RU2093961C1

RU2093961C1 - Method for voice communication through absorbing medium

Info

Publication number: RU2093961C1
Application number: RU95117257A
Authority: RU
Inventors: Эдуард Николаевич Цатурян
Original assignee: Эдуард Николаевич Цатурян
Priority date: 1995-10-10
Filing date: 1995-10-10
Publication date: 1997-10-20

Abstract

FIELD: radio engineering, in particular, systems for wide-band information transmission in real time through rocks using electromagnetic waves. SUBSTANCE: method uses all possibilities provided by frequency transparency of medium and voice spectrum. It involves inversion and frequency reduction of most informative region of human voice spectrum, its transmission and recovery of spectrum during reception. EFFECT: increased effective distance. 6 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способам радиосвязи в поглощающих средах, и может быть использовано в системах передачи и приема широкополосной информации в реальном масштабе времени через горные породы электромагнитными волнами, например речевых сигналов в шахтах. The invention relates to radio engineering, in particular to methods of radio communication in absorbing media, and can be used in systems for transmitting and receiving broadband information in real time through rocks by electromagnetic waves, for example, speech signals in mines.

Известен способ радиосвязи [1] применяемый в шахтах, где передача речевых радиосигналов осуществляется в реальном масштабе времени путем канализации излучаемой электромагнитной энергии по направляющим линиям, в качестве которых в горных выработках используются имеющие коммуникационные сооружения: металлические трубопроводы, рельсы, телефонные и силовые провода или специально прокладываемые направляющие линии. The known method of radio communication [1] used in mines, where the transmission of speech radio signals is carried out in real time by canalizing the radiated electromagnetic energy along guide lines, which are used in mining workings with communication structures: metal pipelines, rails, telephone and power wires, or specially paved guide lines.

Недостатком данного способа является ограниченный радиус действия радиосвязи зависящий от наличия направляющей линии и ее надежности, которая сильно подвержена разрушению движущимся электротранспортом, конвейером, выпадением породы из стен кровли выработок шахт. The disadvantage of this method is the limited range of radio communication depending on the presence of the guide line and its reliability, which is highly susceptible to destruction by moving electric vehicles, conveyors, and rock falling out of the roof walls of mine workings.

Известен способ радиосвязи электромагнитным полем в реальном масштабе времени вдоль угольных пластов [2] когда каменноугольный пласт в совокупности с массивом горных пород образует своеобразный радиальный волновод, способный канализировать энергию передаваемых сообщений, т.е. используется аномальная проводимость горного массива, за счет разности удельных сопротивлений между породой и углем, которые в среднем на порядок отличаются друг от друга. Передача сигналов по радиоканалу осуществляется здесь электромагнитным полем без несущего колебания, путем прямой передачи естественного спектра речи (от 400 до 1500 Гц), т.е. части речевого сигнала. A known method of radio communication by an electromagnetic field in real time along coal seams [2] when a coal seam in combination with an array of rocks forms a kind of radial waveguide capable of channeling the energy of transmitted messages, i.e. the anomalous conductivity of the massif is used, due to the difference in resistivities between rock and coal, which on average differ by an order of magnitude from each other. Signals are transmitted over the air here by an electromagnetic field without a carrier wave, by direct transmission of the natural spectrum of speech (from 400 to 1500 Hz), i.e. parts of the speech signal.

К недостаткам прямой передачи сигналов электромагнитным полем низкочастотной части естественного спектра речи относится сильное затухание его высокочастотных компонент в спектре передаваемого сообщения, с расстоянием, несущих большую информативную нагрузку. The disadvantages of direct signal transmission by the electromagnetic field of the low-frequency part of the natural spectrum of speech include the strong attenuation of its high-frequency components in the spectrum of the transmitted message, with a distance carrying a large informative load.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению прототипом является способ реализованный в системе радиосвязи, описанный в [3] где канал связи организован в реальном масштабе времени электромагнитным полем, через массив вкрест напластованию горных пород. The closest in technical essence to the claimed invention, the prototype is a method implemented in a radio communication system described in [3] where the communication channel is organized in real time by an electromagnetic field through an array across the bedding of rocks.

Передача речевых сигналов осуществляется здесь без несущего колебания, путем прямого электромагнитного излучения наиболее информативной части низкочастотного речевого спектра. The transmission of speech signals is carried out here without a carrier wave, by direct electromagnetic radiation of the most informative part of the low-frequency speech spectrum.

Для компенсации частотных искажений, возникающих в речевом спектре сигнала при распространении в породах за счет экспоненциального затухания электромагнитного поля радиосигнала в поглощающей среде горного массива (высокочастотной части речевого спектра) используют большую излучающую мощность. To compensate for the frequency distortions that occur in the speech spectrum of the signal during propagation in rocks due to the exponential attenuation of the electromagnetic field of the radio signal in the absorbing medium of the rock mass (high-frequency part of the speech spectrum), a large emitting power is used.

К недостаткам систем связи с прямой передачей естественного спектра речи вкрест напластования горных пород относится сильное затухание сигналов, особенно его высокочастотной части вплоть до полной потери разборчивости за счет большего поглощения в породах высших частот речевого спектра электромагнитного излучения. Это ограничивает дальность действия систем речевой связи в поглощающих средах. The disadvantages of communication systems with direct transmission of the natural speech spectrum across the bedding of rocks include a strong attenuation of signals, especially its high-frequency part, up to a complete loss of intelligibility due to greater absorption in the rocks of higher frequencies of the speech spectrum of electromagnetic radiation. This limits the range of voice communication systems in absorbing media.

Целью изобретения является повышение дальности речевой радиосвязи в реальном масштабе времени, электромагнитным полем в поглощающих средах. The aim of the invention is to increase the range of speech radio communications in real time, by an electromagnetic field in absorbing media.

Способ заключается в том, что в полной мере используются частотные свойства прозрачности среды для электромагнитного поля и речевого спектра, для чего передают инвертированный и смещенный в область низких (нулевых) частот, предварительно выделенный из речевого сигнала наиболее информативный диапазон речевого спектра, и восстанавливают спектр на приеме, что позволяет увеличить дальность действия радиосвязи. The method consists in the fact that the frequency properties of the transparency of the medium for the electromagnetic field and the speech spectrum are fully used, for which they transmit the most informative range of the speech spectrum inverted and shifted to the low (zero) frequency range, previously extracted from the speech signal, and restore the spectrum to reception, which allows to increase the range of radio communications.

Кроме того, предлагаемое инвертирование речевого спектра сделало возможным поставить высокочастотные составляющие сигнала имеющий малый амплитудный уровень в наиболее благоприятные условия распространения, что одновременно позволило повысить разборчивость принимаемой информации, т.к. разборчивость речи в большей степени зависит от высокочастотных компонент в спектре сигнала. In addition, the proposed inversion of the speech spectrum made it possible to put the high-frequency components of the signal having a small amplitude level in the most favorable propagation conditions, which at the same time improved the intelligibility of the received information, since speech intelligibility is more dependent on the high-frequency components in the signal spectrum.

Общее понижение частот передаваемого сигнала и перенос составляющих речевого спектра в диапазон частот, непригодный для передачи высокочастотных сигналов, определяющих его разборчивость, в область частот, наиболее благоприятных для распространения, позволили качественно использовать физические принципы распространения электромагнитных волн в поглощающей среде и принципы формирования разборчивости речи, ранее не реализованные среди известных технических решений по передаче и приему информации в реальном масштабе времени с сохранением абсолютной полосы частот в поглощающей среде электромагнитным полем сигнала. The general decrease in the frequencies of the transmitted signal and the transfer of the components of the speech spectrum to a frequency range unsuitable for transmitting high-frequency signals that determine its intelligibility to the frequency range most favorable for propagation made it possible to use qualitatively the physical principles of the propagation of electromagnetic waves in an absorbing medium and the principles of the formation of speech intelligibility, previously not implemented among well-known technical solutions for the transmission and reception of information in real time with Niemi absolute bandwidth in the absorbing medium the electromagnetic field signal.

Введение новых признаков (операции понижения частот для передаваемого высокочастотного спектра сигнала в совокупности с операцией инвертирования частот-составляющих речевого спектра сигнала) позволяет отличить заявленный способ от всех известных технических решений и охарактеризовать его в том качестве, которое проявляется в положительном эффекте повышении дальности связи электромагнитным полем в реальном масштабе времени с сохранением абсолютной полосы частот, что является целью изобретения. The introduction of new features (lowering operations for the transmitted high-frequency spectrum of the signal in conjunction with the operation of inverting the frequency components of the speech spectrum of the signal) allows us to distinguish the claimed method from all known technical solutions and to characterize it in the quality that manifests itself in the positive effect of increasing the communication range by the electromagnetic field in real time while maintaining the absolute frequency band, which is the aim of the invention.

Следовательно, указанные отличительные признаки являются существенными, а предлагаемое техническое решение отвечает критерию существенные отличия. Therefore, these distinguishing features are significant, and the proposed solution meets the criterion of significant differences.

На фиг. 1 представлен пример реализующий способ речевой радиосвязи электромагнитным полем в едином масштабе времени через поглощающую среду, где показано неизвестное ранее взаимодействие инвертированного и смещенного вниз, по оси частот, речевого спектра зависимости вида примерно 1/f², где f
мгновенная частота передаваемого речевого сигнала и экспоненциального затухания электромагнитного поля, что существенно отличает от известных способов связи и дает новое качество в виде увеличения дальности радиосвязи.In FIG. Figure 1 shows an example that implements a method of speech radio communication by an electromagnetic field in a single time scale through an absorbing medium, which shows the previously unknown interaction of the inverted and downward, along the frequency axis, speech spectrum of the dependence of the form approximately 1 / f ² , where f
the instantaneous frequency of the transmitted speech signal and the exponential attenuation of the electromagnetic field, which significantly differs from the known methods of communication and gives a new quality in the form of an increase in the range of radio communications.

На фиг. 2 представлен пример устройства реализующий способ речевой радиосвязи. In FIG. 2 shows an example of a device that implements a method of speech radio communication.

Устройство состоит из передатчика 1 и приемника 2. Каналом связи 3 является электромагнитное поле в поглощающей среде, например массив горных пород. Передатчик 1 включает в себя полосовой фильтр ПФ 4, преобразователь П 5 состоящий из модулятора М 6 и фильтра нижних частот ФНЧ 7, усилителя мощности УМ 8. Приемник содержит преселектор 9, преобразователь (демодулятор) Д 10 и усилитель звуковой частоты УЗЧ 11. The device consists of a transmitter 1 and a receiver 2. A communication channel 3 is an electromagnetic field in an absorbing medium, for example, a rock mass. The transmitter 1 includes a band-pass filter PF 4, a converter P 5 consisting of a modulator M 6 and a low-pass filter of the low-pass filter 7, a power amplifier UM 8. The receiver contains a preselector 9, a converter (demodulator) D 10 and an audio frequency amplifier UHF 11.

Устройство работает следующим образом. На вход ПФ 4 поступает речевой сигнал для выделения части речевого спектра вида 1/f², например от 1 до 2 кГц (фиг.3). Затем сигнал поступает на преобразователь П 5. В М 6 происходит перемножение сигнала речевого спектра с опорной частотой ω для инвертирования речевого спектра с одновременным сдвигом в область низких (нулевых) частот и подавления опорной частоты и зеркальной частоты ФНЧ 7. Согласно [4]
i = M•I_o[sin(ω_o+Ω)t+sin(ω_o-Ω)t], (1)
где i сигнал на выходе М 6, ω_o= ω,,
М индекс модуляции,
Ω частота речевого сигнала,
I₀ амплитуда речевого сигнала.The device operates as follows. At the input of the PF 4 receives a speech signal to highlight part of the speech spectrum of the form 1 / f ² , for example from 1 to 2 kHz (figure 3). Then the signal is fed to converter P 5. In M 6, the speech spectrum signal is multiplied with a reference frequency ω to invert the speech spectrum with a simultaneous shift to low (zero) frequencies and suppressed the reference frequency and the mirror frequency of the low-pass filter 7. According to [4]
i = M • I _o [sin (ω _o + Ω) t + sin (ω _o -Ω) t], (1)
where i is the signal at the output of M 6, ω _o = ω ,,
M modulation index,
Ω speech frequency,
I _{0 the} amplitude of the speech signal.

На фиг. 4 показан преобразованный спектр речевого сигнала на оси частот по выходу его с М 6. Значение второго слагаемого в формуле (1) и есть передаваемое сообщение с инвертированным и смещенным вниз по оси частот спектром. In FIG. Figure 4 shows the converted spectrum of the speech signal on the frequency axis by outputting it from M 6. The value of the second term in formula (1) is the transmitted message with the spectrum inverted and shifted down the frequency axis.

Выделенный с помощью ФНЧ 7 инвертированный полезный спектр сигнала показан на фиг. 5. Усиленный в УМ 8 сигнал излучается электромагнитными волнами в поглощающую среду 3. Пройдя через канал связи 3, сигнал поступает в приемник на вход преселектора 9. В преселекторе 9 происходит его селекция по частоте и усиление. Затем сигнал поступает в преобразователь-демодулятор 10, где происходит его восстановление, обратное преобразование, инвертирование (за счет перемножения с опорной частотой), и усиление в УЗЧ 11 восстановленного речевого сообщения. The inverted useful signal spectrum extracted using the low-pass filter 7 is shown in FIG. 5. The signal amplified in the amplifier 8 is emitted by electromagnetic waves into the absorbing medium 3. After passing through the communication channel 3, the signal enters the receiver at the input of the preselector 9. In the preselector 9, it is selected in frequency and amplified. Then the signal enters the transducer-demodulator 10, where it is restored, inverted, inverted (by multiplying with the reference frequency), and amplified in the ultrasonic scanning device 11 of the restored voice message.

В канале связи 3 электромагнитное поле сигнала подвергается затуханию по экспоненциальному закону примерно 1/f².In communication channel 3, the electromagnetic field of the signal undergoes attenuation according to the exponential law of approximately 1 / f ² .

Согласно [5] можно определить полосу прозрачности среды, зависящую от дальности радиосвязи, по формуле

где μ_o магнитная проницаемость среды, равная для горных пород 4•π•10^-7 Гн/м,
σ проводимость среды, См/м,
R -дальность радиосвязи.According to [5], it is possible to determine the transparency band of the medium, which depends on the radio range, by the formula

where μ _{o the} magnetic permeability of the medium, equal for rocks 4 • π • 10 ^-7 GN / m,
σ conductivity of the medium, S / m,
R is the radio range.

Откуда можно рассчитать дальность радиосвязи электромагнитным полем с допустимыми искажениями

Воспользуемся формулой (3) и оценим выигрыш в дальности радиосвязи, сведя полученные результаты в таблицу.Where can I calculate the radio range of an electromagnetic field with acceptable distortion

We use the formula (3) and evaluate the gain in the range of radio communications, bringing the results to a table.

Выигрыш в дальности связи составляет не менее 40%
По результатам расчета на фиг. 6 представлен график, иллюстрирующий зависимость дальности радиосвязи от используемой частоты в спектре передаваемого сигнала. Откуда видно, что при передаче речевого спектра с инверсией и с одновременным его сдвигом вниз, дальность радиосвязи увеличивается на величину ΔR.The gain in communication range is at least 40%
According to the calculation results in FIG. 6 is a graph illustrating the dependence of the radio range on the frequency used in the spectrum of the transmitted signal. It can be seen that when transmitting the speech spectrum with inversion and with its simultaneous shift down, the radio range increases by ΔR.

Одновременно, как хорошо видно из иллюстраций, коррекция, эффект подъема верхних частот спектра речи, -определяющий элемент разборчивости, а частотный завал нижних частот каналом радиосвязи компенсируется самим речевым спектром речи [6]
Использование предлагаемого способа речевой радиосвязи позволяет увеличить дальность связи при тех же значениях излучаемой мощности или при той же дальности снизить излучаемую мощность, а также способ повышает надежность действия канала связи.At the same time, as can be clearly seen from the illustrations, the correction, the effect of raising the high frequencies of the speech spectrum, is the determining element of intelligibility, and the frequency blockage of the lower frequencies by the radio channel is compensated by the speech speech spectrum itself [6]
Using the proposed method of speech radio communication can increase the communication range at the same values of the radiated power or at the same range to reduce the radiated power, and the method improves the reliability of the communication channel.

Источники информации
1. Зикун Г.А. Лужнев Ю.М. Пожар Э.Л. Аппарат подземной высокочастотной горноспасательной связи "Донецк-1м" Уголь, N 11, 19741, с. 53-56.Sources of information
1. Zikun G.A. Luzhnev Yu.M. Fire E.L. The apparatus of the underground high-frequency rescue communication "Donetsk-1m" Coal, N 11, 19741, p. 53-56.

2. Яцышин В.И. Цатурян Э.Н. Мясников Ю.Г. Оптимальный способ организации подземной геофизической связи на шахтах. Уголь Украины, N 3, 1983, с. 31-32. 2. Yatsyshin V.I. Tsaturyan E.N. Myasnikov Yu.G. The best way to organize underground geophysical communication in mines. Coal of Ukraine, N 3, 1983, p. 31-32.

3. Криницын Л. А. Выскубенко В.П. Система беспроводной шахтной связи с синфазно возбуждаемыми диполями. Горный журнал. Изв. выш. учеб. зав. N 1, 1978, с. 74-76 прототип. 3. Krinitsyn L. A. Vyskubenko V.P. Wireless mine communication system with in-phase excited dipoles. Mountain Journal. Izv. above textbook. Head N 1, 1978, p. 74-76 prototype.

4. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Ч.2.-М. Советское радио. 1967, с 106-109. 4. Gonorovsky I.S. Radio circuits and signals. Part 2.-M. Soviet radio. 1967, pp. 106-109.

5. Огороднейчук И. Ф. Журавлев И.Я. Яцышин В.И. Низкочастотная беспроводная связь в шахтах. М. Недра, 1975, с. 63. 5. Ogorodneichchuk I. F. Zhuravlev I.Ya. Yatsyshin V.I. Low-frequency wireless communication in mines. M. Nedra, 1975, p. 63.

6. Вемян Г.В. Передача речи по сетям электросвязи. М. Радио и связь, 85, с. 12-13. 6. Vemyan G.V. Voice over telecommunication networks. M. Radio and Communications, 85, p. 12-13.

Claims

The method of speech radio communication through an absorbing medium in real time, which consists in transmitting the most informative speech spectrum previously extracted from the speech signal, receiving and restoring the speech signal, characterized in that before transmitting the informative speech spectrum is selected from a condition in which the speech spectrum the signal has the form 1 / f ² , where f is the spectral frequency of the speech signal, the received signal with the most informative spectrum is inverted and moved to the low frequency region.