettu maanalaisessa tilassa kaksisuuntaisen yhteyden, kuten puheyhteyden, mahdollistavaan lähetys- ja vastaanottolaitteistoon, jossa laitteistossa käytetään digitaalista siirtotekniikkaa niin, että puheen koodaus digitaaliseksi on 20 toteutettu deltamodulaatiolla. Sen sijaan signaalia radiotaajuiseksi moduloitaessa sovelletaan taajuudensiirtoavainnusta.According to the invention, preferably the circumferential antenna is arranged in an underground space for transmission and reception equipment enabling a two-way connection, such as a voice connection, in which equipment digital transmission technology is used so that the speech coding to digital is implemented by delta modulation. Instead, when modulating the signal to radio frequency, frequency shift keying is applied.

Käyttäen digitaalista modulaatiotekniikkaa voidaan laitteiston häiriöalttiutta esimerkiksi kaivosten sähkökäytöstä johtuen olennaisesti vähentää, koska digitaalisessa siirrossa voidaan lähettää esimerkiksi 25 analogisesta signaalista riittävän tiheästi otettuja näytteitä, joiden perusteella alkuperäinen analoginen signaali on rekonstruoitavissa. Nämä näytteet on edullista koodata siten, että lähetettävänä on kullakin ajan hetkellä vain kaksi vaihtoehtoista signaalia. Siirron aikana vääristyneet, kohinaa sisältävät signaalit on vastaanotossa tulkittavissa 30 näiksi kahdeksi vaihtoehdoksi, jolloin vääristyneet signaalit on regeneroitavissa laitteistoon sisältyvissä välivahvistimissa tai toistimissa.By using digital modulation technology, the susceptibility of the equipment to interference can be substantially reduced, for example due to the electrical use of the mines, because in digital transmission, for example, samples of 25 analog signals can be sent with sufficient density to reconstruct the original analog signal. It is preferable to encode these samples so that there are only two alternative signals to be transmitted at any given time. During transmission, distorted signals containing noise can be interpreted as two of these options, whereby the distorted signals can be regenerated in the intermediate amplifiers or repeaters included in the equipment.

3 771 313,771 31

Digitaalisessa siirrossa saadaan myös puheen laatu säilymään vakiona edullisesti niin kauan kuin vastaanotetut bitit tulkitaan oikein, vaikka signaalikohinasuhde siirrossa vaihtelisikin. Kun digitaalisessa modulaatiossa signaalikohinasuhde huononee riittävästi, kasvaa vastaanotet-5 tujen bittien virhetodennäköisyys nopeasti, eikä alkuperäistä puhesignaalia voida enää dekoodata oikein. Puheen koodaus digitaaliseksi tapahtuukin keksinnön mukaisesti deltamodulaatiota käyttäen, jolloin lähetettävät näytteet koodataan yhdellä bitillä. Tämä differentiaalinen koodaus perustuu siihen, että signaalista otetut peräkkäiset näytteet 10 korreloivat keskenään, jolloin signaalista aikaisemmin otettujen näytteiden perusteella on siis mahdollista yrittää ennustaa seuraavaa näytettä. Todellisen näytteen ja ennustetun näytteen erotus on näin lähetettävä näyte. Puheen koodaus voidaan siten suorittaa suhteellisen pienellä määrällä bittejä.In digital transmission, the speech quality is also kept constant, preferably as long as the received bits are interpreted correctly, even if the signal-to-noise ratio in the transmission varies. When the signal-to-noise ratio deteriorates sufficiently in digital modulation, the error probability of the received bits increases rapidly, and the original speech signal can no longer be decoded correctly. According to the invention, the coding of speech to digital takes place using delta modulation, in which case the samples to be transmitted are coded with one bit. This differential coding is based on the fact that successive samples 10 taken from the signal correlate with each other, so that it is possible to try to predict the next sample on the basis of samples previously taken from the signal. The difference between the actual sample and the predicted sample is thus the sample to be sent. Speech encoding can thus be performed with a relatively small number of bits.

15 Keksinnön mukaisesti käytetyn digitaalisen modulaatiotekniikan hyvän häiriöiden sietokyvyn ansiosta kasvaa myös saavutettavan yhteysvälin pituus. Mikäli modulaatiomenetelmä ei siedä häiriöitä, häiriöt saattavat rajoittaa yhteyttä paljon enemmän kuin signaalin vaimentaminen etenemistiellä. Sen vuoksi keksinnön mukaisesti käytetään myös signaalia 20 radiotaajuiseksi moduloitaessa kulmamodulaatiomenetelmää, jossa signaa-likohinasuhdetta voidaan vaihtaa kaistaleveyteen ja näin päästä parempiin tuloksiin.Due to the good interference tolerance of the digital modulation technique used according to the invention, the length of the achievable communication interval also increases. If the modulation method does not tolerate interference, interference may limit the connection much more than attenuating the signal on the path. Therefore, according to the invention, the signal 20 is also used for radio frequency modulation in an angular modulation method in which the signal-to-noise ratio can be changed to a bandwidth and thus better results can be obtained.

Digitaalinen siirto mahdollistaa edelleen monimutkaisen signaalinkäsittelyn, jolla voidaan kompensoida etenemisvaimennusta ja häiriöitä. 25 Tällöin signaalista otettujen peräkkäisten näytteiden keskinäiskorre-loitumisen parantamiseksi lähetetään edullisesti enemmän bittejä kuin mitä on tarpeen lähetettävän tiedon esittämiseen lähetyspäässä. Vastaanotettaessa osa näistä ns. redundanttisista biteistä saadaan tulkita väärin ilman, että hyötysignaalin dekoodaukseen tulee virheitä. Edel-30 leen digitaalisen siirron ansiosta keksinnön mukaisessa laitteessa voidaan käyttää pitkälle integroituja piirejä kuten deltamodulaatiopiirit sekä vaihelukkopiirit radiotaajuusmoduloinnissa.Digital transmission further enables complex signal processing to compensate for propagation loss and interference. In this case, in order to improve the mutual correlation of the successive samples taken from the signal, more bits are preferably transmitted than are necessary for presenting the information to be transmitted at the transmission end. Upon receipt of some of these so-called. redundant bits can be misinterpreted without errors in decoding the payload signal. Thanks to the digital transmission of Edel-30, highly integrated circuits such as delta modulation circuits and phase locked loops can be used in radio frequency modulation.

Keksinnön mukaisessa laitteessa voidaan käyttää liikennöintitapana edullisesti esimerkiksi ns. semiduplexia. Tällöin kaksisuuntainen puheyhte-35 77131 n ys toimii siten, että lähetettäessä ei voi itse kuunnella samanaikaisesti. On mahdollista käyttää myös liikennöintitapoja, jolloin esimerkiksi kaikissa vastaanottimissa kuullaan tukiaseman tai yksittäisen radiopuhelimen lähetys. Keksinnön mukaista laitteistoa on edelleen mahdollista 5 soveltaa myös muun tiedon kuin puheen siirtoon. Kaistaleveysrajoituk-set huomioiden puhekanavan vaatimassa kaistaleveydessä saadaan haluttaessa siirrettyä esimerkiksi mittaus-, valvonta- tai tuotantotietoja sekä paikallaan oleva valvontakuva.In the device according to the invention, for example, the so-called semiduplex. In this case, the two-way voice connection works in such a way that it cannot be listened to simultaneously during transmission. It is also possible to use communication methods, in which case, for example, the transmission of a base station or an individual radiotelephone is heard in all receivers. It is still possible to apply the apparatus according to the invention to the transmission of information other than speech. Taking into account the bandwidth limitations, in the bandwidth required by the speech channel, for example, measurement, monitoring or production data as well as a stationary monitoring image can be transferred if desired.

Keksintöä selostetaan lähemmin seuraavassa viitaten oheisiin piirustuk-10 siin, joissa kuvio 1 esittää erästä edullista sovellutusmuotoa keksinnön mukaisesta laitteistosta laitekaaviona, kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaiseen sovellutusmuotoon edullisesti sopivaa antennin kytkentäkaaviota.The invention will be described in more detail below with reference to the accompanying drawings, in which Fig. 1 shows a preferred embodiment of the apparatus according to the invention as a device diagram, Fig. 2 shows an antenna connection diagram preferably suitable for the embodiment according to Fig. 1.

15 Kuvion 1 mukaisesti keksinnön mukaista laitteistoa lähettämiseen käy tettäessä mikrofonilta 1 saatava audiosignaali vahvistetaan vahvistimella 2 ja johdetaan rajoittimen 3 ja suodattimen 4 läpi, jotta signaali muodostuu amplitudiltaan analogia/digitaalimuuntimelle 5 sopivaksi. Suodattimena 4 poistetaan puhesignaalista ymmärrettävyyden kannalta 20 tarpeettomat taajuuskomponentit. Analogia/digitaalimuunnin 5 muuttaa näin muokatun analogisen signaalin digitaaliseksi; ts. signaali esitetään siitä otettujen näytteiden avulla. Näytteiden tiheyttä voidaan vaihdella säädettävän ajoitusgeneraattorin 6 avulla.According to Figure 1, when using the apparatus according to the invention for transmission, the audio signal from the microphone 1 is amplified by an amplifier 2 and passed through a limiter 3 and a filter 4 so that the signal is amplified to suit the analog / digital converter 5. As a filter 4, frequency components 20 which are not necessary for intelligibility are removed from the speech signal. The analog / digital converter 5 converts the analog signal thus modified to digital; i.e., the signal is represented by samples taken from it. The density of the samples can be varied by means of an adjustable timing generator 6.

Analogia/digitaalimuunnin 5 toimii deltamodulaatioperiaatteella siten, että 25 puhesignaalin arvon kasvaessa muuntimelta 5 saadaan ulos ykköstä tarkoittava bitti ja signaalin arvon pienetessä nollaa tarkoittava bitti. Nämä puhetta kuvaavat bitit ohjaavat puolestaan taajuuden siirtoavain-nuksella toimivaa FSK-modulaattoria 7. Modulaattori 7 tuottaa nollabitillä erään taajuuden ja ykkösbitillä erään toisen taajuuden. Näin saatua 30 radiotaajuista signaalia vahvistetaan tehovahvistimen ohjausasteen 8 ja tehopääteasteen 9 avulla. Näin saatu teho siirretään antennin sovitus-piirin 10 ja antennikytkimen 11 kautta antenniin 12.The analog / digital converter 5 operates on the principle of delta modulation, so that as the value of the speech signal increases, a bit denoting one is output from the converter 5, and as the value of the signal decreases, a bit denoting zero. These speech bits in turn control the FSK modulator 7, which operates with a frequency transfer key. The modulator 7 produces one frequency with the zero bit and another frequency with the first bit. The 30 radio frequency signals thus obtained are amplified by the control stage 8 of the power amplifier and the power stage 9. The power thus obtained is transferred to the antenna 12 via the antenna matching circuit 10 and the antenna switch 11.

771 31 5 Käytettäessä keksinnön mukaista laitteistoa signaalin vastaanottamiseen johdetaan antennilla 12 vastaanotettu heikko signaali antennikytkimen 11 ja sovituspiirin 13 kautta vastaanotinosaan 14. Tähän vastaanotin-osaan 1¾ liittyy myös taajuuden viritys 15 ja näyttö 16 sekä signaalin 5 voimakkuusmittari 17. Vastaanotinosassa 14 muodostettu välitaajuussig-naali johdetaan FSK-ilmaisimelle 18, joka edullisesti toimii vaiheluk-koperiaatteella. Ilmaisimelta 18 saatua signaalia edelleen vahvistetaan ja suodatetaan erillisissä vahvistus- ja suodatusasteessa 19 ja näin saadaan rekonstruoiduksi lähetettyä bittijonoa vastaava bittijono. Tämän 10 bittijonon perusteella digitaali/analogiamuunnin 20 muodostaa analogisen signaalin, jota vielä suodatetaan suodattimena 21 näytteenoton vaikutuksen poistamiseksi. Vahvistimelle 22 vahvistettu signaali voidaan sen jälkeen kuulla lähetettyä puhetta vastaavana puheena kaiuttimesta 23 tai kuulokkeista 24.When using the apparatus according to the invention for receiving a signal, a weak signal received by antenna 12 is passed through antenna switch 11 and matching circuit 13 to receiver section 14. This receiver section 1¾ is also associated with frequency tuning 15 and display 16 and signal 5 power meter 17. Intermediate frequency signal For the FSK detector 18, which preferably operates on the phase lock principle. The signal received from the detector 18 is further amplified and filtered in separate amplification and filtering stages 19, and thus a bit string corresponding to the transmitted bit string is reconstructed. Based on this 10 bit string, the digital-to-analog converter 20 generates an analog signal which is further filtered as a filter 21 to eliminate the sampling effect. The signal amplified to the amplifier 22 can then be heard as a speech corresponding to the transmitted speech from the speaker 23 or the headphones 24.

15 Keksinnön mukaisen laitteiston tomimiseksi sekä lähetyksessä että vastaanotossa on kuvion 1 mukaisesti mikrofonin 1 yhteyteen liitetty tangentti 25, jolla aikaansaadaan lähetys/vastaanotto-ohjaus. Tätä ohjauselintä 25 tarvitaan, koska keksinnön mukainen laitteisto sisältää komponentteja, jotka ovat yhteisiä sekä lähetykselle että vastaanotolle 20 ja jotka siten tarvitsevat tiedon siitä, kumpi toimintatapa kulloinkin on käytössä. Lisäksi lähetyksen ajaksi vastaanotin pitää vaimentaa, kun taas vastaanottotilanteessa lähetinpiirien jännitteet on kytkettävä pois.In order to operate the apparatus according to the invention in both transmission and reception, a tangent 25 is connected to the microphone 1, as shown in FIG. This control element 25 is needed because the apparatus according to the invention contains components which are common to both transmission and reception 20 and which thus need information as to which mode of operation is in use in each case. In addition, during transmission, the receiver must be attenuated, while in the reception situation, the voltages of the transmitter circuits must be switched off.

Keksinnön mukaisessa laitteistossa yksi yhteinen komponentti, jota käytetään sekä lähetyksessä että vastaanotossa, on antenni 12, jonka 25 toimintaa on kuvattu kuviossa 2. Lähetyksessä antenni 12 viritetään sarjaresonanssiin, jotta saadaan maksimivirta tehopääteasteesta 9 antenniin 12. Vastaanotossa, johon asentoon kuviossa 2 olevat kytkimet 26 on asetettu, käytetään rinnakkaisresonanssia maksimijännitteen saamiseksi antennista 12. Kytkimien 26 toimintaa ohjataan ohjauselimellä 25. 30 Kuvion 2 mukaisella antennin 12 virityksellä saavutetaan tehonsiirron maksimoinnin lisäksi myös häiriösignaalien kaistarajoitusta. Antennina 12 voidaan käyttää esimerkiksi olennaisesti ympyrän muotoista kehäan-tonnia, mutta antennia 12 on mahdollista pienentää esimerkiksi käyttämällä kehänntennissa edullisesti ferriittisydäntä.In the apparatus of the invention, one common component used for both transmission and reception is antenna 12, the operation of which is illustrated in Figure 2. In transmission, antenna 12 is tuned to serial resonance to obtain maximum current from power terminal 9 to antenna 12. At reception, the switches 26 in Figure 2 are set, parallel resonance is used to obtain the maximum voltage from the antenna 12. The operation of the switches 26 is controlled by the control element 25. By tuning the antenna 12 according to Fig. 2, in addition to maximizing the power transfer, the band limitation of interference signals is also achieved. As the antenna 12, for example, a substantially circular circumferential ton can be used, but it is possible to reduce the antenna 12, for example, by preferably using a ferrite core in the circumferential antenna.

3535

Claims

6,771 31

An apparatus for providing a two-way connection to an underground space, operating in the frequency range of 0.1 to 2 MHz to propagate electromagnetic waves advantageously using metal structures installed in the underground space, comprising transmitting and receiving part and an antenna, characterized in that that a delta modulation analog-to-digital converter (5) and a digital-to-analog converter (20), respectively, are installed in the underground transmission / reception part operating in the frequency range 0.1 to 2 MHz to transmit the signal transmitting in digital form encoded between the two units.

Apparatus according to claim 1, characterized in that in the conversion of the digital signal to be received in order to detect the signal, a detector (18) using a frequency transfer key is mounted on the receiving part.

Apparatus according to Claim 1 or 2, characterized in that a transmission / reception control element (25) is installed in the apparatus for controlling the signal to be transmitted and received.