电耦合型人体通信收发器的设计与实现

摘  要： 针对电流耦合型人体通信的特点，以FPGA为平台，分别设计出基于DDS的2CPFSK调制器、全数字锁相环位同步电路和信号解调器。此外，外围电路实现了发送端低通滤波、信号保持和接收端前处理等功能。最后对电流耦合型人体通信收发器的进行人体实验。实验结果表明收发器满足设计要求，可以实现数字基带信号在人体内的传输。
关键词： 人体通信； 电流耦合； 收发器； FPGA； 位同步
       体域网BAN(Body Area Networks)以健康监护为发展源动力，并将广泛应用于医疗保健、运动监测、个人娱乐等领域。BAN以人为中心的特殊运行环境，带来一系列有别于常规传感器网络的研究内容。其中，如何在人体环境中实现终端传感器之间有效的数据通信是组建体域网的一项共性关键技术[1-3]。由于BlueTooth、WLAN、RFID、Zigbee等成熟的无线通信协议都是针对其他应用而设计，对于体域网以人为中心的工作环境和长期、连续监测的运行特点而言，存在诸多缺陷和冗余[4-5]。
　人体通信IBC(Intra-body Communication)是一种新兴的短距离通信方式。它将人体本身作为信息传输媒质[6]，较之常见的无线通信技术，具有功耗极低、无需天线设计、无频段限制、辐射小、传输距离仅限于人体等特点，是实现各种体表/体内传感器之间信息传输和组建体域网的一种新型、有效方法[4-8]。
　　电流耦合型人体通信由人体表面一对发送电极向人体注入安全交变电流，接收端电极在人体其他部位差分接收电压信号。由于信息传输完全依赖于人体，不受外部环境影响，电流耦合型人体通信较其他人体通信实现方式具有更好的适应性和稳定性，且兼具体表、体内通信功能，是人体通信技术新的发展方向[4,7]。
　    目前，关于电流耦合型人体通信的研究多数集中在人体电磁建模、数值仿真、信道特性分析等方面[4,7-9]。研制一套直接针对数字基带信号传输的电流耦合型人体通信的收发器，实现电流信号在人体的调制、解调和发送接收，对于前期研究结果有效性的验证及后续研制出适用于体域网的人体通信样机具有重要意义。在FPGA的平台上，采用直接频率合成DDS(Direct Digital Synthesis)技术实现数字基带信号的2CPFSK(2 Continuous Phase FSK，二进制连续相位移频键控)调制；辅以信号保持、调理等外围电路，实现信号在人体的可靠传输和接收；进而采用非相干解调和全数字锁相环的位同步方法实现码元可靠恢复。最终开展人体实验，验证设计方案的可行性和正确性。
1 设计原则
　所有人体组织都是非磁性的。只考虑其介电特性。由图1可见，人体组织介电特性随频率变化而变化[10]。电导率随频率增加而变大；相对介电常数随频率增加而减小。这种明显的色散特性是导致人体信道特性复杂的最主要因素。鉴于此，首先，发送器的设计采用恒流信号输出，以满足人体安全电流限制规定[11]，确保人体实验的安全性。其次，为避免因人体信道带宽有限带来的信号失真，采用频谱单一的正弦波形作为人体通信的载波信号。
   
   
　此外，前期研究表明，电流耦合型人体通信中大部分电信号从肌肉组织中流过[1,7,9]。为提高通信可靠性和成功率，讨论肌肉组织准静态近似条件[4,12]，使电信号主要以传导电流形式在人体传播，减小位移电流可能引起的不确定性。为此，文中所采用2CPFSK调制方法载波频率设为50 kHz和100 kHz,基本满足肌肉的准静态近似条件。
2 发送器设计
　电流耦合型人体通信发送器由调制器、低通滤波器、信号保持电路构成，如图2所示。调制器采用DDS技术实现2CPFSK调制，将数字基带信号调制成相位连续信号，经D/A转换输出模拟正弦信号。由低通滤波器滤除高次谐波和杂散干扰后，再经信号保持电路得到适合于人体传输的正弦交变恒电流信号。
   
   2.1 调制器设计
　调制器采用2CPFSK调制方式，由调制控制端（数据缓冲器、码速控制器、移位寄存器和跳变检测器）和DDS模块构成，如图3所示。
   
   　数据缓冲器和移位寄存器用于保持同步和提高数据传输速率。码速控制器依据数据传输速率将工作时钟分频后作为移位寄存器的时钟。当数字基带信号存在“0”、“1”交替时，跳变检测器输出频率控制字及DDS模块中累加器的清零信号，保证码元边沿与正弦信号零相位对齐，确保相位连续[13]。
     DDS模块由32位异步清零相位累加器、波形存储器和D/A转换器构成。在工作时钟下，相位累加器对跳变检测器输出的频率控制字进行相位累加，其输出数据作为波形存储器的输入地址，以提取相应的正弦值，完成相位向幅度的转变。然后，经过D/A转换器输出相应的正弦模拟信号的阶梯波。D/A转换由ADV7123数模转换芯片实现。

　    依据式(1)、(2)得：DDS频率分辨率为0.011 6 Hz，50 kHz和100 kHz载波频率分别对应频率控制字4 294 967和8 589 934。
　此外，由于DDS模块存在固有的相位截断误差、幅度量化误差、转换误差等干扰因素，必须在DDS模块输出端设计一个低通滤波器，去除信号的高频分量和杂散信号。
2.2 发送端信号保持电路
　信号保持电路以电流反馈型放大器AD844为核心，如图4所示。AD844内部采用电流镜技术[14]。当正端加入电压信号时，输入电压原样送到反相输入端，并在电阻R0上产生电流。运算放大器次级产生与之相等的电流流过Rt‖Ct。由于Rt‖Ct>>RL，当在Z点接入负载电阻RL，电流几乎全部流入RL。信号保持电路输出电流信号大小为Io=Vi/R0。调节R0，使I0=1 mA，满足人体安全电流阈值。
   
   3 接收器设计
　电流耦合型人体通信接收器采用非相干解调法，由信号调理电路、2CPFSK解调和位同步电路组成，如图2所示。接收电极差分检测体表电位信号，信号调理电路进行放大、滤波、整形和电平转换，得到适于输入FPGA的数字信号。基于FPGA设计的2CPFSK解调模块和位同步模块将脉冲信号恢复成原始基带信号。
3.1 前处理电路设计
　前处理电路包括放大、滤波、限幅整形和电平转换。仪表放大器AD620差分放大检测信号,增益约为26 dB。带通滤波电路中心频率设计为75 kHz，带宽70 kHz。
　限幅整形电路包括迟滞比较器和整形电路。迟滞比较器对输入信号进行过零检测，转换为方波信号。由于迟滞比较具有一定抗干扰能力，但也使灵敏度降低，实验中需要折中考虑迟滞时间。整形电路采用高速施密特反相器，使信号边沿更加陡峭，便于进入FPGA后的频率检测。
　电平转换电路使整形电路输出信号满足FPGA引脚的输入电平要求。
3.2 2CPFSK解调器设计
　2CPFSK解调器包括2CPFSK信号译码、抽样判决和位同步三部分，由FPGA实现，如图2所示。
　译码器通过检测方波信号的频率恢复出对应的数字基带信号“0”或“1”。在输入的矩形脉冲信号两个相邻上升沿之间对工作时钟脉冲进行计数。若计数结果与译码器预先设置的阈值N0相差不超过预设的检测精度e，则信号频率为100 kHz，基带信号为“1”；若计数结果与译码器预先设置的阈值N1相差不超过e，则信号频率为50 kHz，基带信号为“0”。其中，N0和N1由fclk/fout计算得到。
　位同步电路采用微分整流型全数字锁相环[15]，由本地时钟、微分整流器、数字鉴相器、数控振荡器、数字滤波器及分频器组成相位负反馈闭环电路，如图5所示。