Система аварийного оповещения подземных рудников

© Ю.К. Выболдин, В.А. Шпснст, 2015

УДК 521.398

Ю.К. Выболдин, В.А. Шпенст

СИСТЕМА АВАРИЙНОГО ОПОВЕЩЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ РУДНИКОВ

Предложена структура системы аварийного оповещения подземных рудников, позволяющая передавать голосовые сообщения и данные. Использовано сжатие речи, многопозиционные методы модуляции сигналов, коррекция коэффициента передачи канала,линеаризация выходных каскадов усилителя мощности передатчика и реализация когерентного приема. Для увеличения дальности действия и развития системы применяется ретрансляция сигналов.

Ключевые слова:аварийное оповещение, многопозиционныесиг-налы, сжатие речи, линеаризация,синхропосылки.

В настоящее время актуальной задачей является оповещение персонала при авариях в шахтах и горных выработках и координация действий в форс-мажорных обстоятельствах. Использование инфранизких частот и кодирования сигналов для их передачи сквозь толщу горных пород, позволяет решить поставленную задачу при дискретной час-тотноймодуляции [1, 4]. Однако известные системы, позволяют осуществлять передачу сообщений лишь с невысокой скоростью. Это связано с малой полосой частот и существенной неравномерностью затухания электромагнитного поля на различных частотах.

В ряде работ [2, 3] приведены результаты исследований по определению глубины распространения электромагнитного поля при передаче сигналов речевого диапазона сквозь массив горных пород. Показано, что дальность распространения существенно зависит от частоты передаваемого сигнала и проводимости среды, которая изменяется в широких пределах. При средней интегральной проводимости среды 10-2 См/м глубина проникновения сигналов оповещения на частоте 1050 Гц составляет 1000 м. Однако используемая при этом полоса частот крайне мала и составляет всего 100 Гц, [1].Эта ширина полосы

недостаточна для передачи аналоговогоаудиосигнала с шириной спектра300...3500 Гц. Кроме того при передаче сигналов с частотой 3500 Гц глубина проникновения составляет 500 м. В работе [3] уменьшение неравномерности затухания предложено компенсировать при формировании сигнала с помощью корректирующего устройства, которое позволяет изменять коэффициент усиления передатчика в диапазоне частот речевого сигнала. На краях этого диапазона коэффициент усиления изменяется на 27 дБ.При цифровой передаче речи для одного переговорного устройства требуется скорость 64 Кбит/с и поддержка требуемого отношения сигнал/помеха на входе демодулятора приемника.

Результаты исследования [4] показали, что для осуществления подземной радиосвязи можно использовать сигналы с более высокой спектральной эффективностью, в частности QPSK и QAM. Так при получаемом отношении сигнал-шум порядка 10 дБ в точке приема при максимальном расстоянии 300 метров и при достаточной вероятности ошибки на бит 10-3 можно использовать сигналы c QPSK модуляцией как с линейным, так и с нелинейным усилением. Использование сигналов с QAM требует линейного усилителя и отношения сигнал-помеха порядка 16 дБ, кроме того возникает необходимость когерентного приема и синхронизации сигнала. Поскольку сигналы, передаваемые через землю на существенныерасстоя-ния, должны использовать несущую частоту порядка нескольких килогерц, выбраны значения частот несущего колебания в диапазоне 2.6 КГц. Расчеты показывают, что при максимальном расстоянии между передатчиком и приемников в 300 м отношение сигнал/шум в точке приема превышает^ дБ. Требуемое для использования сигналов QAM отношение сигнал/шум 16 дБ достигается при расстояниях порядка 200 м. В работе [4] показано, что наибольшее вклад в шумовую компоненту вносят помехи производственного характера. Для уменьшения их влияния предусмотрена возможность перестройки рабочих частот в выбранном диапазоне значений с шагом 25 Гц, а также компенсация с помощью режекторных фильтров.

Целью работы является разработка структуры и основных характеристик аппаратуры шахтной радиосвязи, обладающей

бoлee выгакими xapaктepиcтикaми пo пpoпycкнoй cпocoбнocти пo cpaвнeнию c извecтными.

Для пocтpoeния цифpoвoй cиcтeмы пoдзeмнoй геязи, пo-звoляюшeй пepeдaвaть гoлoc и дaнныe, в cocтaвe cиcтeмы 6у-дем иcпoльзoвaть ycтpoйcтвo cжaтиe peчи, мнoгoпoзициoнныe методы мoдyляции cигнaлoв и ycтpoйcтвa, oбecпeчивaюшиe иx фopмиpoвaниe и ycтoйчивый пpиeм. Для yвeличeния дaльнocти cвязи и вoзмoжнocти paзвития ce™, aнaлoгичнo [6], пpeдy-cмoтpeнa peтpaнcляция cигнaлa нa гopизoнтax выpaбoт-ки.Cтpaтeгия иcпoльзoвaния cиcтeмы cвязи пpeдпoлaгaeт paз-мешение в paзныx чacтяx max™ oпopныx cтaнций, ocyшecтв-ляюшиx кoммyтaцию cигнaлoв и иx peтpaнcляцию. Pacчeты пo-кaзывaют, чтo для бoльшинcтвa cpeд pacпpocтpaнeния тpeбye-мые paccтoяния мeждy oпopными cтaнциями не пpeвышaют 1БQ м. В пpямoм гагале oт oпepaтopa, pacпoлoжeннoгo нa пo-вepxнocти, к пepcoнaлy в rop^ix выpaбoткax ocyшecтвляeтcя нaпpaвлeннaя пepeдaчa cигнaлoв, oбecпeчивaюшaя индиви-дyaльнoe oпoвeшeниe, вь^в, пepeдaчy дaнныx и гoлocyю ^язь. Cигнaлы пpинимaютcя пpиeмными ycтpoйcтвaмиинди-видyaльныx paдиoблoкoв, имeюшиxcя y пepcoнaлa rnaxra, или пpиeмными ycтpoйcтвaми oпopныxcтaнций. Для peaли-зaции oбpaтнoгo кaнaлa paбoтники шaxты мoгyт выxoдить нa ^язь c пoвepxнocтью кaк c бaзoвoгo пepeдaтчикaкaждoй oпopнoй cтaнции, тaк и c ^^TOporo cвoбoднoгo пpocтpaн-crea вoкpyг этoгo пepeдaтчикa, ocyшecтвляя ^язь c oпopным блoкoм нa УKB-чacтoтe. Taкиe cиcтeмы oблaдaют выcoким ^эффициентом гoтoвнocти, oбecпeчивaют пoлнoepaдиoпo-кpытиe втей зoны гopныx paбoт, в том чиоле c yчeтoм пep-те^ивы иx paзвития, и oбecпeчивaют дocтaвкy cигнaлa aвapийнoгo oпoвeшeния нeзaвиcимo oт мecтoпoлoжeния пepcoнaлa вo вceвoзмoжныx aвapийныx cитyaцияx.Cиcтeмы мoгyт paбoтaть кoмплeкcнo c cиcтeмaми нaблюдeния зa пo-лoжeниeм пepcoнaлa, c пoмoшью кoтopыx пoдтвepждaeтcя пoлyчeниe cигнaлa o6 aвapии c вpeмeнными зaдepжкaми, cpaвнимыми c дpyгими cиcтeмaми.

Meтoд пpoвeдeния кoммyникaции чepeз землю, включaeт cлeдyюшиe oпepaции:

- ввoд aнaлoгoвoгo cигнaлa;

- пepeвeдeниe в цифpoвyю фopмy aнaлoгoвoгo cигнaлa;

- компрессия (компандирование) переведенного в цифровую форму сигнала;

- кодирование сжатого переведенного в цифровую форму сообщения;

- выведение кодированного сжатого переведенного в цифровую форму сообщения через антенну на определенной частоте, достаточно низкой, чтобы эффективно проникнуть через необходимое расстояние под землю;

- получение переданного сигнала через антенну, после того как переданный сигнал распространился под землю;

- преобразование переданного сигнала от аналогового сигнала до цифрового сигнала;

- декодирование цифрового сигнала;

- декомпрессия цифрового сигнала и переведение цифрового сигнала в аналоговую форму (сигнал звуковой частоты).

Предполагается, что при формировании сигнала использована коррекция коэффициента передачи канала. Кроме того, при использовании цифровых многопозиционных сигналов модемы используют амплитудный корректори согласованный фильтр. Это повышает энергетику линии и препятствует появлению межсимвольных искажений.

Звуковой вход может быть любым необходимым звуковым устройством ввода, включая условный микрофон. На входемо-гут обрабатыватьсясигналы дистанционно расположенных портативных радиостанций или других персональных устройств коммуникации.

Одной из важных особенностей системы подземной голосовой связи является необходимость передачи сигнала в малой полосе частот. Для уменьшения ширины спектра передаваемого сигнала выполняетсяего сжатие. Цифровые методы сжатия хорошо развиты и используют тот факт, что информационная скорость в человеческом голосе весьма низка, и что большая часть звукового содержания может отбрасываться, сохраняя необходимую ясность при передаче речи. Основными характеристиками вокодеров являются: выходная скорость цифрового потока, качество и разборчивость речи, чувствительность к ошибкам в цифровом канале связи, чувствительность к акустическим шумам, зависимость от диктора, алгоритмическая задержка обработки сигнала. На скоростях передачи ниже 3 кбит/сдля сжатия речи обычно используется параметрические

вокодеры, описывающие входной сигнал на основе различных параметрических моделей синтеза речевых сигналов. В данной системе связи предлагается использовать MELP (Mixed Excitation Linear Prediction) вокодер, позволяющий выполнять кодирование речи со скоростями 2400 и 1200 и 600 бит/с, разработанный в [7]. Основной проблемой построения сверх-низкоскоростных вокодеров является крайне малое количество бит, остающихся для описания речевого сигнала по отдельным кадрам с фиксированной длиной 20-30 мс. Например, при стандартном размере кадра 22,5 мс и скорости 800 бит/с на 1 кадр приходится всего 18 бит. Такого числа бит уже недостаточно для передачи информации о следующем минимальном наборе параметров: энергии сигнала, форме огибающей амплитуд кратковременного частотного спектра сигнала, структуре спектра (признак тон/шум) и частоте основного тона (ОТ) речи для вокализованных кадров. Поэтому качество и разборчивость речи параметрических вокодеров с кадрами фиксированной длины 20-30 мс на данных скоростях вырождаются и становятся неприемлемыми, даже для служебных систем связи. В вокодерах, используемых в данной системе связи, нескольких кадров фиксированной длины, объединяются в один большой суперкадр. При этом используется векторное квантование траекторий параметров для всего суперкадра и динамическое перераспределение информационных бит между квантуемыми параметрами и кадрами, входящими в суперкадр. Это обеспечивает повышение качества кодирования. Вся обработка сигналов, связанная с фильтрацией, сжатием и кодировани-ем,осуществляется на универсальном процессоре цифрового сигнала (DSP) из семейства TMS320C54x/C55x. Длительность кадра данного вокодера порядка 65 мс, что вполне укладывается в рамки рекомендации ITU-T стандарта G.114 (общая задержка передачи речевого сигнала 150...200 мс).

Основным способом, позволяющим увеличить скорость передачи цифровых сигналов в каналах с ограниченной полосой частот, является использование многопозиционных методов модуляции сигналов. Одним их простых вариантов является использование модуляции QAM-16, позволяющей передавать 4 бита за один тактовый интервал. Однако при использовании сигналов QAM требуется дополнительная линеаризация выходных каскадов усилителя мощности передатчика и реализа-

ция когерентного приема. Применение методов линеаризации позволяет повысить выходную мощность передатчиков и, следовательно, расстояние между опорными станциями системы голосовой связи. В данной системе предлагается использование метода, основанного на внесении цифровыхпредыскаже-ний при формировании сигнала в передатчике. Внесенное изменение компенсирует искажения, вносимые усилителем мощности передатчика. Функция нелинейных предыскажений задается программным путем, и заносится в специальную память микросхемы-компенсатора ISL3239 фирмы Intersil и подвергаются динамической коррекции для реального участка среды. Корректор сводит параметры обратной модели усилителя мощности к истинным значениям, которые имеет усилитель, и ошибка между выходным сигналом усилителя и обратной копией сигнала устройства предыскажений стремится к нулю. Использование цифровой линеаризации позволяет обеспечить уменьшение уровней интермуляционных искажений, а также эффектов, называемых амплитудно-фазовой конверсией.

Прием сигналов QAM принципиально требует априорного знания кроме частоты еще и амплитуды и начальной фазы несущего колебания. Поэтому для оценки параметров несущего колебания предлагается передавать специальнуюсинхрогруппу из N элементов c максимальной энергией, при этом измерение осуществляется на интервале времени, в течение которого параметры канала могут считаться неизменными. В работе [8] синтезированы алгоритмы приема сигналов QAM по позициям, использующие синхропосылки для оценки неизвестных параметров канала. Результаты расчетов и моделирования показывают, что вероятности ошибок при оценке параметров канала для наиболее практически значимого случая, когда используется одна синхропосыка, являются достаточными для практических применений и ненамного превосходят вероятности ошибки при когерентном приеме как при отсутствии релеевских замираний, так и при их наличии. Расчеты показывают, что для модуляции QAM-16 при отношении сигнал/шум 16 дБ вероятность ошибки в приеме позиции (4 бита) при отсутствии замираний составляет 0,003, а при выполнении необходимой оценки параметров канала по одной синхропосылке вероятность ошибки составляет 0,007.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Комплекс CУБP-1CBM. Pyкoвoдcтвoпoэкcплyaтaции

2. Conti R.S., Yewen R.G. Evaluationof a Signaling and Warning System for Underground Mines, U.S. departmentofhealthandhumanservices, ReportofInvesti-gations, 9641,1997

3. Семенов M.A. Cиcтeмa кoмпeнcaции yбывaния элeктpичecкoгo пoля в мaccивe rop^ix пopoд [Элeктpoнный pecypc]// Oнлaйн Элeктpик: Элeктpo-энepгeтикa. Hoвыe тexнoлoгии, 2Q12. URL: http://www.online-electric.ru.

4. Stolarczyk L.G. AcomparisonbetweenSSBand FM modulationprocessesin a nearfieldmediumfrequencywilielesscommunicationsystem, Inc. RATON, New-Mexico, 197S

Б. United States Patent Application Publication. Pub. No.: US 2006/0148514 Al., Q6.Q7.2QQ6

6. Драбкин A.Ë., Проскуряков P.M., Семенов M.A. ^CT^a бecпpoвoд-нoй импyльcнoй oднoпoлocнoй пepeдaчи peчeвыx cигнaлoв чepeз мaccив rop-нык пopoд c иcпoльзoвaниeм peтpaнcлятopoв/ Известия вyзoв «Гopный œyp-тал» № 2, 2QQ2

7. Вокодер 6QQ бит/c. CTOÓT, Цeнтp цифpoвoй oбpaбoтки cигнaлoв, [Элeктpoнный pecypc]URL: http://www. dsp. sut. ru/rus/products/products. html ^a oбpaшeния 29.11.2Q14)

5. Выболдин Ю.К. Пoмexoycтoйчивocть пpиeмa cигнaлoв KAM пo пoзи-циям. В кн. «Paдиoлoкaция, нaвигaция, cвязь (RLNC 2QQ2)» тpyды VIII Международной научно-технической конференции, Воронеж, 2002. ШИН

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Выболдин Юрий Константинович — кaндидaт тexничecкиx rny^ дoцeнт, y.vyboldin@mail.ru,

Шпенст Вадим Aнaтольевич — aoOTop тexничecкиx rny^ пpoфeccop, зaвe-дуюший кaфeдpoй, пpopeктop, shpenst@spmi.ru, Haциoнaльный минepaльнo-cыpьeвoй yнивepcитeт «Hop^rn».

UDC 521.398 ALERT SYSTEM OF UNDERGROUND MINES

VyboldinYuri K., Ph.D., Associate Professor, y.vyboldin@mail.ru, National mineral resources university «University of Mines», Russia,

ShpenstVadim A., Sc.D., Professor, Head of the Chair, Vice-Rector, shpenst@spmi.ru, National mineral resources university «University of Mines», Russia.

The structure ofthe alert systemof underground mines, allows you to sendvoice messagesand data.Provided forthe use ofspeech compression, multipositionsmethodsof signal modulation, channel gaincorrection, linearization power amplifiertransmitter, implementation of coherent reception. To increase therange anddevelopment of the systemis used relayingsig-nals.

Key words: emergency alerts, multiposition signals, speech compression, linearization, synchronizing bits.

REFERENCES

1. Kompleks SUBR-1SVM. Rukovodstvo po jekspluatacii (ComplexSUBR-lSVM. Instruction manual).

2. Conti R.S., Yewen R.G. Evaluation of a Signaling and Warning System for Underground Mines, U.S. department of health and human services, Report of Investigations, 9641, 1997.

3. Semenov M.A. Sistema kompensacii ubyvanija jelektricheskogo polja v massive gornyh porod (Compensation systemdecreasingthe electric fieldin the rock mass) [Jelektron-nyj resurs]// Onlajn Jelektrik: Jelektrojenergetika. Novye tehnologii, 2012. URL: http://www.online-electric.ru.(data obrashhenija 29.11.2014).

4. Stolarczyk L.G. Acomparis on between SSB and FM modulation processes in a near field medium frequencywilieless communication system, Inc. RATON, NewMexico, 1978.

5. United States Patent Application Publication. Pub. No.: US 2006/0148514 Al., 06.07.2006

6. Drabkin A.L., Proskurjakov R.M., Semenov M.A. Sistema besprovodnoj impul'snoj odnopolosnoj peredachi rechevyh signalov cherez massiv gornyh porod s ispol'zovaniem re-transljatorov (The wirelesspulseSSBvoice transmissionthrough the arrayof rocksusingrepeat-ers)/ Izvestija vuzov «Gornyj zhurnal», No 2, 2002.

7. Vokoder 600 bit/s. SPbUT, Centr cifrovoj obrabotki signalov (Centerdigital signal processing) [Jelektronnyj resurs] URL: http://www.dsp.sut.ru/rus/products/products.html (data obrashhenija 29.11.2014).

8. Vyboldin Ju.K. Pomehoustojchivost priema signalov KAM po pozicijam (Error probabilities for receiving QAM signals on positions). V kn. «Radiolokacija, navigacija, svjaz' (RLNC 2002)» trudy VIII Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii, Voronezh,

2002.