Método y dispositivo de transmisión y recepción de audio para comunicaciones bidireccionales mediante inyección de corriente.

La invención se aplica en comunicaciones bidireccionales subterráneas, entre el interior de la localización subterránea y el exterior o superficie, siendo igualmente válida para la comunicación entre dos puntos del exterior-exterior, permitiendo dos modos de operación: modo recepción y modo transmisión. Tal comunicación se basa en la tecnología TTE por inyección de corriente, con la ventaja de que no requiere la instalación de infraestructura subterránea ni tampoco en el exterior. Además, los procesos tanto en recepción como en transmisión están basados en tecnología digital, permitiendo el uso de diversas técnicas de modulación y otros procesados sobre la señal de audio

Método y dispositivo de transmisión y recepción de audio para comunicaciones bidireccionales mediante inyección de corriente.

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

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 10 kHz 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 77º 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 10 kHz. 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...

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 porque 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

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

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

10. Dispositivo de transmisión según reivindicación 9, caracterizado porque adicionalmente 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 porque 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:

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:

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.