透地应急无线电台系统的制作方法

本发明涉及透地(TTE)通信领域，并且更具体地涉及在紧急情况期间使用的TTE系统。

背景技术：

在紧急情况下，例如在地铁隧道或其它地下结构中的火灾或爆炸的善后工作中，需要紧急救援人员进入隧道并实施救援和消防工作。在这类事件中，任何现存的可以能够适当使用的通信系统经常不再起作用。为了协调工作并且保证紧急救援人员的安全，他们迫切需要有和地面的通信链路。透地(TTE)通信系统能够穿过坚硬的岩石或其它坚硬的材料(例如地铁隧道上的负重)进行通信。这个负重可以典型地包括含有各种岩石、泥土、沙子、碎石和混凝土的材料，其中的一些材料由于在溶解中或在混凝土、钢筋情况中携带的离子的出现可能具有高导电率。当很多地铁隧道和建筑物的地下区域小于地表面以下100m时，为了提供穿过这个材料的通信链路，TTE通信系统必须在低频率(通常在300Hz到3kHz范围的ULF频带内)操作。

由于所涉及的信号的超大波长，在使用传统天线结构的这个频带中，电磁场平面波不能被发射。相反地，TTE通信系统使用磁感应或电流注入来发射穿过坚硬材料的信号。在磁感应中，含有由调制电流驱动的导线环路的发射天线被用以生成随时间变化的磁场，该磁场之后被链路远端的第二环路天线拦截。接收环路生成与调制磁场成比例的输出电压。像在传统无线电系统中，该电压之后被滤波和解调以恢复调制数据。在电流注入方法中，发射器与一对直接被插入地面或负重中的宽间隔电极相连接。调制发射器输出在电极之间产生电位差从而引起电流流动和扩散穿过负重。位于表面的第二对电极将会探测由这个电流流动引起的电位差。如上所说，这个输出电压之后可以被滤波和解调以恢复调制数据。

这两个技术一般都需要一个或多个部署的导线以产生环路天线或连接至电极，通常对深度100m的操作，使用导线的长度大于30m。这在紧急情况下是不实用的，其中空间可能被限制并且发射天线导线可能会在操作期间被损坏。在存在水或有害大气时，由于使用的高电流和电压，发射天线导线也可能存在安全隐患。对于必须是便携的并且快速部署的设备而言，用于电流注入的电极的安装也不实用。另外，在城市区域，ULF频带也包含大量的由电子器械和电力线产生的人为电磁噪声。这些由未被事件影响的电力线发射出的噪声在地上和地下存在并且在紧急事件之后将会出现。

技术实现要素：

这里描述的实施例可以提供透地无线电台用于应急通信。

这里描述的实施例可以提供一种方法或装置，用于借助于能够透过地面或其它坚硬的厚障碍物的非常低频率的磁场或电场提供无线通信。这里描述的实施例可以提供一种系统，该系统能够被携带并部署用于应急通信并且也能够容忍源自AC电力线和设备的人为电磁场噪声。这里也描述了一种方法，用于透过地面发射能够容忍高电平人为电磁噪声的信号。本系统可以不要求部署长导线天线，在有害条件下可以是安全的，并且可以稳健对抗电力线噪声影响。

根据一个方面，提供有一种透地(TTE)应急无线电台，包括壳体、发射器、发射天线、接收器、至少一个接收天线、电源、无线通信端口和信号处理器，该信号处理器被连接至发射器和接收器并且被配置用于调制和解调具有至少两个独立间谐波频率的波形。

根据另一方面，提供有一种提供透地(TTE)通信链路的方法，该方法包括：确定交流电(AC)电力线噪声的基频；输入代表文本消息、数字编码语音或其它数据的数据流；以及对N个数据块和附加符号执行傅里叶逆变换，以产生一个含有N个独立调制载波的间谐波调制(IHM)波形。根据一些实施例，可以有第M个载波的频率是F_m＝(M+0.5)*F_ac，其中M是范围1到N的正整数，F_ac是AC基频。

在一方面中，这里描述的实施例可以实施多载波调制方法作为改善给定通信链路上的SNR的方式。方法或设备可以涉及在多个数学相关载波上传输数据以便信号位于人为噪声的谐波频率之间。

在一方面中，这里描述的实施例可以提供方法或设备，该方法或设备可以涉及使用大振幅限制以获得高功率效率；以在2400bps以下操作的简短文本消息和语音编解码为特征的矿井应急通信的最佳峰值系数可以是1.4，或在其预定义范围内。一个实用的示例实现可以是用于矿井通信。

在一方面中，这里描述的实施例可以提供方法或设备，该方法或设备可以涉及使用纠错编码(例如里德-所罗门(Reed-Solomon)编码)以修正由限幅引起的数据误差。

附图说明

本发明另外的特征和优点在以下结合附图作出的详细描述中将会变得明显，在附图中：

图1是TTE应急无线电台系统的系统图；

图2是在城市环境中的人为噪声的频谱图；

图3是TTE应急无线电台壳体的图；

图4是TTE应急无线电台的框图；

图5是TTE应急无线电台壳体的横截面图；

图6是间谐波调制信号的频谱图；

图7是具有一个发射器和发射天线的备选实施例的框图；

图8是从100Hz到10kHz的TTE信道的振幅和相位图；

图9是测试结果的说明图。

需要注意的是，贯穿附图，相同的特征由相同的参考标号标明。

具体实施方式

在一个实施例中，透地应急无线电台(TER)在透地(TTE)通信链路的每个端部被使用，以在地面和地下某位置之间提供通信。图1是这个配置的系统级图。地下救援人员1使用移动无线电台2通过传统无线电台链路4向位于地下的TER 3发送语音或文本数据。TER3借助于由调制磁场提供的TTE链路6向位于地面上的第二TER 5发送语音和数据信息。调制磁场6的频率是使其能够透过负重7，并且通常可以在800Hz到4000Hz的范围内。TER 5之后经由第二无线电台9和传统无线链路10向位于地面的救援人员8发射语音和数据信息。数据也可以被发射到语音或数据网络11。

磁感应可以用于TTE链路6以允许系统可移动并且快速部署。用于电磁感应的发射和接收环路天线都被合并入TER 3、5的壳体内，该壳体可以是无外部连接器的完全密封的单元。壳体也可以是防水的。在内部故障产生火花的情况下可能燃烧的任何有害气体的进入，可以通过在内部填充封闭式泡沫被避免。由每个TER 3、5发射的磁场的大小受便携性所需的天线的小面积以及电池的容量和电压所限制，电池可以基于锂离子技术以最小化其重量。其它的电池技术，例如磷酸铁锂、镍氢或镍镉也可以被使用。

在10kHz以下的频率上操作意味着接收器也将被暴露于特别是来自于附近配电线路的人为噪声。图2是显示噪声如何正好延伸通过用于TTE通信的频带的这个噪声波形的频谱图。在噪声频谱内被正确定义的峰值发生在AC配电网的谐波频率上。这个噪声的出现可以引起数据符号被错误地解调，在向终端用户显示失真的语音通信或损坏的文本数据的噪声级的宽阔范围上产生接收数据中的误差。如果噪声级足够高，它可以阻止接收器捕获与发射器同步的频率或相位，完全阻塞TTE传输。噪声通常集中在电力线频率的谐波上。由于在发射器和天线上的限制，在距离100m处接收到的磁场可能不足够强大以允许使用传统调制方法(例如FSK或QPSK)的可靠通信。TER 3、5因此使用间谐波调制，在间谐波调制中信号在中心频率位于电力线谐波的频率之间并且噪声级通常在20dB到30dB之间、低于谐波频率的多个调制载波上传输。与传统单载波TTE调制相比，这里提供对接收器敏感度的对应改进并且提供在两个TER 3、5之间更可靠的通信链路。

在一些实施例中，TER壳体是由玻璃纤维环氧树脂或乙烯基酯复合材料或其它不导电材料(例如丙烯酸塑料、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、硅橡胶、纤维增强塑料、三元乙丙橡胶或复合聚合物材料)制成的密封环的形式。TER壳体的示例尺寸可以是70*50*9cm并且它的示例重量是小于8kg以便它可以易于被一个人携带和部署。可以不使用手、而使用背带或将它系在已有呼气装置上，来在一个人的背上携带它。图3阐述了可以包含发射天线和接收天线以及无线电台所有部件的TER壳体31的一个示例实施例。电子器件和电池可以被容纳在位于壳体31的加厚端32处的隔离底盘内，同时接收天线位于壳体31的相对端33处以最小化从有源电子器件的噪声拾取。在这个实施例中，唯一的操作员控制是磁开启/关闭开关 34，磁开启/关闭开关34安装在用以控制单元内继电器的壳体31的外部。一组LED状态指示器也被容纳在单元内部并且通过模铸在壳体31中的透明窗口35可以被看到。

图4是TER 3、5的示例框图，TER 3、5包括封入用于通信的电子器件和天线的壳体31和用于支撑TER 3、5并且在不使用时给TER3、5充电的充电底座41。充电底座41可以由外部AC电源42提供电力并且包括电力转换器43和感应充电环路44。感应充电环路44通过位于壳体31内的第二环路46将电力从充电底座41传送到TER电池充电器45。通过这种方式，TER电池47可以在位于底座41上的同时被维持在满电状态，而不需要将会穿过壳体的有线连接。

当开启时，电源48将电池电压转换为由信号处理器49、发射器410、接收器411和无线电模块412需要的不同电源电压。三个TER接收天线413可以沿正交轴线布置，以便信号可以被TER 3、5从任意方向接收，而不必对准壳体。如图1中所阐述，TER 3、5因此可以通过简单将它置于水平表面上被部署。接收天线413可以被置于壳体31的远离其它电子器件的相对端处以便最小化它们与电子电路的其余部分中的噪声源的耦合。来自接收天线413的信号，在被以数字形式发送到信号处理器49之前，被三个信道接收器411放大、滤波和取样。在接收时，信号处理器49对从三个天线413接收的信号执行定时恢复、同步、解调和解码的功能。

在发射时，信号处理器49综合用于驱动发射器410的PWM信号414形式的多载波波形。在一些实施例中，发射器410包括四个独立的全桥式转换器415(即PWM放大器)，每一个全桥式转换器415与独立的天线环路416连接。这些环路可以被连接并布置使得来自每个环路的场叠加以增大被发射的磁场的强度。

TER 3、5充当无线通信端口并且可以包括独立的都被安装在壳体31内的低功率无线电模块412和天线417。由来自TTE链路远端(如地面)的信号处理器49接收的语音或数据被发送给双向无线电台412并且发射给位于TER外部的移动无线电设备2、9。由移动无线电设备2、9发射的语音或数据通信被无线电模块412接收，发送给信号处理器49并发射给TTE链路远端。无线电模块412可以是通常被地上应急救援人员使用的公共安全无线电，例如那些在800MHz、UHF或VHF频带下操作的无线电。备选地，无线电模块412可以是能够与支持Wi-Fi的移动设备通信的Wi-Fi接入点。语音和数据都可以被转发到外部无线电2、9并且从TER 3、5被转发到外部无线电2、9。

图5是一个含有发射天线的TER壳体31的示例实施例的横截面，发射天线包括四个独立的由绝缘导线在单个平面中构成的螺旋形环路416。独立环路和每个环路的匝数可以被分离以最小化发射器负载的阻抗并且由占据壳体内所有空间的泡沫芯51所支撑。TER可以被建造成允许发射天线环路416被安装并且封装的镜像两等份52、53。在安装和连接剩余的电子器件之后，两等份52、53可以被粘合在一起然后在边缘54周围密封，使得整个组件防水。由于发射天线被密封，天线导线的损坏风险被大大降低，允许TER被用在浸水位置中。由于TER壳体不包含开口，并且除电子器件底盘之外被泡沫填满，仅仅少量的任意外部气体将能够进入壳体。通过限制最大内部内电压和电流到低值，任何产生放电或火花的内部故障将不会引起外部有害大气的燃烧。

如上所述，TER发射天线可以完全被封入一个小的壳体中以便使得该单元足够小以易于一个人携带或简单部署。由天线产生的磁场与环路的面积、匝数和环路电流成比例。TER天线的小面积可以通过使用多个匝被补偿。决定在给定频率下电流的天线的电感与不可以制成任意大的匝数的平方成比例。例如，一个尺寸为70*50*9cm且构造有四个独立环路416的原型TER天线在4kHz下具有1.5欧姆的阻抗，其中每个环路具有5匝的螺旋并且环路和各个绕组均隔开2cm。当通过具有最大输出电压12V的PWM发射器驱动时，在每个环路中的AC电流则是8A峰值。由于由天线阻抗的阻性成分产生的I²R损耗引起的PWM发射器的DC功耗小于12W。在100m范围内，该天线产生4E-12T的磁通密度。这是比在大多数城市环境中的人为噪声低的。为了提供具有这个尺寸的天线的可靠通信链路，展现对人为噪声高容忍性的TTE链路被使用。这使用用于TTE通信的调制方法(被称作间谐波调制(IHM))来实现，TTE通信的调制方法利用TTE信道的已知特点，特别是人为噪声的频谱分布。

图4的信号处理器49可以在TER 3、5内进行所有调制和解调功能，包括在TTE链路上发射的IHM波形的合成。这个波形可以包括多个独立载波频率，每个载波频率被代表输入数据和附加比特的符号调制。载波频率位于本地AC配电系统的基频的间谐波频率，第M个IHM载波的频率F_m＝(M+0.5)*F_ac，其中M是范围0到N的正整数，F_ac是AC基频。调制符号速率被设置以便每个载波被占据的带宽小于间谐波频率间隔(也就是F_ac)。由这个波形产生的磁场因而在频谱中集中于在AC电力谐波频率下出现的噪声最低(通常在峰值水平以下20dB到30dB)的位置处。图6是具有32个间隔60Hz的调制载波的IHM波形的示例频谱图。第一个载波的中心位于2730Hz，第32个载波的中心位于4590Hz。

在一些实施例中，信号处理器49合成通过对N个数据的块和附加符号执行傅里叶逆变换产生的发射信号以生成N个独立调制载波。由这个传输机制支撑的总传输数据速率R由R＝N*S*B给出，其中N是子载波数，S是符号速率，B是每个符号的比特数。如果使用四相相移键控(QPSK)进行这个调制，则B＝2，如果单个子载波占据30Hz，即间谐波间隔的50％，那么S＝33.3符号/秒，这导致每子载波66.6比特/秒的数据速率。为了在两个方向(全双工)的发射速度在600比特/秒，至少需要18个载波。然而，为了使用逆FFT合成波形，N应当是2的整数次幂。因此，为了发射语音数据，需要的载波的最小数量是N＝2⁵＝32个载波，提供1920比特/秒的总吞吐量。其它的容量可以被用来运载附加比特、信号数据比特或纠错和检测比特。因为在谐波之间间隙处的剩余噪声基本上是白噪声，所以可以使用前向纠错(例如里德-所罗门码、卷积码或涡轮码)来进一步改进接收器的敏感度。在初始同步过程中，或对于数据传输，调制符号速率可以被降低至例如12Hz或间谐波间隔的20％，以便进一步减小被每个调制载波占据的带宽。用于每个调制载波的接收滤波器的带宽然后也可以被减小，因此改善接收器的信噪比。

包含多个载波的波形的特点之一是峰值信号电压或电流与平均信号电平相比可以非常高。如果这个高峰值导致发射放大器的非线性操作，那么输出波形可能变得失真并且能在解调时产生误差。对于使用低比特率语音编解码的语音通信，比特误码率(BER)应当被维持在低于0.2％(每1000个比特中2个误码)以避免清晰度的显著降低。

峰值与平均信号电平的比率，或峰值系数(CF)，与√N成比例，其中N是载波数。通常，为了避免波形的任何失真，最大发射器电流应当对应峰值电平，但是这会导致平均发射器电流远远小于单个载波系统，导致在远端接收器相应较低的信号。然而，最大CF很少发生。对于具有32个QPSK调制载波的波形，峰值系数大于2.9dB或9dB将会在少于0.2％的时间发生。信号因此可以被限制或裁减以便不降低语音质量的情况下给出2.9的CF，但是这仍然会导致与单个载波系统相比，在平均接收信号电平中9dB的降低。为了缓和这个问题，可以将N个数据符号分配给四个均包含(N/4)载波的独立IHM波形，并且每个波形通过四个独立PWM放大器415之一被发射，每个波形通过独立PWM信号414驱动并且与四个独立发射天线环路416之一连接。这样将每个信号中的最大峰值系数减小√4＝2，或6dB。在每个环路中的平均电流因此可以是较高的6dB，即仅仅小于最大值3dB，但是信号处理器必须进行4个独立的IFFT，以合成四个独立PWM波形。

在备选实施例中，单个PWM波形被用于同时合成所有的N个载波。这利用在TER链路中使用的低符号速率，这意味着在被发送的电流中的峰值在时间上被远远隔开。在大多数应急通信中，语音消息简短(小于60s)，因此BER仅仅需要在这段时间上被维持在小于0.2％。通过N＝32QPSK系统的仿真，已经被确定的是，对于0.2％的BER，在振幅被限制以便峰值和平均值的比率被降低到1.4或2.9dB时，可以获得可能优选的灵敏度。在这个实施例中，由TER产生的磁场的平均电平与类似的单载波系统的平均电平相同，但是仅信号处理器需要执行单个IFFT运算，简化了处理要求。在这个实施例中，由于仅仅一个PWM波形被信号处理器49合成，如图7所示可以使用备选发射器配置。在这个布置中，单个PWM信号71由信号处理器49生成并且图4中的四个独立发射器415被驱动单个发射天线环路73的单个发射器72取代。为了提供相同的磁场，天线环路73应当具有和图4中描述的独立环路416同样的面积和四倍的匝数。TER框图的其它部分与图4相同。

包括T_x天线和R_x天线以及透过地面的传播路径的TTE信道的振幅和相位响应也可以使发射波形失真。T_x天线电感可以引起在发射器环路内的电流与频率成比例地减小。因此对于N＝2并且间隔60Hz的多载波系统，被占据的带宽是1920Hz。如果第一载波频率位于1050Hz，最高载波频率将是2910Hz。在这个频率下，发射器电流和因此的辐射磁场将会比在1050Hz小2.77倍。相反，由于法拉第效应，R_x天线输出根据频率而增大，因此组合天线响应的净效应在于产生大致均匀的振幅响应。

归因于在弱传导负重中产生的涡电流，TTE信道的响应也具有低通响应。这个衰减随频率增加并且也随负重的深度和导电率增加，并且可以相当显著，减小了在较高频率下的接收信号电平。接收器可以使用滤波器以衰减基础电力线频率，基础电力线频率可以在非常高的电平并且能够引起接收器饱和。如在图8中说明性描述的，这个低频衰减给总体频率响应一个低通的特性。这里绘出了在深度100m且从100Hz到10kHz体导电率为0.02S/m的情况下TTE信道的总体振幅和相位变化。在2kHz到4kHz之间，信道展现6dB的振幅变化。

在一些实施例中，通过调节每个发射载波的振幅以补偿发射天线、接收器和透地传输路径的非均匀振幅特性，信号处理器49可以补偿跨TTE信道的振幅变化。因为T_x天线和R_x天线的效应抵消并且接收器滤波器的频率响应已知，所以响应中的变化由透地传输路径的深度和导电率参数决定。应用于每个载波的振幅调节可以由信号处理器根据已知的接收器响应和透地传输路径的参数来自动计算。这些参数通过在外部移动无线电上提供的应用或用户界面被输入到系统中。备选地，振幅失真可以从由链路的相对端接收的载波的相对振幅中被估算。

TTE信道也可以生成在发射器和接收器之间在被发射的IHM波形的带宽上变化的相位偏移。相位根据频率的变化生成能够引起接收符号被重叠、导致符号间干扰的群延迟。这个群延迟可以由信号处理器根据接收器和天线频率响应以及如上所描述可以被输入的TTE路径的深度和导电率来自动计算。信号处理器可以通过对每个被发射的数据块附加循环前缀来去除符号间干扰，其中循环前缀的长度大于被估算的群延迟的最大值的2倍。

根据上述内容，可以使用称作间谐波调制的通信方法，以在存在人为噪声的情况下通过利用已知的这个噪声的频谱分布来允许透地通信。在一些实施例中，该方法包括步骤：确定AC电力线噪声的基频；输入代表文本消息、数字编码语音或其它数据的数据流；和对N个数据的块和附加符号执行傅里叶逆变换以生成含有N个独立调制载波的单个间谐波调制波形，其中第M个载波的频率F_m＝(M+0.5)*F_ac，其中M是范围1到N的正整数，F_ac是AC基频。

该方法还可以包括步骤：评估TTE信道的操作深度和体导电率。误差检测或纠正比特和/或其它附加比特可以被添加到数据。波形可以被转换为一个或多个PWM信号并且这些PWM信号可以被用于控制来自和一个或多个环路天线连接的PWM发射器的输出。IHM磁场在使用一个或多个环路天线的接收器处可以被检测到。被接收的信号可以被放大和/或过滤以去除带外干扰。来自环路天线的信号可以被组合以最大化在接收器处的信噪比。可以对接收的IHM信号执行FFT运算以恢复被传输的数据和附加符号。数据流可以被重新组装以提供以文本消息、数字编码语音或其它数据为形式的输出。

在一方面，这里描述的实施例提供通过使用多载波调制方法作为改善在给定链路上的SNR的方式进行通信的设备。

该设备可以在多个数学相关载波上传输数据以便信号位于人为噪声的谐波频率之间。

该设备可以使用大振幅限制来获得高功率效率。

作为一个示例，利用简短文本消息和在2400bps以下操作的语音编解码的矿井应急通信的优化峰值系数可以是1.4，或者在1-20范围内，或者否则依赖于环境参数(例如，矿井通信的实现)。

在一方面，这里所描述的实施例提供使用纠错编码(例如，里德-所罗门编码)的设备以修正由限幅引起的数据误差。

图9是测试结果的说明图。对于这个示例，该图绘制了误码率(BER)相对于IHM和QPSK调制的归一化信号电平的关系。对于这个例子，该图示出了误码率BER相对于在实验位置处的R_x信号电平的关系。利用32个载波，新的IHM调制方法为应急通信提供可接受的BER，即在归一化信号电平16dB是0.1％，低于传统单载波QPSK调制方法所需的BER。这是一个这里所描述的多种实施例的一方面的说明性非限制例子。

尽管在图中示出为成组的离散部件经由不同数据信号连接彼此通信，但本领域技术人员将理解到，本实施例由硬件和软件部件的组合提供，其中一些部件由硬件或软件系统的给定功能或操作实现，以及很多所示的数据路径由计算机应用或操作系统内的数据通信实现。所示结构因此被提供用于高效地教导本实施例。本发明可以作为方法被实施并且可以在系统中或在计算机可读介质上被实施。上述描述的本发明的实施例仅仅意在示范。