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Title:
METHOD AND DEVICE FOR AUDIO TRANSMISSION AND RECEPTION FOR BIDIRECTIONAL COMMUNICATION BY MEANS OF CURRENT INJECTION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/013374
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to underground bidirectional communication between the inside of the underground site and the outside or surface, and also to communication between two outside sites, allowing two operating modes: reception and transmission. Such communication is based on TTE technology by current injection, and is advantageous in that it does not require the installation of underground, nor outside, infrastructure. Furthermore, both reception and transmission are based on digital technology, allowing the use of various modulation techniques and other processes on the audio signal.

Inventors:
VILLARROEL SALCEDO JOSE LUIS
MUNOZ FUMANAL ANTONIO (ES)
CUCHI OTERINO JOSE ANTONIO (ES)
Application Number:
PCT/ES2008/000511
Publication Date:
January 29, 2009
Filing Date:
July 18, 2008
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Assignee:
UNIV ZARAGOZA (ES)
VILLARROEL SALCEDO JOSE LUIS
MUNOZ FUMANAL ANTONIO (ES)
CUCHI OTERINO JOSE ANTONIO (ES)
International Classes:
H04B13/02
Foreign References:
US2499195A1950-02-28
GB1257299A1971-12-15
FR2121778A11972-08-25
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Claims:

R E I V I N D I C A C I O N E S

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 porgue 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 una entrada conectada a la salida de la etapa de traslación de frecuencia (3), una primera salida digital conectada a una entrada de dicha etapa de traslación de frecuencia (3) y 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 entregar en la primera salida digital al menos una señal de mezcla destinada a controlar

Ia etapa de traslación de frecuencia (3) y entregar en la segunda salida digital una señal de audio modulada por ancho de pulso.

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 .

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 generar una señal con la determinada técnica de modulación a una frecuencia central dentro de la banda de frecuencias determinada, y entregar en la salida digital la señal a la frecuencia central modulada por ancho de pulso.

10.- Dispositivo de transmisión según reivindicación 9, caracterizado porque adicionalímente 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.

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 porgue 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.

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.

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.

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.

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.

Description:

MéTODO Y DISPOSITIVO DE TRANSMISIóN Y RECEPCIóN DE AUDIO PARA COMUNICACIONES BIDIRECCIONALES MEDIANTE

INYECCIóN DE CORRIENTE

D E S C R I P C I ó N

CAMPO TéCNICO DE LA INVENCIóN

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.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIóN

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.

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, 30kHz-300kHz) y media frecuencia ("Médium Frequency", en inglés, 300kHz-3MHz) . 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.

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.

TaI 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.

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 1OkHz 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 11- 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 1OkHz. 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 mkll 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 .

DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN

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 adecúan 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. 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 5kHz y 30OkHz. 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.

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 30OkHz. 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.

-U-

- 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. Otro aspecto de la invención se refiere a un dispositivo para comunicaciones bidireccionales portátil de tipo semi-dúplex ( "half-dúplex" , 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 TaIk"), 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 5kHz y 30OkHz (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.) .

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. 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.

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.

DESCRIPCIóN DE LOS DIBUJOS

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 .

REALIZACIONES PREFERENTES DE LA INVENCIóN

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 (IV). 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 limites 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.