基于医疗监护的无线体域网接收系统设计

王亭亭 陈鹏鹏 杨 帆 刘爱贤

(首都医科大学附属北京康复医院 北京100144) (北京无线电测量研究所北京100854) (首都医科大学附属北京康复医院 北京100144)

1 引言

随着我国人口老龄化日益严重，健康监护领域亟待完善。老年人自身免疫力弱、环境污染越发严重、医疗监护人员匮乏等原因给医疗保健体系造成巨大负担，无线体域网(Wireless Body Area Network,WBAN)有助于解决该问题。WBAN技术迅速发展，其应用领域延伸到很多方面，如人体监护、运动休闲、购物支付等。WBAN节点具有低功耗、小型化、通信可靠、安全性高、低成本等特点，使节点寿命延长、方便植入或穿戴、提高安全系数以及方便大规模推广。WBAN系统一般会有1个主节点，用来与身体各处的子节点进行通信，子节点之间也可以相互通信。主节点控制子节点，负责收集子节点信息，将信息传输并发送到因特网等终端，再传给医生、医院或数据中心等。商用的一些可用于体外节点通信的收发系统具有数据率低、灵敏度高、调制方式简单等特点，针对当前存在数据率偏低、功耗偏高的缺点，建立数据率高、功耗低、面积小的接收系统，使其满足WBAN体表穿戴节点要求。

2 无线体域网人体信道通信技术

2.1 现状

2.1.1 概述 当前近场通信(Near Field Communication,NFC)应用十分广泛，广泛集成在智能手机中，在数据传输、门禁钥匙、交易支付等领域都有涉及[1]，NFC天线通常是4×4 cm，尺寸较大，因此多集成在卡片、手机中，在手环等小型穿戴式设备中集成比较困难。同时NFC的安全性有待提高，被盗刷的事件时有发生。与NFC相比人体信道通信技术(Body Channel Communication,BCC)在便携式应用中有较大优势，一方面BCC收发机不需要天线，电极尺寸更小，另一方面BCC以人体为信道，不同于NFC的空气信道，更加安全，不易被非法获取。对于体表节点，小型化确保穿戴舒适性，有必要移除节点中的天线、片外晶振等。当前的研究热点是人体信道通信技术以电极代替天线使用。医院所用电极面积约为1cm2，比天线尺寸小得多，更容易实现节点小型化[2]。部分生理信号传感器需要植入人体内部,很难更换电池,因此从用户易用性角度和更换电池复杂性来说,提供易用、可持续医疗监护服务十分必要。

2.1.2 人体信道通信类别 BCC是近年研究热点[3]，人体信道通信分为两类，即电容耦合型人体信道通信(CC-BCC)和电流耦合型人体信道通信(GC-BCC)。其中电容耦合型工作在几十兆赫兹的频带，前向路径在人体表面传播，后向路径利用地电极(GND电极)和大地电容耦合，进而形成完整信号回路。在IEEE 802.15.6标准中规定CC-BCC的通信标准，工作频率为21MHz，数据率为1 312.5kbps，为提高CC-BCC收发机性能，地电极通常需要较大面积，导致节点体积难以减小。目前还没有标准来规范GC-BCC，GC-BCC直接利用贴在人体表面的4个电极实现通信。相比CC-BCC，GC-BCC的通信频带低，传输距离短，不需要大型地电极，容易实现小型化，同时其信号只在皮肤表面传播，而CC-BCC信号需要经过地电极和大地通过空气耦合的通路，因此GC-BCC的传输方式更安全，不易被干扰和侦测[4]。

2.2 结构特点

当前针对GC-BBC的研究，信道分析与建模较多，而接收系统研究较少。关于GC-BCC接收系统设计，根据文献调研结果，有两篇文献[4-5]报道GC-BCC接收系统且使用的结构完全相同，见图1。使用放大器、带通滤波器、模数转换器(Analog Digital Converter,ADC)，采用二进制相移键控(BPSK)调制方式在数字域内实现解调，其中一篇文献[5]显示其功耗高达400 mW，另一篇文献[6]显示其功耗更是高达726 mW。有关GC-BCC信道频率特性的研究表明GC-BCC信道在200 kHz信道的衰减最小。为降低功耗简单的二进制调制方式是最常用的。二进制数字频率调制(2FSK)或高斯频移键控(GFSK)在无线体域网中应用很广泛[6]，GFSK相比2FSK具有更强的抗干扰能力，可以用限幅放大器代替可变增益放大器，不需要ADC[7]。因此设计新型的GC-BCC接收系统以降低功耗和硬件成本。

图1 现有的GC-BCC接收系统结构

3 抗频率偏差的GC-BCC接收系统设计

3.1 系统结构

为实现体表穿戴节点的小型化和低功耗，不能使用以往结构中的大尺寸天线和晶体振荡器，拟实现无需天线、抗频率偏差的GC-BCC接收系统。需结合实际应用场景代替传统NFC通信，实现手腕穿戴和手持设备的通信，具有小型化、低功耗和高安全性特点，采用抗干扰性强的GFSK调制方式实现码元恢复。如何使GFSK解调和码元同时恢复具有抗频偏的功能是GC-BCC接收系统设计难点。基于GFSK调制方式设计的GC-BCC接收系统结构，见图2。相比于现有的接收系统结构，该系统实现方式更加简单，其调制频偏50 kHz，接收系统的抗干扰性能较BPSK更好。为使GC-BCC不需要片外晶振，对频率偏移进行处理。普通的片外晶振精度一般<5ppm，而自由振荡器精度一般<200ppm，这就需要接收系统至少能容忍200ppm时钟频率偏移。GFSK的解调对频率偏移较为敏感，因此接收系统需要同时抗GFSK信号中心频率偏差和时钟信号频率偏移。

图2 基于GFSK调制方式设计的GC-BCC接收系统结构

3.2 解调方式

3.2.1 概述 GFSK调制方式在无线体域网、蓝牙、无线传感网等都有广泛应用，关于GFSK解调器的研究工作也有很多[8-9]。GFSK解调器的解调方式主要分为中频微分器法、延迟锁定法、时间数字转换器法、延时正交解调法、过零点检测法5类。基于过零点检测方法将GFSK解调器进行改良，通过数模混合方式实现的GFSK解调电路结构，见图3。

3.2.2 原理 限幅放大后的GFSK信号经过数字脉冲发生器，在过零点处产生脉冲，然后经过低通滤波器滤除高频部分，带通滤波器滤除中心频率偏差带来的直流漂移，再经过迟滞比较器得到解调后的信号。通过时钟采样限幅后的GFSK信号，在每个上升沿和下降沿处产生一定宽度的脉冲信号，频率高时上下沿多，输出的脉冲也多，从而将频率信息转移到脉冲数目上。经过低通滤波器，脉冲数目高的滤波后的幅度大，即频率高时低通滤波器的输出幅度大，频率低时低通滤波器的输出幅度小。再经过低通滤波器滤除直流漂移，最后迟滞比较器实现数据的判决。比较器输出不会因为频率的抖动带来误码，保证输出结果的准确率。低通滤波器解调出的数据经过带通滤波器后其上升沿和下降沿基本保持不变，但高电平和低电平经过带通滤波器后变为直流点，在下一个上升沿或下降沿到来前只要其抖动不超过迟滞比较器的阈值，迟滞比较器的输出保持不变。当频率向高频处偏移时低通滤波器的输出平均电平值提高，当频率向低频处偏移时低通滤波器的输出平均电平值降低。但只要低通滤波器的输出不发生切顶或切底失真，后面经过带通滤波器后即可滤除中频频率偏移。该结构能够承受微小的频率偏移，不影响解调结果的准确性。

图3 GC-BCC接收系统中GFSK解调器的实现

4 GC-BCC接收系统测试

4.1 测试方法

使用软件Matlab生成GFSK数据，再由信号发生器输出GFSK信号到接收系统中。逻辑分析仪通过芯片中的SPI总线串行提供控制字，同时根据芯片输出的数据同步信号来采样数据，得到误码率(BER)。两个差分信号转换器用来隔离信号发生器和电路板的地，模拟实际应用时GC-BCC发射机和接收系统的地是不连通的。在手腕上测试时相同端口两个电极的距离为5cm。研究表明相同端口电极的距离越远，传输距离越大。考虑到手腕设备的特点，5cm是比较合理的尺寸。

4.2 测试结果与分析

测试结果，见图4。图4(a)表示在信号发生器的输出信号为0.9V峰值条件下测试200 kHz时不同传输距离的信道衰减情况，同一端口两个电极的间距设置为5 cm。在10 cm传输距离时信道衰减大约为65 dB。图4(b)展示传输距离和误码率的关系。在信号发生器输出0.9V峰值电压时传输距离可达10 cm，满足手腕设备到手持设备的通信距离。为验证接收系统的抗干扰性能，对最常见的13.56 MHz NFC信号进行对比测试。分为两种情况，一种是直接在调制信号中加入13.56 MHz频率，输入到接收系统中测试误码率情况；另一种是将13.56 MHz信号输入到NFC天线中，测试天线信号对接收性能的影响。峰值为1 mV的GFSK信号中直接加入不同幅度的13.56 MHz频率分量，然后输入到接收系统中测试误码率。图4(c)测试曲线可以看出采用带通滤波器的接收系统可以容忍52 dBc的13.56 MHz干扰。利用索尼Xperia Z5(E6653)手机中拆出的1297-6908 NFC天线模块，信号发生器输出13.56 MHz、30 dBm的信号到该天线上。接收系统在传输距离10 cm的情况下进行测试。当天线平行于信号通路(即手腕处)时，即使将天线平放于手腕上，接收系统的误码率也没有明显增加。当天线平行于接收系统电路板时，天线与接收系统的距离和误码率的关系，见图4(d)。发射功率为1瓦的NFC天线在5 mm以内才能使接收系统误码率超过0.1%。GC-BCC接收系统性能，见表1。该系统实现最高数据率和最低功耗以及抗中心频率偏差和抗时钟频率偏移。表1中另两项工作的测试介质是Tissue-simulating Liquid MSL27，而接收系统是在人体手腕处测试，噪声更大，导致传输距离短，但与实际情况更为相符，主要优点在于能自适应中心频率和容忍时钟频率偏差，为未来全芯片GC-BCC收发机省去片外晶振提供基础，以实现节点的小型化。

图4 测试结果

表1 GC-BCC接收系统性能比较

5 结语

针对近场通信技术尺寸大、安全性不高的问题，本文首次提出GC-BCC接收系统具体应用，设计中心频率偏差容忍度-15%～10%的数模混合GFSK解调电路以及抗中心频率偏差、抗时钟频率偏移的GFSK解调接收系统，优点在于安全、可靠且体积小，具有较高的研发价值和广阔的应用前景。