基于醫(yī)療監(jiān)護的無線體域網接收系統設計

王亭亭 陳鵬鵬 楊 帆 劉愛賢

(首都醫(yī)科大學附屬北京康復醫(yī)院 北京100144) (北京無線電測量研究所北京100854) (首都醫(yī)科大學附屬北京康復醫(yī)院 北京100144)

1 引言

隨著我國人口老齡化日益嚴重，健康監(jiān)護領域亟待完善。老年人自身免疫力弱、環(huán)境污染越發(fā)嚴重、醫(yī)療監(jiān)護人員匱乏等原因給醫(yī)療保健體系造成巨大負擔，無線體域網(Wireless Body Area Network,WBAN)有助于解決該問題。WBAN技術迅速發(fā)展，其應用領域延伸到很多方面，如人體監(jiān)護、運動休閑、購物支付等。WBAN節(jié)點具有低功耗、小型化、通信可靠、安全性高、低成本等特點，使節(jié)點壽命延長、方便植入或穿戴、提高安全系數以及方便大規(guī)模推廣。WBAN系統一般會有1個主節(jié)點，用來與身體各處的子節(jié)點進行通信，子節(jié)點之間也可以相互通信。主節(jié)點控制子節(jié)點，負責收集子節(jié)點信息，將信息傳輸并發(fā)送到因特網等終端，再傳給醫(yī)生、醫(yī)院或數據中心等。商用的一些可用于體外節(jié)點通信的收發(fā)系統具有數據率低、靈敏度高、調制方式簡單等特點，針對當前存在數據率偏低、功耗偏高的缺點，建立數據率高、功耗低、面積小的接收系統，使其滿足WBAN體表穿戴節(jié)點要求。

2 無線體域網人體信道通信技術

2.1 現狀

2.1.1 概述 當前近場通信(Near Field Communication,NFC)應用十分廣泛，廣泛集成在智能手機中，在數據傳輸、門禁鑰匙、交易支付等領域都有涉及[1]，NFC天線通常是4×4 cm，尺寸較大，因此多集成在卡片、手機中，在手環(huán)等小型穿戴式設備中集成比較困難。同時NFC的安全性有待提高，被盜刷的事件時有發(fā)生。與NFC相比人體信道通信技術(Body Channel Communication,BCC)在便攜式應用中有較大優(yōu)勢，一方面BCC收發(fā)機不需要天線，電極尺寸更小，另一方面BCC以人體為信道，不同于NFC的空氣信道，更加安全，不易被非法獲取。對于體表節(jié)點，小型化確保穿戴舒適性，有必要移除節(jié)點中的天線、片外晶振等。當前的研究熱點是人體信道通信技術以電極代替天線使用。醫(yī)院所用電極面積約為1cm2，比天線尺寸小得多，更容易實現節(jié)點小型化[2]。部分生理信號傳感器需要植入人體內部,很難更換電池,因此從用戶易用性角度和更換電池復雜性來說,提供易用、可持續(xù)醫(yī)療監(jiān)護服務十分必要。

2.1.2 人體信道通信類別 BCC是近年研究熱點[3]，人體信道通信分為兩類，即電容耦合型人體信道通信(CC-BCC)和電流耦合型人體信道通信(GC-BCC)。其中電容耦合型工作在幾十兆赫茲的頻帶，前向路徑在人體表面?zhèn)鞑ィ笙蚵窂嚼玫仉姌O(GND電極)和大地電容耦合，進而形成完整信號回路。在IEEE 802.15.6標準中規(guī)定CC-BCC的通信標準，工作頻率為21MHz，數據率為1 312.5kbps，為提高CC-BCC收發(fā)機性能，地電極通常需要較大面積，導致節(jié)點體積難以減小。目前還沒有標準來規(guī)范GC-BCC，GC-BCC直接利用貼在人體表面的4個電極實現通信。相比CC-BCC，GC-BCC的通信頻帶低，傳輸距離短，不需要大型地電極，容易實現小型化，同時其信號只在皮膚表面?zhèn)鞑ィ鳦C-BCC信號需要經過地電極和大地通過空氣耦合的通路，因此GC-BCC的傳輸方式更安全，不易被干擾和偵測[4]。

2.2 結構特點

當前針對GC-BBC的研究，信道分析與建模較多，而接收系統研究較少。關于GC-BCC接收系統設計，根據文獻調研結果，有兩篇文獻[4-5]報道GC-BCC接收系統且使用的結構完全相同，見圖1。使用放大器、帶通濾波器、模數轉換器(Analog Digital Converter,ADC)，采用二進制相移鍵控(BPSK)調制方式在數字域內實現解調，其中一篇文獻[5]顯示其功耗高達400 mW，另一篇文獻[6]顯示其功耗更是高達726 mW。有關GC-BCC信道頻率特性的研究表明GC-BCC信道在200 kHz信道的衰減最小。為降低功耗簡單的二進制調制方式是最常用的。二進制數字頻率調制(2FSK)或高斯頻移鍵控(GFSK)在無線體域網中應用很廣泛[6]，GFSK相比2FSK具有更強的抗干擾能力，可以用限幅放大器代替可變增益放大器，不需要ADC[7]。因此設計新型的GC-BCC接收系統以降低功耗和硬件成本。

圖1 現有的GC-BCC接收系統結構

3 抗頻率偏差的GC-BCC接收系統設計

3.1 系統結構

為實現體表穿戴節(jié)點的小型化和低功耗，不能使用以往結構中的大尺寸天線和晶體振蕩器，擬實現無需天線、抗頻率偏差的GC-BCC接收系統。需結合實際應用場景代替?zhèn)鹘yNFC通信，實現手腕穿戴和手持設備的通信，具有小型化、低功耗和高安全性特點，采用抗干擾性強的GFSK調制方式實現碼元恢復。如何使GFSK解調和碼元同時恢復具有抗頻偏的功能是GC-BCC接收系統設計難點。基于GFSK調制方式設計的GC-BCC接收系統結構，見圖2。相比于現有的接收系統結構，該系統實現方式更加簡單，其調制頻偏50 kHz，接收系統的抗干擾性能較BPSK更好。為使GC-BCC不需要片外晶振，對頻率偏移進行處理。普通的片外晶振精度一般<5ppm，而自由振蕩器精度一般<200ppm，這就需要接收系統至少能容忍200ppm時鐘頻率偏移。GFSK的解調對頻率偏移較為敏感，因此接收系統需要同時抗GFSK信號中心頻率偏差和時鐘信號頻率偏移。

圖2 基于GFSK調制方式設計的GC-BCC接收系統結構

3.2 解調方式

3.2.1 概述 GFSK調制方式在無線體域網、藍牙、無線傳感網等都有廣泛應用，關于GFSK解調器的研究工作也有很多[8-9]。GFSK解調器的解調方式主要分為中頻微分器法、延遲鎖定法、時間數字轉換器法、延時正交解調法、過零點檢測法5類。基于過零點檢測方法將GFSK解調器進行改良，通過數模混合方式實現的GFSK解調電路結構，見圖3。

3.2.2 原理 限幅放大后的GFSK信號經過數字脈沖發(fā)生器，在過零點處產生脈沖，然后經過低通濾波器濾除高頻部分，帶通濾波器濾除中心頻率偏差帶來的直流漂移，再經過遲滯比較器得到解調后的信號。通過時鐘采樣限幅后的GFSK信號，在每個上升沿和下降沿處產生一定寬度的脈沖信號，頻率高時上下沿多，輸出的脈沖也多，從而將頻率信息轉移到脈沖數目上。經過低通濾波器，脈沖數目高的濾波后的幅度大，即頻率高時低通濾波器的輸出幅度大，頻率低時低通濾波器的輸出幅度小。再經過低通濾波器濾除直流漂移，最后遲滯比較器實現數據的判決。比較器輸出不會因為頻率的抖動帶來誤碼，保證輸出結果的準確率。低通濾波器解調出的數據經過帶通濾波器后其上升沿和下降沿基本保持不變，但高電平和低電平經過帶通濾波器后變?yōu)橹绷鼽c，在下一個上升沿或下降沿到來前只要其抖動不超過遲滯比較器的閾值，遲滯比較器的輸出保持不變。當頻率向高頻處偏移時低通濾波器的輸出平均電平值提高，當頻率向低頻處偏移時低通濾波器的輸出平均電平值降低。但只要低通濾波器的輸出不發(fā)生切頂或切底失真，后面經過帶通濾波器后即可濾除中頻頻率偏移。該結構能夠承受微小的頻率偏移，不影響解調結果的準確性。

圖3 GC-BCC接收系統中GFSK解調器的實現

4 GC-BCC接收系統測試

4.1 測試方法

使用軟件Matlab生成GFSK數據，再由信號發(fā)生器輸出GFSK信號到接收系統中。邏輯分析儀通過芯片中的SPI總線串行提供控制字，同時根據芯片輸出的數據同步信號來采樣數據，得到誤碼率(BER)。兩個差分信號轉換器用來隔離信號發(fā)生器和電路板的地，模擬實際應用時GC-BCC發(fā)射機和接收系統的地是不連通的。在手腕上測試時相同端口兩個電極的距離為5cm。研究表明相同端口電極的距離越遠，傳輸距離越大。考慮到手腕設備的特點，5cm是比較合理的尺寸。

4.2 測試結果與分析

測試結果，見圖4。圖4(a)表示在信號發(fā)生器的輸出信號為0.9V峰值條件下測試200 kHz時不同傳輸距離的信道衰減情況，同一端口兩個電極的間距設置為5 cm。在10 cm傳輸距離時信道衰減大約為65 dB。圖4(b)展示傳輸距離和誤碼率的關系。在信號發(fā)生器輸出0.9V峰值電壓時傳輸距離可達10 cm，滿足手腕設備到手持設備的通信距離。為驗證接收系統的抗干擾性能，對最常見的13.56 MHz NFC信號進行對比測試。分為兩種情況，一種是直接在調制信號中加入13.56 MHz頻率，輸入到接收系統中測試誤碼率情況；另一種是將13.56 MHz信號輸入到NFC天線中，測試天線信號對接收性能的影響。峰值為1 mV的GFSK信號中直接加入不同幅度的13.56 MHz頻率分量，然后輸入到接收系統中測試誤碼率。圖4(c)測試曲線可以看出采用帶通濾波器的接收系統可以容忍52 dBc的13.56 MHz干擾。利用索尼Xperia Z5(E6653)手機中拆出的1297-6908 NFC天線模塊，信號發(fā)生器輸出13.56 MHz、30 dBm的信號到該天線上。接收系統在傳輸距離10 cm的情況下進行測試。當天線平行于信號通路(即手腕處)時，即使將天線平放于手腕上，接收系統的誤碼率也沒有明顯增加。當天線平行于接收系統電路板時，天線與接收系統的距離和誤碼率的關系，見圖4(d)。發(fā)射功率為1瓦的NFC天線在5 mm以內才能使接收系統誤碼率超過0.1%。GC-BCC接收系統性能，見表1。該系統實現最高數據率和最低功耗以及抗中心頻率偏差和抗時鐘頻率偏移。表1中另兩項工作的測試介質是Tissue-simulating Liquid MSL27，而接收系統是在人體手腕處測試，噪聲更大，導致傳輸距離短，但與實際情況更為相符，主要優(yōu)點在于能自適應中心頻率和容忍時鐘頻率偏差，為未來全芯片GC-BCC收發(fā)機省去片外晶振提供基礎，以實現節(jié)點的小型化。

圖4 測試結果

表1 GC-BCC接收系統性能比較

5 結語

針對近場通信技術尺寸大、安全性不高的問題，本文首次提出GC-BCC接收系統具體應用，設計中心頻率偏差容忍度-15%～10%的數模混合GFSK解調電路以及抗中心頻率偏差、抗時鐘頻率偏移的GFSK解調接收系統，優(yōu)點在于安全、可靠且體積小，具有較高的研發(fā)價值和廣闊的應用前景。