基于醫(yī)療監(jiān)護(hù)的無線體域網(wǎng)接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王亭亭 陳鵬鵬 楊 帆 劉愛賢

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京康復(fù)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(xué)附屬北京康復(fù)醫(yī)院 北京100144)

1 引言

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

2 無線體域網(wǎng)人體信道通信技術(shù)

2.1 現(xiàn)狀

2.1.1 概述 當(dāng)前近場通信(Near Field Communication,NFC)應(yīng)用十分廣泛，廣泛集成在智能手機(jī)中，在數(shù)據(jù)傳輸、門禁鑰匙、交易支付等領(lǐng)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(jī)中，在手環(huán)等小型穿戴式設(shè)備中集成比較困難。同時(shí)NFC的安全性有待提高，被盜刷的事件時(shí)有發(fā)生。與NFC相比人體信道通信技術(shù)(Body Channel Communication,BCC)在便攜式應(yīng)用中有較大優(yōu)勢，一方面BCC收發(fā)機(jī)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(diǎn)，小型化確保穿戴舒適性，有必要移除節(jié)點(diǎn)中的天線、片外晶振等。當(dāng)前的研究熱點(diǎn)是人體信道通信技術(shù)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(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)小型化[2]。部分生理信號傳感器需要植入人體內(nèi)部,很難更換電池,因此從用戶易用性角度和更換電池復(fù)雜性來說,提供易用、可持續(xù)醫(yī)療監(jiān)護(hù)服務(wù)十分必要。

2.1.2 人體信道通信類別 BCC是近年研究熱點(diǎn)[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?，后向路徑利用地電極(GND電極)和大地電容耦合，進(jìn)而形成完整信號回路。在IEEE 802.15.6標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定CC-BCC的通信標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率為21MHz，數(shù)據(jù)率為1 312.5kbps，為提高CC-BCC收發(fā)機(jī)性能，地電極通常需要較大面積，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)體積難以減小。目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范GC-BCC，GC-BCC直接利用貼在人體表面的4個(gè)電極實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)小型化，同時(shí)其信號只在皮膚表面?zhèn)鞑ィ鳦C-BCC信號需要經(jīng)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)

當(dāng)前針對GC-BBC的研究，信道分析與建模較多，而接收系統(tǒng)研究較少。關(guān)于GC-BCC接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，有兩篇文獻(xiàn)[4-5]報(bào)道GC-BCC接收系統(tǒng)且使用的結(jié)構(gòu)完全相同，見圖1。使用放大器、帶通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog Digital Converter,ADC)，采用二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)調(diào)制方式在數(shù)字域內(nèi)實(shí)現(xiàn)解調(diào)，其中一篇文獻(xiàn)[5]顯示其功耗高達(dá)400 mW，另一篇文獻(xiàn)[6]顯示其功耗更是高達(dá)726 mW。有關(guān)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(jìn)制調(diào)制方式是最常用的。二進(jìn)制數(shù)字頻率調(diào)制(2FSK)或高斯頻移鍵控(GFSK)在無線體域網(wǎng)中應(yīng)用很廣泛[6]，GFSK相比2FSK具有更強(qiáng)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(shè)計(jì)新型的GC-BCC接收系統(tǒng)以降低功耗和硬件成本。

圖1 現(xiàn)有的GC-BCC接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 抗頻率偏差的GC-BCC接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)體表穿戴節(jié)點(diǎn)的小型化和低功耗，不能使用以往結(jié)構(gòu)中的大尺寸天線和晶體振蕩器，擬實(shí)現(xiàn)無需天線、抗頻率偏差的GC-BCC接收系統(tǒng)。需結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場景代替?zhèn)鹘y(tǒng)NFC通信，實(shí)現(xiàn)手腕穿戴和手持設(shè)備的通信，具有小型化、低功耗和高安全性特點(diǎn)，采用抗干擾性強(qiáng)的GFSK調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)碼元恢復(fù)。如何使GFSK解調(diào)和碼元同時(shí)恢復(fù)具有抗頻偏的功能是GC-BCC接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)?；贕FSK調(diào)制方式設(shè)計(jì)的GC-BCC接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，見圖2。相比于現(xiàn)有的接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式更加簡單，其調(diào)制頻偏50 kHz，接收系統(tǒng)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(jìn)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(tǒng)至少能容忍200ppm時(shí)鐘頻率偏移。GFSK的解調(diào)對頻率偏移較為敏感，因此接收系統(tǒng)需要同時(shí)抗GFSK信號中心頻率偏差和時(shí)鐘信號頻率偏移。

圖2 基于GFSK調(diào)制方式設(shè)計(jì)的GC-BCC接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 解調(diào)方式

3.2.1 概述 GFSK調(diào)制方式在無線體域網(wǎng)、藍(lán)牙、無線傳感網(wǎng)等都有廣泛應(yīng)用，關(guān)于GFSK解調(diào)器的研究工作也有很多[8-9]。GFSK解調(diào)器的解調(diào)方式主要分為中頻微分器法、延遲鎖定法、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器法、延時(shí)正交解調(diào)法、過零點(diǎn)檢測法5類?；谶^零點(diǎn)檢測方法將GFSK解調(diào)器進(jìn)行改良，通過數(shù)?；旌戏绞綄?shí)現(xiàn)的GFSK解調(diào)電路結(jié)構(gòu)，見圖3。

3.2.2 原理 限幅放大后的GFSK信號經(jīng)過數(shù)字脈沖發(fā)生器，在過零點(diǎn)處產(chǎn)生脈沖，然后經(jīng)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(jīng)過遲滯比較器得到解調(diào)后的信號。通過時(shí)鐘采樣限幅后的GFSK信號，在每個(gè)上升沿和下降沿處產(chǎn)生一定寬度的脈沖信號，頻率高時(shí)上下沿多，輸出的脈沖也多，從而將頻率信息轉(zhuǎn)移到脈沖數(shù)目上。經(jīng)過低通濾波器，脈沖數(shù)目高的濾波后的幅度大，即頻率高時(shí)低通濾波器的輸出幅度大，頻率低時(shí)低通濾波器的輸出幅度小。再經(jīng)過低通濾波器濾除直流漂移，最后遲滯比較器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的判決。比較器輸出不會因?yàn)轭l率的抖動帶來誤碼，保證輸出結(jié)果的準(zhǔn)確率。低通濾波器解調(diào)出的數(shù)據(jù)經(jīng)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(jīng)過帶通濾波器后變?yōu)橹绷鼽c(diǎn)，在下一個(gè)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(dāng)頻率向高頻處偏移時(shí)低通濾波器的輸出平均電平值提高，當(dāng)頻率向低頻處偏移時(shí)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(jīng)過帶通濾波器后即可濾除中頻頻率偏移。該結(jié)構(gòu)能夠承受微小的頻率偏移，不影響解調(diào)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3 GC-BCC接收系統(tǒng)中GFSK解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)

4 GC-BCC接收系統(tǒng)測試

4.1 測試方法

使用軟件Matlab生成GFSK數(shù)據(jù)，再由信號發(fā)生器輸出GFSK信號到接收系統(tǒng)中。邏輯分析儀通過芯片中的SPI總線串行提供控制字，同時(shí)根據(jù)芯片輸出的數(shù)據(jù)同步信號來采樣數(shù)據(jù)，得到誤碼率(BER)。兩個(gè)差分信號轉(zhuǎn)換器用來隔離信號發(fā)生器和電路板的地，模擬實(shí)際應(yīng)用時(shí)GC-BCC發(fā)射機(jī)和接收系統(tǒng)的地是不連通的。在手腕上測試時(shí)相同端口兩個(gè)電極的距離為5cm。研究表明相同端口電極的距離越遠(yuǎn)，傳輸距離越大?？紤]到手腕設(shè)備的特點(diǎn)，5cm是比較合理的尺寸。

4.2 測試結(jié)果與分析

測試結(jié)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(shí)不同傳輸距離的信道衰減情況，同一端口兩個(gè)電極的間距設(shè)置為5 cm。在10 cm傳輸距離時(shí)信道衰減大約為65 dB。圖4(b)展示傳輸距離和誤碼率的關(guān)系。在信號發(fā)生器輸出0.9V峰值電壓時(shí)傳輸距離可達(dá)10 cm，滿足手腕設(shè)備到手持設(shè)備的通信距離。為驗(yàn)證接收系統(tǒng)的抗干擾性能，對最常見的13.56 MHz NFC信號進(jìn)行對比測試。分為兩種情況，一種是直接在調(diào)制信號中加入13.56 MHz頻率，輸入到接收系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)可以容忍52 dBc的13.56 MHz干擾。利用索尼Xperia Z5(E6653)手機(jī)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(tǒng)在傳輸距離10 cm的情況下進(jìn)行測試。當(dāng)天線平行于信號通路(即手腕處)時(shí)，即使將天線平放于手腕上，接收系統(tǒng)的誤碼率也沒有明顯增加。當(dāng)天線平行于接收系統(tǒng)電路板時(shí)，天線與接收系統(tǒng)的距離和誤碼率的關(guān)系，見圖4(d)。發(fā)射功率為1瓦的NFC天線在5 mm以內(nèi)才能使接收系統(tǒng)誤碼率超過0.1%。GC-BCC接收系統(tǒng)性能，見表1。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最高數(shù)據(jù)率和最低功耗以及抗中心頻率偏差和抗時(shí)鐘頻率偏移。表1中另兩項(xiàng)工作的測試介質(zhì)是Tissue-simulating Liquid MSL27，而接收系統(tǒng)是在人體手腕處測試，噪聲更大，導(dǎo)致傳輸距離短，但與實(shí)際情況更為相符，主要優(yōu)點(diǎn)在于能自適應(yīng)中心頻率和容忍時(shí)鐘頻率偏差，為未來全芯片GC-BCC收發(fā)機(jī)省去片外晶振提供基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的小型化。

圖4 測試結(jié)果

表1 GC-BCC接收系統(tǒng)性能比較

5 結(jié)語

針對近場通信技術(shù)尺寸大、安全性不高的問題，本文首次提出GC-BCC接收系統(tǒng)具體應(yīng)用，設(shè)計(jì)中心頻率偏差容忍度-15%～10%的數(shù)?；旌螱FSK解調(diào)電路以及抗中心頻率偏差、抗時(shí)鐘頻率偏移的GFSK解調(diào)接收系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)在于安全、可靠且體積小，具有較高的研發(fā)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。