经由大地的无线通信的制作方法

专利名称：经由大地的无线通信的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及无线通信，更具体的，涉及到或来自地下位置的经由大地的(through-the-earth)通信。本发明根据美国能源部授予的合同W-7405-ENG-36，得到政府的支持而进行。政府对于本发明享有一定的权利。
背景技术：
任意时刻个人或设备位于地下，例如在矿井、隧道或井眼中时，需要一种经由大地的通信。在过去，这种通信有问题并通常是无效的。虽然在固定点之间的电话线提供了一些通信措施，但在紧急情形中难以或不可能到达这些固定位置。此外，即使在正常条件下，移动通信也有必要执行特殊功能。
传统的无线通信使用高于500kHz的频率。这些较高频率信号通常在沉积岩中只能传输1-10米。通过使用较低的频率传输能获得更强的穿透性，但是发射和接收端通常都需要非常大的天线来克服典型的半导体元件中固有的电子噪声。因此，已经证明和地下位置直接的无线通信是非常困难的。
其它在地面尝试到地下的通信包括使用隧道结构作为传输线，通常是将载波耦合到电力线上(参见美国专利4,777,652)。还开发了其它系统，使用称为泄漏馈缆(leaky feeder)的具有较弱有限场的电缆，以及多个转发器，将UHF或VHF无线服务带到地下。另一种方法是和由电缆连接的收发机阵列通信(参见美国专利6,370,396)。该方法必须在有限范围内，并由于电缆受损而易于中断。因此很清楚目前并不存在一种有效的无线地下通信系统。
先前的经由大地的通信的尝试通常涉及寻呼系统(参见美国专利6,263,189)。这种类型的系统易于以仅使用现有接收机的单向形式实现。发射机可能非常大，但这通常不是问题，因为它们可以被安装在地下的永久位置。在本发明中，开发出一种组合了经由大地的通信、低噪声接收机以及数字语音压缩技术的系统。该组合提供了经由大地的双向语音通信。
为理解本发明，首先必须回顾RF信号在大地中的电磁传播，接收机中使用的超导技术，以及现有音频技术。在低频限制中电磁波公式的解显示信号强度按照exp(-x/δ)变化，其中δ＝(2ρ/ωμ)1/2是穿透深度。在此，ρ是电阻率，ω是角频率，μ是导磁率。这种关系显示在图1中，其中相对导磁率被假定为一(unity)。对实际地质的透入深度(skin depth)的评价不是直接的，因为电阻率非常不同。表1指示实际上这种变化有多大。
表1选定电阻率(ohm-m)

检查典型材料，砂岩的结果，上述关系得出大于35ohm-m的电阻率，对应在频率1kHz时透入深度大于100米。传统的无线传输使用高于500kHz的频率，但这些较高频率具有比较弱的大地穿透性。这些结果清楚意味着普通材料内的透入深度允许低于1kHz的频率穿透到深深的地下。本领域技术人员会注意到，多数经济上有价值的矿石，例如黄铜矿，具有非常低的电阻率，这是当前建立的电磁探矿工具中使用的事实。
数十年前在该频谱范围内仔细研究了地球物理噪声层(noisefloor)。发现噪声层根据例如位置和天气等而变化，但是在100Hz大约为100fT/√Hz，并且在更高的频率时降低。重要的是，这些噪声都起源于电离层。在先前这些研究中测量了在地球表面的场，在到达地下区域之前由于地球的覆盖层而衰减。当从表面天线发送到地下位置时，发送的信号和地球物理噪声会同等的衰减，保持信号/噪声比恒定。
并不期望高温超导接收机在可预见的未来具有低于1fT/√Hz的噪声层。大型天线，例如那些在基站中使用的，会具有低于SQUID的噪声层，但合理的尺寸限制，例如几米，排除了低于前面所述的任何噪声层。因此，在所有应用中能容易地忽略自然出现的噪声。
在开发的地下环境中，高于噪声层的主要噪声源是由于站点操作引入的电力线噪声。该电力线噪声由60Hz和同步谐波构成，随着频率的增加谐波快速降低。这留下了能够操作的大范围频谱。
高温超导(HTS)电子设备具有能被用在广大范围的应用中的潜能。这是因为超导元件通常是可用的低噪声和低功率电子设备。基本的超导元件是超导量子干涉器件(SQUID)，它由两个并行连接形成环路的约瑟夫森结(Josephson junction)构成。该器件通过使用量子干涉效应而起作用，以产生电压，该电压对于穿过环路的磁通量非常敏感。在实际应用中，SQUID和施加电流偏置及通量调制的外部电子电路一起运行。SQUID的电压输出被送入前置放大器，然后到参考该调制的锁相电路。积分锁相输出，将相位输出叠加到调制信号上。这导致将SQUID锁定到特定通量的工作点。然后反馈信号和流经SQUID的磁通量成比例。
当然，采用SQUID的通信接收机需要解调载波信号的额外的电子电路。此外，SQUID接收机需要低温外壳，但是使用高温超导，接收机的尺寸不需要像使用低温超导(LTS)一样很大。实际上，与LTS相比，HTS较低的低温要求允许更大的成本以及能量节省。
传统的模拟无线设备通常使用人声作为全带宽的音频输入，并在频率或幅度上调制射频信号。在此情形中，得到的RF信号带宽等于或超过原始音频的带宽。如前所述，通过大地长距离传输的信号必须使用仅几千赫兹的载波频率。该带宽不足以承载模拟音频。然而，当将模拟音频转换成数字流时，全音频信号通常在20,000采样每秒的情况下具有16比特数据采集率。对于声音音频，比特率可以降低到64,000bps，但对于几千赫兹载波信号这仍然很高。
数字压缩技术发展良好，并利用人声内的信息率非常低，许多音频内容都可以丢弃同时仍然保持必要的可理解性的事实。实现这种压缩的两种算法是线性预测编码(LPC)和多频带激励(MBE)。LPC使用固有谐振人声产生以消除数字信号中的多余信息。MBE使用多个频带识别语音内容。对于本发明，使用在离散数字信号处理器上实施的基于MBE的算法。音频压缩的使用允许将比特率减少到每秒几千比特，同时维持可理解性。通过将音频压缩技术和低频载波上的数字通信组合，能够获得经由大地的语音传输。
正如下面所清楚表示的，本发明能在地下超过100米的距离传送可理解的语音或其他数据。还能在垂直于天线平面的轴上成功传送音频，该方向是最难以发送信号的方向。

发明内容
为实现本发明的目标和目的，根据本发明的原理和目标，一种经由大地的通信系统包括音频信号输入装置，连接到发射机，该发射机运行在足够低从而能有效穿透经由大地有效距离的预定频率，还具有模拟到数字转换器，用于接收音频信号输入以及将音频信号输入传送到数据压缩电路，该数据压缩电路的输出连接到编码处理器，编码处理器的输出被提供给数字到模拟转换器。放大器接收来自数字到模拟转换器的模拟输出，放大该模拟输出并输出该模拟输出到天线。具有天线的接收机接收该模拟输出并传送模拟输出到带通滤波器，该滤波器连接到模拟到数字转换器，该模拟到数字转换器提供数字信号给解码处理器，解码处理器的输出连接到数据解压缩器，数据解压缩器提供解压缩的数字信号给数字到模拟转换器。音频输出装置接收来自数字到模拟转换器的模拟输出，并产生可听输出。
在本发明的另一方面，根据其原理和目标，一种经由大地的通信系统包括连接到发射机的数字信号输入装置，该发射机运行在足够低从而能有效穿透经由大地有效距离的预定频率，接收数字信号输入并传送该数字信号输入到数据压缩电路，该数据压缩电路的输出连接到编码处理器。放大器接收来自编码处理器的编码输出从而放大该编码输出，并输出编码输出到天线。具有天线的接收机接收所述编码输出，并传送所述编码输出至连接到解码处理器的带通滤波器，解码处理器的输出连接到解码处理器，数据解压缩器提供解压缩的数字信号。
在本发明的进一方面中，根据其原理和目标，一种进行经由大地的通信的方法包括步骤输入模拟信号；数字化该模拟信号；压缩数字化的信号；编码压缩后的数字化信号以将预定数据流编码到压缩的数字化信号中；作为发射信号，通过天线，在足够低从而能有效穿透经由大地有效距离的预定频率，输出编码的压缩数字化信号；在发射信号经由大地传播之后使用天线接收该发射信号；将发射信号从模拟信号转换为数字信号；解码该数字信号；解压缩该数字信号；输出解码的解压缩数字信号。


结合到说明书中并形成说明书一部分的附随附图显示了本发明的实施例，并和说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中
图1是对于选定电阻率，透入深度相对于频率的图；图2是本发明元件的框图；图3是图2所示解码处理器的框图；图4是在矿井中测量的作为到小型天线距离的函数的磁场图；图5是和背景噪声一起测量的本发明产生的信号的宽带曲线图；图6是图5所示数据的扩展图；图7是在矿井中来自距离接收机130米、中心频率4kHz的发射机的信号的图；图8是矿井中发射机上面50米距离的信号的图。
具体实施例方式
本发明提供深入到地下位置的音频通信。通过参考附图易于理解本发明。
首先参考图2，其中显示了本发明的框图。要发送的音频被输入到音频输入21，并发送到在板23上的模拟到数字(A/D)转换器22。音频输入21可以是任何期望的音频输入装置，包括通用的麦克风。板23包含用于发射和接收的所有元件。然而，在图2中，板23配置用于发射。如图所示，A/D转换器22将其信号提供给音频压缩24，在此压缩该信号，并发送到编码处理器25。编码处理器25使用正交相移键控(QPSK)，它是使用具有90度相移的恒定幅度信号的技术，来编码压缩的音频信号。编码处理器25所允许的四个相位构成了在相位和幅度空间内的每符号2比特的组。这提供了较低的频率载波，在该频率载波上，音频信号经由大地发送。
还能使用QAM-16和QAM-32，每个相位和幅度空间16和32个状态组，来发送每符号4或5个比特。QAM-16组具有在相位和幅度空间的方点阵均匀分布的符号。对于2000比特每秒的数据速率，符号率显示在表2中
表2

本发明可以使用这些数据速率的任意一个，但是测试主要采用QAM-16组。该编码处理由编码处理器25实施。
数字到模拟转换器26接收来自编码处理器25的调制载波，并将数字信号转换成为模拟并输出到放大器27。放大器27是标准的音频放大器。对于基站，放大器27可以具有大约10瓦特的功率，而便携式单元能利用电池供电的放大器27，输出大约1瓦特。
放大的调制载波输出到天线28用于经由大地发射。天线28可以是该频率使用的任何适合尺寸的天线。在本发明测试中，成功采用了多匝线圈以及外绕线的铁氧棒。
从天线28发射的信号通过大地传播直到它到达天线29。天线29可以是适于特定地下应用的任何天线。在许多例子中，适当尺寸简单的环形天线能提供所需的接收。一些更严格的应用需要天线29是具有附随通量锁定环(FLL)30的SQUID 29a，锁定环30用高频交变电流调制SQUID 29a的通量，并使用锁定放大器电路分离调制频率的电压分量。从天线29或具有FLL 30的SQUID 29a接收的信号然后被传送到带通滤波器31，在此将选定的感兴趣的频率传送到板33上的A/D转换器32。带通滤波器31可以是宽带四极椭圆形设计。此种带通滤波器31的带宽足以允许载波频率中的变化以及理解人类语音所需的调制。需要该带宽以阻止电力线基本一次少谐波(fundamental firstfew harmonics)信号控制A/D转换器32的动态范围，该转换器也是16比特装置。
从A/D转换器32，信号在解码处理器34中解码，并在音频解压缩35中解压缩。然后在输出到音频装置37之前，由D/A转换器36将解码和解压缩信号转换回模拟信号，音频装置37可以是耳机、头戴受话器，或在某些应用中是扬声器。
板23和33的所有功能都能在通用数字信号处理器(DSP)上实现。这允许编码方法、过滤算法以及载波频率能由软件控制。解码处理器33的特定动作在图3中显示。可以看出，宽带输入信号41被提供给A/D转换器32，它的数字输出被提供给平均1/60数据42，它将宽带输入信号41打散到长度为一个动力循环的阵列中。对该阵列求平均值以产生长度为一个动力循环的参考数据阵列，所述参考数据包含弱时间变化的60Hz谐波。然后从扣除阵列43的宽带输入信号41中减去该平均阵列。60Hz谐波实际上相位锁定到电源频率，并用该方法滤波。该梳状滤波器方法除去了通信频带中的电力线干扰，允许本发明使用几百赫兹带宽。
在多数通信系统中是独立元件的本地振荡器44在此以软件实现，用作为正弦和余弦产生器，并提供给乘法器45，乘法器45也用软件实现，在此产生两个乘积同相或“I”分量，以及正交或“Q”分量。这些分量然后由也是用软件实现的低通滤波器46进行低通滤波，然后传送到变换检测器47。变换检测器47检测“I”分量或“Q”分量中的快速变化。任何这样的快速变化都指示出现新的符号。提取定时48提取符号定时，符号定时然后被用于将采样移位到符号中间。选择I和Q采样49提供了符号时间中央的平均值。最后，符号判决50通过以下方法从解调信号中提取符号流定标(scaling)“I”和“Q”采样并将各个值取整以找到是各个分量中最重要的比特的符号。对于QAM-16组，每个符号包含四比特信息，两个比特在“I”分量中，两个比特在“Q”分量中。
已经在实际矿井中研究了电磁传播。在图4中，显示了在新墨西哥Questa的Molycorp，Inc.矿井中获得的信号。电磁源是在频率7.46kHz的正弦波，功率16.2瓦特。使用根据本发明的便携式SQUID接收机在多个位置记录了测量的磁场。和测量距离相关性的配合(fit)假定了偶极子辐射源。在该相对高的频率，有用信号电平在大于200米距离上高于10-13毫微微特斯拉(femtoTesla)。较低频率信号在矿井环境中更易于传播。该高频测试实际上是地下无线通信最糟糕的情形。
在其他场测试中，使用上述的商用装置，大于100Hz的白噪声层对应SQUID 29(图2)的噪声层。地下环境中高于白噪声层的主要噪声源是由本地操作引入的电力线噪声。在矿井中获得的测试数据中，电力线噪声包括图5所示的60Hz以及同步谐波。这些谐波随着频率增加迅速降低，留下可成功实施操作的大范围频谱。显示的数据是在新墨西哥Carlsbad废弃的隔离试验场中记录的。信号是3010Hz正弦波，功率0.2瓦特，发射机距离接收机183米。
图5的扩展视图显示在图6中。如图所示，感兴趣的信号在宽带噪声层之上。还可以看出，有多个和60Hz电力相关谐振的干扰峰值，主要是奇数谐波。该谐波峰值非常窄，意味着电力线干扰是变化非常缓慢的现象。这允许本发明使用几种简单的梳状滤波器算法中的任何一种来消除该干扰。
在实际场应用中已经充分测试了本发明。结果显示在图7和8中。这些测试的频谱从SQUID 29，通量锁定环30，以及带通滤波器31之后的点记录，但是在A/D转换器32之前(图2)。测量的磁场使用用于squid 29的场转换，但不使用带通滤波器31的测量通带。因此，应当理解，仅当靠近通带中心时磁场标度才准确。在两个测试中的频谱都取1Hz带宽，因此电力频谱以及电力频谱密度在数值上是相同的。
图7显示在新墨西哥Questa矿井中的测试结果。在此，发射机环路在水平平面内，接收机在同一矿井高度，距离130米。接收机中的SQUID 29(图2)具有水平读出线圈，并测量磁场的垂直分量。QAM信号中心在4kHz。频谱中的尖峰是来自电力系统的干扰。接收机重复锁定到该传输并产生可理解音频。使用在接收机和发射机的磁场的水平极化也实现了发送音频中的类似成功。
现在参考图8，可以看出在Idaho(爱达荷州)Mullan的HeclaMining Facility进行的测试的频谱。在此，发射机仍然具有水平环路，但接收机在发射机正上方50米远。接收机线圈是水平的，具有垂直的磁场读出方向。该配置代表成功传输最不期望的方向。然而，接收机还能重复锁定到该4kHz信号并产生可理解的音频。
本领域技术人员能够认识到本发明可被配置为收发机。发射机和接收机能被组合在相同电路板上以提供便利和本发明的多功能性。
应当理解，虽然在前面的段落中说明了音频信号，但本发明可用于任何类型的数字信号。在输入例如图像等数字信号的例子中，本发明不会采用A/D转换器22、D/A转换器36，麦克风21可以是数字输入，而扬声器37可变为适当的数字输出装置。这样的特征允许在远程观察地下活动(例如地铁)中使用本发明。
为了举例和说明的目的提供了本发明上述说明，但不是穷尽或将本发明限制在公开的精确形式上，根据上述教导能有多种修改和变化。选择并说明实施例从而更好的解释本发明的原理及其实际应用，从而允许本领域技术人员在不同的实施例中最佳地使用本发明，并进行适于特定期望用途的修改。期望本发明的范围由附随权利要求限定。
权利要求
1.一种经由大地通信的系统，包括音频信号输入装置；发射机，运行在足够低从而能有效穿透经由大地有效距离的预定频率，并具有模拟到数字转换器，用于接收所述音频信号输入，并传送所述音频信号输入到数据压缩电路，该数据压缩电路的输出连接到编码处理器，所述编码处理器的输出被提供给数字到模拟转换器；放大器，从所述数字到模拟转换器接收模拟输出，放大所述模拟输出，并输出所述模拟输出到天线；接收机，具有天线，用于接收所述模拟输出并传送所述模拟输出到带通滤波器，该带通滤波器连接至模拟到数字转换器，该模拟到数字转换器提供数字信号给解码处理器，该解码处理器的输出连接到数据解压缩器，所述数据解压缩器提供解压缩的数字信号给数字到模拟转换器；以及音频输出装置，接收来自所述数字到模拟转换器的模拟输出，以产生可听输出。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述音频信号输入装置是麦克风。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述天线是环形天线。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述编码处理器使用正交相移键控操作。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述编码处理器使用QAM-16处理器操作。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述预定频率是大约7kHz。
7.如权利要求1所述的设备，其中所述预定频率是大约4kHz。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述带通滤波器是宽带4极椭圆设计。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述所述天线是连接到通量锁定环的SQUID检测器。
10.一种经由大地通信的系统，包括数字信号输入装置；发射机，运行在足够低从而能有效穿透经由大地有效距离的预定频率，接收所述数字信号输入，并提供所述数字信号输入到连接至编码处理器的数据压缩电路；放大器，接收来自所述编码处理器的编码输出，放大所述编码输出，并输出所述编码输出到天线；接收机，具有天线，用于接收所述编码输出，随后是连接到解码处理器的带通滤波器，所述编码处理器的输出连接到数据解压缩器，所述数据解压缩器提供解压缩的数字信号。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述数字信号输入装置是数字视频照相机。
12.根据权利要求10所述的设备，其中所述天线是环形天线。
13.如权利要求10所述的设备，其中所述编码处理器使用量子相移键控操作。
14.如权利要求10所述的设备，其中所述编码处理器使用QAM-16处理器操作。
15.如权利要求10所述的设备，其中所述预定频率是大约4kHz。
16.如权利要求10所述的设备，其中所述预定频率是大约7kHz。
17.如权利要求10所述的设备，其中所述带通滤波器是宽带4极椭圆设计。
18.如权利要求10所述的设备，其中所述天线是连接到通量锁定环的SQUID检测器。
19.一种实现经由大地通信的方法，包括步骤输入模拟信号；数字化所述模拟信号；压缩所述数字化信号；编码所述压缩的数字化信号以将预定数据流编码到所述压缩的数字化信号中；以及作为发射信号，通过天线在足够低从而能有效穿透经由大地有效距离的预定频率上输出所述编码的压缩数字化信号；在所述发射信号经由大地传播之后用天线接收所述发射信号；将所述发射信号从模拟信号转换成数字信号；解码所述数字信号；解压缩所述数字信号；以及输出所述解码的解压缩数字信号。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述天线包括后面是通量锁定环的SQUID检测器。
21.如权利要求19所述的方法，其中所述输出所述解码的解压缩数字信号的步骤进一步包括输出到扬声器。
22.如权利要求19所述的方法，其中所述输出所述解码的解压缩数字信号的步骤进一步包括输出音频信号。
23.如权利要求19所述的方法，其中所述输入模拟信号的步骤是通过使用麦克风实现的。
全文摘要
一种有效的经由大地通信的方法和设备，包括连接到运行在足够低从而能有效穿透经由大地有效距离的预定频率的发射机的信号输入装置，还有模拟到数字转换器，接收信号输入并将信号输入传送到连接到编码处理器的数据压缩电路，该编码处理器的输出被提供给数字到模拟转换器。放大器接收来自数字到模拟转换器的模拟输出，放大所述模拟输出，并输出所述模拟输出到天线。具有天线的接收机接收模拟输出，传送模拟信号到带通滤波器，该滤波器的输出连接到模拟到数字转换器，该转换器提供数字信号给解码处理器，解码处理器的输出连接到数据解压缩器，数据解压缩器提供解压缩的数字信号给数字到模拟转换器。音频输出装置接收来自数字到模拟转换器的模拟输出，并产生音频输出。
文档编号H04B13/02GK1879392SQ200480021653
公开日2006年12月13日 申请日期2004年6月8日 优先权日2003年6月26日
发明者大卫·W·瑞格, 乔斯·巴斯克斯－多明格斯 申请人:加利福尼亚大学董事会