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作者：張林華 中國科學技術(shù)大學
應用領(lǐng)域：射頻(RF)、信號采集與發(fā)生、嵌入式系統(tǒng)
挑戰(zhàn)：人體通信是目前剛剛興起并有別于傳統(tǒng)無線通信和有線通信的新通信技術(shù)，它最大的區(qū)別在于以人體組織作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。而基于人體通信的基帶系統(tǒng)設(shè)計正是為實現(xiàn)該目的的有效手段，由于基帶處理器涉及信道編解碼和調(diào)制解調(diào)相關(guān)技術(shù)，而如何確定某種編解碼與調(diào)制解調(diào)使得人體通信發(fā)揮最佳效果則是本設(shè)計的最終目的。
應用方案：該設(shè)計打破傳統(tǒng)的測試方案，在傳統(tǒng)的基帶測試方案中大多采用 Agilent或者 Rohde & Schwarz等公司的矢量信號發(fā)生器及矢量信號分析儀進行基帶的信號發(fā)生和信號接收，并做出相關(guān)的分析；而采用 NI公司的 PXI 系列的矢量信號發(fā)生器及變頻器和數(shù)字化器進行信號發(fā)生與接收，關(guān)鍵是借助 LabVIEW 軟件及 NI PXI 實現(xiàn)客戶定制的基帶信號，完全可以由客戶自己設(shè)定編解碼與調(diào)制解調(diào)方案，不同的組合所產(chǎn)生的效果不同。這樣就可以從中找到最佳適合人體通信的基帶系統(tǒng)，為人體通信的數(shù)據(jù)傳輸達到有效可靠。
使用的產(chǎn)品：
NI LabVIEW2009
調(diào)制工具包
NI PXI-5421任意信號發(fā)生器
NI PXI-5610上變頻
NI PXI-5600下變頻
NI PXI-5620數(shù)字化器
PXIe-5630 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀
介紹：
人體通信是指利用人體組織作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇楹屯ǖ�，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行Ъ夹g(shù)。其相對于傳統(tǒng)的傳輸方式最大的區(qū)別在于傳輸媒介的不同，無線傳輸大多采用空氣或者光作為傳輸介質(zhì)，而有線傳輸更為明顯，通常采用導線將設(shè)備進行互聯(lián)實現(xiàn)通信。人體通信的概念最早源于美國麻省理工學院（MIT）的T.G.Zimmerman在1996年發(fā)表的一篇論文[1]，內(nèi)容是將人體作為可佩帶計算設(shè)備之間新的連接手段。
由于人體通信技術(shù)的新穎性及其應用前景大，逐漸受到各商家及單位的重視。無論在醫(yī)療還是在運動健康以及娛樂方面都有著其廣泛的應用。在醫(yī)療方面，比如有醫(yī)院給病人安裝的遠程血壓或者心臟檢測器等，將人體生理信號的采集，傳輸?shù)结t(yī)療機構(gòu)實現(xiàn)遠程醫(yī)療；在運動健康方面，比如隨身攜帶的手表、手機、傳感器等作為信元采集人體信息，識別人體的狀態(tài)，提示用戶運動的有效狀況及相關(guān)信息；在娛樂生活方面應用，比如電子錢包，在超市購買東西只要用手接觸相關(guān)傳感器就能從用戶的電子錢包扣除費用，還有集合人體信息的數(shù)據(jù)采集和與其他設(shè)備的通信，就可以對個人身份進行認證等等�？梢娖鋺们熬跋喈斂杉选Ｈ梭w通信和一般的電話或無線通信不同，不會產(chǎn)生串線和盜聽的現(xiàn)象，將來人們通過門把手、各種開關(guān)、桌椅等也能傳輸通信信號，人體通信技術(shù)將給人們的生活帶來更多的便利。國內(nèi)外已經(jīng)開始對人體通信技術(shù)理論有了一定的深入。國外有好些機構(gòu)開始這方便的研究，以日本韓國等研究相對前衛(wèi)，而國內(nèi)起步比較晚，因此以人體通信的基帶系統(tǒng)的設(shè)計具有較大的影響。如圖1為人體通信區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。
圖1 人體通信區(qū)域網(wǎng)絡(luò)
為獲得人體通信信道在頻域和時域上的特性，分別搭建實驗驗證平臺，如圖2所示。該平臺的主要功能是為了對人體通信的信道特性進行測試，左圖顯示了在頻域上的測試人體通信新到特性的方案，右圖顯示了在時域上測試人體通信信道特性的方法。兩種測試方案目的不同，因此測試原理也不同。
圖2 測試信道特性平臺
根據(jù)圖2左圖可知，為驗證人體通信信道的頻域特性，采用PXIe-5630 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀搭建測試平臺。我們對多樣本實驗數(shù)據(jù)進行匯總繪圖S21參數(shù)曲線如下：
圖4 不同測試個體在同一頻段S21曲線
從上圖3和圖4實驗結(jié)果可知，在同一頻段下，不同測試距離對信號傳輸產(chǎn)生不同的衰減程度。隨著距離增大，經(jīng)過人體傳輸后信號衰減也加大。而在頻段20MHz至30MHz衰減相對小些，這說明在該頻段人體通信信號傳輸效果最好，最合適人體通信信道的傳輸。在10個測試樣本中，每個人的體重身高也不相同，但是從測試曲線可知，體重偏大（偏胖類型）的個體在信號傳輸過程中衰減值相對體重輕些的個體要大些。但從整體上看，雖然個體差異性比較大，但是S21曲線的大致形狀并未改變，并且在10MHz至30MHz這個頻段衰減相對平穩(wěn)。這說明人體通信具有共性，并不會因為個體的差異而導致信號傳輸效果造成很大的不同。從個體差異性和傳輸距離所獲得數(shù)據(jù)綜合可知，在頻段20MHz至30MHz時人體通信信號傳輸效果最佳。
再者根據(jù)人體信道在頻域上的特性，選擇最佳頻段進行驗證人體信道時域上的特性。在研究人體通信其信道時域特性時，主要針對調(diào)制解調(diào)和信道編碼實驗，搭建過兩種實驗平臺：一種是基于Agilen或者Rohde & Schwarz等公司的信號發(fā)射器及信號分析儀搭建平臺來驗證數(shù)據(jù)；二種是基于NI公司的LabVIEW和PXI系列的矢量信號發(fā)生器及變頻器和數(shù)字化器進行信號發(fā)生與接收，借助LabVIEW軟件實現(xiàn)客戶定制的基帶信號。由于我們在人體信道時域特性上的參數(shù)比較苛刻，第一種方案由于儀器本身特性無法滿足實驗所需的設(shè)置，比如無法選擇信道編解碼以及有限的調(diào)制解調(diào)方法等等，這些因素決定了選擇第二種實驗方案。
根據(jù)圖2右圖可知，本次人體信道時域特性驗證平臺是基于NI公司的PXI系列的產(chǎn)品[2]，主要有PXI-5421、PXI-5620、PXI-5610、PXI-5600。通過這些設(shè)備采用NI LabVIEW和NI PXI搭建出輸入輸出的基帶組件，其中PXI-5421、PXI-5620分別是100 MS/s的16位任意波形發(fā)生器、64 MS/s的14位頻域數(shù)字化儀。PXI-5421和PXI-5620是通信應用的理想選擇，因為它們結(jié)合高分辨率和大容量存儲，能夠方便地生成持續(xù)精準的非周期性波形及對其進行數(shù)字化。此外，NI 公司的PXI-5610和PXI - 5600模塊別分對應上變頻和下變頻，可以產(chǎn)生高達2.7千兆赫基帶信號頻率。通過與變頻器相結(jié)合，并與下變頻器數(shù)字化生成一個完整的軟件定義的收發(fā)器。為前面所設(shè)計的基于人體通信基帶系統(tǒng)進行全面的設(shè)計驗證，從而節(jié)省寶貴的時間。根據(jù)[2]改進的人體通信基帶系統(tǒng)驗證平臺見圖5所示。
圖5改進后的人體通信基帶系統(tǒng)
隨著LabVIEW的靈活性，其包括信號分析、信號處理及可視化工具，可以用軟件精準地模擬在整個無線通信系統(tǒng)。NI LabVIEW的調(diào)制工具包，可以用軟件對編碼和調(diào)制進行配置，同時還可以增加直流偏移以及IQ增益不平衡等參數(shù)。一旦完成設(shè)計，它可以針對硬件設(shè)備進行修改，用實驗數(shù)據(jù)來驗證人體通信的基帶系統(tǒng)。驗證平臺實景見圖6所示。圖6 NI PXI 平臺實景。
圖6 NI PXI 平臺實景
根據(jù)人體通信基帶系統(tǒng)測試平臺，我們可以通過LabVIEW[3]選擇不同的調(diào)制方式和信道編碼方法，并通過NI PXI產(chǎn)生所需的信號進行傳輸與處理。這次驗證人體通信基帶系統(tǒng)參數(shù)見表1。
結(jié)論
通過上述的人體通信驗證平臺，分別對不同的調(diào)制方式及信道編碼進行有效的組合實現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)傳輸，由于數(shù)據(jù)相對繁多，在這里只以FSK調(diào)制方式來進行說明。
從圖7可知上變頻采用NI PXI的5672，PN31數(shù)據(jù)信號來自NI PXI的5442，中心頻率為20MHz，采用2FSK調(diào)制作為發(fā)射端設(shè)計。圖7為接收端設(shè)計，下變頻為NI PXI 5661，對載頻為20MHz的信號進行2FSK解調(diào)，從而獲得原始數(shù)據(jù)。圖9為發(fā)射端信號圖，兩路信號分別為I和Q信號。圖10為接收端信號分析圖，分別從星座圖、IQ信號等進行分析，同時在發(fā)射端中可以看到BER值的變化，通過不同的調(diào)制方式和信道編碼的組合得知哪種組合更合適人體通信。從圖8接收端實驗數(shù)據(jù)來看，在載頻為20MHz時，數(shù)據(jù)傳輸過程中BER為0，這說明數(shù)據(jù)傳輸非�？煽�，并且結(jié)合星座圖和時域數(shù)據(jù)圖形可知BPSK與BCH編碼組合的數(shù)據(jù)傳輸，人體通信可獲得可靠高效的傳輸，符號率可達到10Msps。根據(jù)不同信道編碼也調(diào)制進行組合比較可見，在低頻時BPSK和BCH信道編碼更加合適人體通信，采用該設(shè)計的人體通信基帶系統(tǒng)能夠保證數(shù)據(jù)地可靠高效傳輸。因此該設(shè)計方案具有一定的理論與實踐指導意義。
參考文獻
[1] T.G.Zimmerman.1995. Personal Area Networks (PAN): Near-Field Intra-Body Communication[R].in Media Art and Science. Master Thesis: Massachusetts Institute of Technology.
[2] UC Berkeley Develops Communications Lab with NI
Tools.http://zone.ni.com/devzone/cda/pub/p/id/40.
[3] 胡仁喜.王恒海.齊東明. 2005. LabVIEW8.2.1 虛擬儀器. 機械工業(yè)出版社. 2008William Stallings,何軍. 無線通信與網(wǎng)絡(luò). 清華大學出版社.
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