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，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，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，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，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，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，對周圍無線電環(huán)境產(chǎn)生的干擾;同時也抑制了環(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