FI77131C - Anordning foer aostadkommande av dubbelriktad kommunikation i underjordiska utrymmen. - Google Patents

Description

1 77131

LAITTEISTO KAKSISUUNTAISEN YHTEYDEN AIKAANSAAMISEKSI MAANALAISISSA TILOISSA

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.

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.

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.

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.

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.

2 771 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.

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.

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.

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.

3 771 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

35

Claims (3)

6 771 31

1. Laitteisto, joka on tarkoitettu maanalaisiin tiloihin kaksisuuntaisen yhteyden muodostamista varten ja joka toimii taajuusalueella 0,1-2 MHz sähkömagneettisten aaltojen saattamiseksi etenemään edullisesti maanalaisiin tiloihin asennettuja metallirakenteita hyväksi käyttäen ja joka laitteisto sisältää lähetys- ja vastaanotto-osan sekä antennin, tunnettu siitä, että maan alle sijoitettuun, taajuusalueelle 0,1 - 2 MHz toimimaan saatettuun lähetys/vastaanotto-osaan on asennettu deltamodu-laatiolla toimiva analogia/digitaalimuunnin (5) ja vastaavasti digitaali/ analogiamuunnin (20) välittävän signaalin siirtämiseksi digitaalimuodossa koodattuna kahden laiteyksikön välillä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että vastaanotettavan digitaalisen signaalin muuntamisessa signaalin ilmaisemiseksi on vastaanotto-osaan asennettu taajuudensiirtoavainnusta käyttävä ilmaisin (18).

3. Patenttivaatimusten 1 tai 2 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että lähetettävän ja vastaanotettavan signaalin ohjaamiseksi on laitteistoon asennettu lähetys/vastaanotto-ohjauselin (25).