傳感器信號人體通信技術(shù)

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摘要:傳感器信號人體通信機(jī)理研究是通過生理傳感器作為被測人體的生理信息采集節(jié)點(diǎn)，以人體體表作為傳感器輸出信號的傳輸媒質(zhì)，進(jìn)行人體信息監(jiān)測的一種新型的技術(shù)手段及方法。通過對人體信道特性、信號耦合方法的深入研究，設(shè)計(jì)了合理的傳感器信號處理鏈路、信號調(diào)制方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器信號人體通信的可行性。

關(guān)鍵詞:人體通信;傳感器;信號鏈

0引言

以傳感器獲取人體的生理信息正被廣泛地應(yīng)用于健康監(jiān)測、醫(yī)療診斷、健身娛樂、單兵作戰(zhàn)等領(lǐng)域。目前，研究的熱點(diǎn)之一是將人體本身作為生理信息的傳輸媒質(zhì)來實(shí)現(xiàn)生理傳感器輸出信號的傳輸。要完成生理信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)從信號采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⒆R別與提取的整個(gè)信號回路的閉合，就需要通過傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、微功耗技術(shù)、通信技術(shù)作為其技術(shù)支撐與保障。如何將這些技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，應(yīng)用于人體通信傳感器信號的采集、傳輸與識別，實(shí)現(xiàn)生理信號的實(shí)時(shí)監(jiān)測正是本文的主要研究內(nèi)容。通過建立以生理傳感器為測試節(jié)點(diǎn)，以人體本身作為各點(diǎn)信號與接收機(jī)之間的傳輸媒質(zhì)，建立起基于人體通信的人體信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。影響傳感器信號人體通信的主要參數(shù)包括信號耦合方式、信號電壓、信號電流、載波頻率、編碼方式、傳輸速率等參數(shù)特征。下文將對這些因素對傳感器信號人體通信的影響進(jìn)行詳細(xì)研究和分析。

1通信信道特性

1．1人體信道電磁特性

人體組織和其他導(dǎo)電介質(zhì)一樣都遵循電磁波傳輸理論，當(dāng)在人體加載電場時(shí)，電磁場在人體內(nèi)部有一定的趨膚深度，人體組織可看作電導(dǎo)率很小的介質(zhì)，其趨膚深度為［1－2］:δ=2σ槡εμ(1)式中:σ是電導(dǎo)率，ε是相對介電常數(shù)，μ是磁導(dǎo)率，由于人體組織是非磁性材料，因此這里的磁導(dǎo)率為真空磁導(dǎo)率1。當(dāng)σ/ωε1時(shí)，人體組織可看作電導(dǎo)率很大的介質(zhì)，其趨膚深度為:δ=ε槡πμσf(2)式中:f是外加電磁場頻率。為了減小傳感器信號通過人體進(jìn)行信號傳輸時(shí)對人體內(nèi)部組織的影響，應(yīng)有效利用趨膚效應(yīng)，使傳感器信號沿人體體表進(jìn)行傳輸。

1．2人體信道安全性要求

在考慮采用人體作為信號傳輸通道的場合，需要考慮其所能承受的安全電流等相關(guān)特性。外露于電、磁時(shí)變效應(yīng)的安全限制，基于建立的健康效應(yīng)的電磁場(EMF)參見國際委員會(huì)的電離輻射防護(hù)(ICNIRP)。如圖1所示，根據(jù)頻率的領(lǐng)域，物理量用來指定外露在EMF的基本限制如下:頻率范圍1Hz～10MHz的電流密度(J);指定頻率范圍100kHz～10GHz的能量吸收率(SAR);頻率范圍10～300GHz的功率密度(S)。在設(shè)計(jì)基于人體通信的生理傳感器時(shí)，考慮到其低發(fā)射功率、低能耗、長期使用的要求。選擇了1kHz～10MHz作為信號的傳輸頻段，并根據(jù)該頻段對電流密度的要求，結(jié)合表1將傳感器輸出信號的電流控制在如表所示的頻率范圍與之對應(yīng)的電流范圍以內(nèi)。

2傳感器信號人體耦合方法及對比

基于本文第一部分對以人體作為通信信道的信道特性的分析后，要想穩(wěn)定可靠地完成傳感器信號在人體信道中的傳輸，需要選擇合理的信號耦合方式。同無線通信通過空氣進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸不同，人體通信信道是電磁特性復(fù)雜的人體組織結(jié)構(gòu)。如何采取有效方式將信號耦合，進(jìn)人體信道并實(shí)現(xiàn)信號在人體信道中的高效傳輸是實(shí)現(xiàn)人體通信最為關(guān)鍵的問題。目前主要認(rèn)為人體通信系統(tǒng)通過三種方式將信號耦合到人體信道:電流耦合、電容耦合、天線耦合［3－4］。電流耦合將人體當(dāng)作導(dǎo)體，需要從人體接導(dǎo)線引出信號，不適于高頻傳輸;電容耦合即通過靜電場耦合，不需要導(dǎo)線，卻易受外界環(huán)境的干擾;天線耦合即通過電磁波耦合，利用波導(dǎo)效應(yīng)將電磁信號耦合到人體，利用人體完成電磁信號的傳導(dǎo)。根據(jù)生理信號傳感器輸出信號具有低發(fā)射功率、低能耗、長期使用的特點(diǎn)，選擇電場耦合作為傳感器輸出信號的耦合方式。

3傳感信號處理方法

3．1傳感器信號鏈路設(shè)計(jì)

3．1．1發(fā)射信號鏈路

傳感器節(jié)點(diǎn)作為傳感器信號的發(fā)射端，通過將采集到的具有生理信息的模擬信號進(jìn)行數(shù)字調(diào)制的方式將其加載到用于人體通信的載波信號中。信號發(fā)射過程為:將采集到的微弱的生理電信號進(jìn)行放大，經(jīng)過濾波濾除噪聲分量，將原始的模擬信號轉(zhuǎn)換為方波形式的數(shù)字信號，對得到的數(shù)字信號進(jìn)行信號編碼，將編碼后的數(shù)字信號調(diào)制到指定頻率的正弦波交流載波頻段，對調(diào)制后的信號進(jìn)行功率放大并進(jìn)行發(fā)送。

3．1．2接收信號鏈路

采用多點(diǎn)傳感器發(fā)射信號、一點(diǎn)接收機(jī)接收信號的模式，通過佩戴在手腕或腰部的信號接收機(jī)，對多人體通信載波中的多路傳感器信號進(jìn)行識別和處理。接收機(jī)信號接收過程為:先通過帶通濾波器得到全部傳感器所發(fā)射的有用信號，通過取樣電路將通過電流耦合進(jìn)接收機(jī)的人體通信信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過低通濾波去掉信號中的載波分量，通過帶通濾波得到指定傳感器發(fā)射的信號，對該信號進(jìn)行低噪聲放大，然后進(jìn)行信號整形去除尖峰脈沖等干擾，最終通過與編碼對應(yīng)的解碼方式對信號進(jìn)行解碼還原出原始的生理電信息。

3．2傳感器微功耗設(shè)計(jì)

由于采用的是基于mA級電流傳輸?shù)恼也ń涣餍盘栕鳛槿梭w通信載波信號，則可將載波信號本身作為傳感器供電能量的來源，根據(jù)電磁耦合的基本原理，將載波信號中攜帶的電能耦合到傳感器電路中實(shí)現(xiàn)通過載波為生理傳感器進(jìn)行供電的功能。因此可以簡化傳感器電路，減小傳感器功耗，減小傳感器的體積，降低傳感器的成本，保證生理傳感器可以長期穩(wěn)定有效的進(jìn)行工作。

3．3多信號調(diào)制解調(diào)方法

由于所建立的人體生理信息監(jiān)測系統(tǒng)，對位于身體不同部位的多個(gè)生理參數(shù)進(jìn)行信息采集，所以輸出傳感信號的調(diào)制解調(diào)方式適應(yīng)同時(shí)對多點(diǎn)測量信息實(shí)現(xiàn)收發(fā)的功能。采用頻分復(fù)用的方法將多傳感器節(jié)點(diǎn)輸出的信號加載到用于人體通信的載波信號上。

4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

以信號發(fā)生器在指定頻率點(diǎn)產(chǎn)生峰峰值為3．3V的正弦波波信號時(shí)不同頻率下信號的衰減程度隨著頻率的增高，其信號衰減程度也逐漸升高。但作為其接收值幾百mV的電壓值，相對于接收端電路仍是一個(gè)相對較大的可以識別并便于信號處理的電壓值。當(dāng)信號的調(diào)制頻率過高時(shí)，信號向人體體表以外的空間進(jìn)行輻射。但信號頻率過低時(shí)，其信號波長將逐步增加，導(dǎo)致信號并非沿體表傳輸而是在體內(nèi)進(jìn)行傳輸。所以需要權(quán)衡以上因素，選擇100kHz、200kHz兩個(gè)頻率作為編碼后的數(shù)據(jù)信號的調(diào)制頻率。

5結(jié)論

傳感信號人體通信技術(shù)是一項(xiàng)全新生理狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，其以生理傳感器為信息采集節(jié)點(diǎn)，以人體作為信號傳輸媒質(zhì)，實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)交換。目前，隨著可穿戴智能設(shè)備的大力發(fā)展，以人體作為信號傳輸媒質(zhì)的信號傳輸方式有了更廣泛的應(yīng)用空間和更大的商業(yè)價(jià)值。以人體作為傳感器信號通信介質(zhì)，與其他無線體域網(wǎng)信號傳輸方式相比，有效地避免了通過無線電波輻射進(jìn)行信號傳輸時(shí)，對周圍無線電環(huán)境產(chǎn)生的干擾;同時(shí)也抑制了環(huán)境噪聲對傳感器信號傳輸產(chǎn)生的影響。在一些對電磁環(huán)境有特殊要求的應(yīng)用場合，該技術(shù)體現(xiàn)出其獨(dú)有的價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

［1］呂英華．計(jì)算電磁學(xué)的數(shù)值方法［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2006．

［2］盛新慶．計(jì)算電磁學(xué)要論［M］．合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2004．

作者：劉慧 劉志遠(yuǎn) 劉柏青 單位：中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所