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傳感器信號人體通信技術(shù)論文
摘要:傳感器信號人體通信機理研究是通過(guò)生理傳感器作為被測人體的生理信息采集節點(diǎn)，以人體體表作為傳感器輸出信號的傳輸媒質(zhì)，進(jìn)行人體信息監測的一種新型的技術(shù)手段及方法。通過(guò)對人體信道特性、信號耦合方法的深入研究，設計了合理的傳感器信號處理鏈路、信號調制方法，并通過(guò)試驗驗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用于健康監測、醫療診斷、健身娛樂(lè )、單兵作戰等領(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(lái)實(shí)現生理傳感器輸出信號的傳輸。要完成生理信息的實(shí)時(shí)監測，實(shí)現從信號采集、數據傳輸到信息識別與提取的整個(gè)信號回路的閉合，就需要通過(guò)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)有機地結合起來(lái)，應用于人體通信傳感器信號的采集、傳輸與識別，實(shí)現生理信號的實(shí)時(shí)監測正是本文的主要研究?jì)热�。通過(guò)建立以生理傳感器為測試節點(diǎn)，以人體本身作為各點(diǎn)信號與接收機之間的傳輸媒質(zhì)，建立起基于人體通信的人體信息的實(shí)時(shí)監測系統。影響傳感器信號人體通信的主要參數包括信號耦合方式、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
人體組織和其他導電介質(zhì)一樣都遵循電磁波傳輸理論，當在人體加載電場(chǎng)時(shí)，電磁場(chǎng)在人體內部有一定的趨膚深度，人體組織可看作電導率很小的介質(zhì)，其趨膚深度為［1－2］:δ=2σ槡εμ(1)式中:σ是電導率，ε是相對介電常數，μ是磁導率，由于人體組織是非磁性材料，因此這里的磁導率為真空磁導率1。當σ/ωε1時(shí)，人體組織可看作電導率很大的介質(zhì)，其趨膚深度為:δ=ε槡πμσf(2)式中:f是外加電磁場(chǎng)頻率。為了減小傳感器信號通過(guò)人體進(jìn)行信號傳輸時(shí)對人體內部組織的影響，應有效利用趨膚效應，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(chǎng)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)變效應的安全限制，基于建立的健康效應的電磁場(chǎng)(EMF)參見(jiàn)國際委員會(huì )的電離輻射防護(ICNIＲP)。如圖1所示，根據頻率的領(lǐng)域，物理量用來(lái)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)。在設計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(cháng)期使用的要求。選擇了1kHz～10MHz作為信號的傳輸頻段，并根據該頻段對電流密度的要求，結合表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的電流范圍以?xún)取?/p>
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(wú)線(xiàn)通信通過(guò)空氣進(jìn)行數據傳輸不同，人體通信信道是電磁特性復雜的人體組織結構。如何采取有效方式將信號耦合，進(jìn)人體信道并實(shí)現信號在人體信道中的高效傳輸是實(shí)現人體通信最為關(guān)鍵的問(wèn)題。目前主要認為人體通信系統通過(guò)三種方式將信號耦合到人體信道:電流耦合、電容耦合、天線(xiàn)耦合［3－4］。電流耦合將人體當作導體，需要從人體接導線(xiàn)引出信號，不適于高頻傳輸;電容耦合即通過(guò)靜電場(chǎng)耦合，不需要導線(xiàn)，卻易受外界環(huán)境的干擾;天線(xiàn)耦合即通過(guò)電磁波耦合，利用波導效應將電磁信號耦合到人體，利用人體完成電磁信號的傳導。根據生理信號傳感器輸出信號具有低發(fā)射功率、低能耗、長(cháng)期使用的特點(diǎn)，選擇電場(chǎng)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傳感器信號鏈路設計
3．1．1發(fā)射信號鏈路
傳感器節點(diǎn)作為傳感器信號的發(fā)射端，通過(guò)將采集到的具有生理信息的模擬信號進(jìn)行數字調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(guò)程為:將采集到的微弱的生理電信號進(jìn)行放大，經(jīng)過(guò)濾波濾除噪聲分量，將原始的模擬信號轉換為方波形式的數字信號，對得到的數字信號進(jìn)行信號編碼，將編碼后的數字信號調制到指定頻率的正弦波交流載波頻段，對調制后的信號進(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)接收機接收信號的模式，通過(guò)佩戴在手腕或腰部的信號接收機，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。接收機信號接收過(guò)程為:先通過(guò)帶通濾波器得到全部傳感器所發(fā)射的有用信號，通過(guò)取樣電路將通過(guò)電流耦合進(jìn)接收機的人體通信信號轉化為電壓信號，通過(guò)低通濾波去掉信號中的載波分量，通過(guò)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(guò)與編碼對應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傳感器微功耗設計
由于采用的是基于mA級電流傳輸的正弦波交流信號作為人體通信載波信號，則可將載波信號本身作為傳感器供電能量的來(lái)源，根據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)現通過(guò)載波為生理傳感器進(jìn)行供電的功能。因此可以簡(jiǎn)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(cháng)期穩定有效的進(jìn)行工作。
3．3多信號調制解調方法
由于所建立的人體生理信息監測系統，對位于身體不同部位的多個(gè)生理參數進(jìn)行信息采集，所以輸出傳感信號的調制解調方式適應同時(shí)對多點(diǎn)測量信息實(shí)現收發(fā)的功能。采用頻分復用的方法將多傳感器節點(diǎn)輸出的信號加載到用于人體通信的載波信號上。
4實(shí)驗數據及分析
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(zhù)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。當信號的調制頻率過(guò)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(guò)低時(shí)，其信號波長(cháng)將逐步增加，導致信號并非沿體表傳輸而是在體內進(jìn)行傳輸。所以需要權衡以上因素，選擇100kHz、200kHz兩個(gè)頻率作為編碼后的數據信號的調制頻率。
5結論
傳感信號人體通信技術(shù)是一項全新生理狀態(tài)監測技術(shù)，其以生理傳感器為信息采集節點(diǎn)，以人體作為信號傳輸媒質(zhì)，實(shí)現快速的數據交換。目前，隨著(zhù)可穿戴智能設備的大力發(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(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)信號傳輸方式相比，有效地避免了通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波輻射進(jìn)行信號傳輸時(shí)，對周?chē)鸁o(wú)線(xiàn)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)境有特殊要求的應用場(chǎng)合，該技術(shù)體現出其獨有的價(jià)值。
參考文獻:
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