СПОСОБ РЕЧЕВОЙ РАДИОСВЯЗИ ЧЕРЕЗ ПОГЛОЩАЮЩУЮ СРЕДУ Российский патент 1997 года по МПК H04B11/00 

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Передача речевых сигналов осуществляется здесь без несущего колебания, путем прямого электромагнитного излучения наиболее информативной части низкочастотного речевого спектра.

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.

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.

Целью изобретения является повышение дальности речевой радиосвязи в реальном масштабе времени, электромагнитным полем в поглощающих средах.

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.

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.

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.

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.

Следовательно, указанные отличительные признаки являются существенными, а предлагаемое техническое решение отвечает критерию существенные отличия.

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.

На фиг. 2 представлен пример устройства реализующий способ речевой радиосвязи.

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.

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.

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.

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.

В канале связи 3 электромагнитное поле сигнала подвергается затуханию по экспоненциальному закону примерно 1/f².

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.

Откуда можно рассчитать дальность радиосвязи электромагнитным полем с допустимыми искажениями

Воспользуемся формулой (3) и оценим выигрыш в дальности радиосвязи, сведя полученные результаты в таблицу.

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.

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.

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.

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.

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.

4. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Ч.2.-М. Советское радио. 1967, с 106-109.

5. Огороднейчук И. Ф. Журавлев И.Я. Яцышин В.И. Низкочастотная беспроводная связь в шахтах. М. Недра, 1975, с. 63.

6. Вемян Г.В. Передача речи по сетям электросвязи. М. Радио и связь, 85, с. 12-13.

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. Способ заключается в том, что в полной мере используются частотные свойства прозрачности среды и речевого спектра, для чего передают инвертированный и смещенный в область низких (нулевых) частот, предварительно выделенный из речевого сигнала наиболее информативный диапазон речевого спектра, а восстанавливают спектр на приеме, что позволяет увеличить дальность действия связи. 6 ил., 1 табл.

Способ речевой радиосвязи через поглощающую среду в реальном масштабе времени, заключающийся в том, что передают предварительно выделенный из речевого сигнала наиболее информативный речевой спектр, принимают и восстанавливают речевой сигнал, отличающийся тем, что перед передачей информативный речевой спектр выбирают из условия, при котором спектр речевого сигнала имеет вид 1/f², где f спектральная частота речевого сигнала, полученный сигнал с наиболее информативным спектром инвертируют и перемещают в область низких частот.