（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）醫(yī)學信號在無線信道下的可靠性傳輸.pdf

0 ，0 一，一 ? 注 j j 一 目錄 第一章緒論。1 1 1 生物醫(yī)學中的遙測與遙控技術l 1 2 課題的提出及研制設想3 1 2 1 國內外無線監(jiān)護產品情況3 1 2 2 研制設想3 1 3 本文所做的工作4 第二章總體方案設計5 2 1 室內無線電波傳播5 2 2 無線遙測系統(tǒng)總體方案設計1 l 2 2 1 總體方案設計思想11 2 2 2 系統(tǒng)架構11 2 3 關鍵參數的確定1 2 2 3 1 工作頻段1 2 2 3 2 調制方式1 2 2 3 3 發(fā)射功率1 3 2 3 4 信道方案1 3 2 4 系統(tǒng)的特點1 3 第三章發(fā)射電路設計15 3 1 發(fā)射器的電路結構1 5 3 2 單片機的選用原則1 5 3 3m s p 4 3 0 f 1 4 x 單片機的芯片特性1 6 3 4 射頻芯片的選用原則1 7 3 5c c l 0 2 0 芯片特性及工作原理1 8 3 6 基于c c l 0 2 0 發(fā)射模塊的設計與工作過程1 9 3 6 1 射頻模塊設計1 9 3 6 2 發(fā)射電路的工作過程2 1 第四章接收電路設計2 5 4 1 共用天線電路2 5 4 1 1 空問分集2 5 4 1 2 共用天線電路的設計2 6 4 1 3 電路實現2 8 4 2 接收解調電路3 1 第五章信道糾錯編碼和幀結構設計3 3 5 1 糾錯編碼簡介3 3 5 2 漢明碼糾錯編碼的介紹3 4 5 3c r c 校驗3 7 5 3 1c r c 校驗的基本思想 3 , 4 1 3 7 5 3 2c r c 校驗的實現3 8 5 4 交織編碼3 9 5 5 信道糾錯編碼方案的制定4 0 5 5 1 采用的信道糾錯編碼方案4 0 5 5 2 幀結構設計4 0 第六章軟件設計4 3 6 1 發(fā)射器程序4 3 6 1 1 系統(tǒng)主程序4 3 6 1 2 初始化子程序4 4 6 1 3a d 采樣子程序4 5 6 1 4 打包子程序4 6 6 1 5 中斷發(fā)送子程序4 6 6 2 接收器程序4 7 6 2 。l 主程序4 7 6 2 2 初始化子程序4 8 6 2 3 接收中斷子程序4 8 6 2 4 解交織子程序、解f e c 子程序、c r c 校驗子程序。4 9 6 2 5 串口發(fā)送子程序5 0 第七章結束語5 l 7 1 課題總結5 l 7 2 工作展望5 1 致謝5 3 參考文獻5 5 作者在讀期間的研究成果5 7 第一章緒論 第一章緒論 1 1 生物醫(yī)學中的遙測與遙控技術 ( 1 ) 生物醫(yī)學中遙測與遙控的類型 生物醫(yī)學中的遠程測量與控制技術也稱為遙測遙控技術，它是通過一定的距 離( 可以達幾k m 也可以是幾c m ) 測量生理參數等生命狀態(tài)有關的技術，屬于生 物醫(yī)學傳感測量與通信技術相結合的產物。早在1 8 6 9 年，法國的m a r e y 為了研究 鳥類的飛行，將一個拍打接觸片裝在鴿子的翅膀間斷，并用長導線接到一個電磁 測量系統(tǒng)，再推動筆尖，在記錄鼓上記錄了鴿子翅膀的拍打信號，這是生物醫(yī)學 遙測史上的第一個成功記錄。隨后的1 0 0 多年中，人們利用各種通信方法，開發(fā) 了多種生物醫(yī)學遙測系統(tǒng)，包括有線遙測、無線遙測和存儲式遙測三大類，測量 對象遍及生物醫(yī)學領域中許多相關的生命特征。目前，利用衛(wèi)星通信和因特網已 能實現遠距離會診和遠程干預，這就為實現遠程醫(yī)療創(chuàng)造了前提。遠程醫(yī)療將在 一定程度上改變未來的醫(yī)療模式。 ( 2 ) 無線遙測與遙控 無線遙測是通過電磁波、激光、超聲的發(fā)射和接收來傳遞生物醫(yī)學信息的。 被測對象只是攜帶一個發(fā)射小盒，可在自然的無拘束的工作或運動狀態(tài)下將生理 信息向接收測量端傳遞，所以可實現對活動病人的監(jiān)測，開展運動生理的研究， 可在特殊的環(huán)境下或在負荷狀態(tài)下監(jiān)測勞動者、運動員、宇航員乃至稀有野生動 物的生理參數。 另外，無線遙測由于患者配戴的遙測發(fā)射器通常采用電池供電，是一種典型 的浮地電源，被測對象與接收裝置、計算機等處理系統(tǒng)通過電磁波、光、聲等能 量傳遞，收、發(fā)問處于完全的電絕緣狀態(tài)，被測對象與市電無直接聯系，因此具 有很高的安全性和可靠性。 由于體內植入式測量技術的發(fā)展，目前己采用電磁波、紅外光作為媒介實現 體內和體外信息的雙向傳遞，即采用無線方式將體內信號傳送到體外進行測量和 顯示。通過體外的指令對體內測量和控制裝置實現精度測控。遙測與遙控相結合 的雙向工作方式，通常稱為應答式遙測技術，也稱為閉環(huán)測控系統(tǒng)。 無線遙測通常采用各類調制或編碼技術來實現信號的變換。眾所周知，信號 的變換往往是實現抗干擾、多路化、遠程傳輸的必要手段。調制與解調技術、編 碼與解碼技術是無線通信的核心。按信號變換方式來劃分，無線遙測通常分為模 擬式和數字式兩大類。目前采用不同的遙測體制、調制及編碼方式，可實現單參 數遙測，也能實現數以百計參數的同時遙測。 ( 3 ) 有線遙測與遙控 2醫(yī)學信號在無線信道下的可靠性傳輸 采用電話線傳送心電、血壓、體溫等生理信息己經被廣泛應用，其優(yōu)點是設 備簡單、使用方便、無電磁輻射。植入式心臟起搏器及除顫器的工作也可以通過 電話線來完成，一些國家也：i ：辟了專用的醫(yī)學信息遙測電纜傳輸線路，實現醫(yī)學 圖像的傳送，以及在團體體檢時用作大容量的心電圖的計算機集中處理。隨著光 導纖維通信以及互聯網的飛速發(fā)展，實時圖像的傳送和遙測己成為遠程診斷與醫(yī) 療的重要手段。加上衛(wèi)星通信、地面移動通信的發(fā)展，有線與無線相結合的方式 將成為生物醫(yī)學遙測的一種有效途徑。醫(yī)院中包括各種監(jiān)護和診斷系統(tǒng)在內的醫(yī) 療信息網絡，可使整個醫(yī)院的檢驗科、心內科、放射科、超聲診斷及醫(yī)療管理信 息，通過電話網絡、遠程計算機網絡等實現有線遠距離測量和診斷，包括離體的、 在體的和離線的、在線的等各類生命信息。也可通過無線網絡，包括衛(wèi)星通信等 手段實現對自移動病人、鄉(xiāng)村醫(yī)院、滲療船、急救用的車輛和直升飛機送來的生 物醫(yī)學信息進行集中分析與處理。顯然，這種醫(yī)學信息傳感、測量、傳輸、遠程 診斷、存檔、遠程干預( 調控) 、治療一體化的過程正是代表未來生命科學研究及醫(yī) 療的現代化模式。 ( 4 ) 存儲式遙測 存儲式遙測的思想基于存儲記錄。被測對象的生理信息首先被記錄在磁性存儲 器( 磁帶、磁盤、磁鼓等) 、固態(tài)存儲器( 半導體存儲器、電荷禍合器件存儲器等) 和 光存儲器( 光盤等) 上，然后到達另一地進行回放( 通常采用高速回放) ，送給計算機 分析和處理。這種方式己廣泛應用于遙感技術中。即在遙感用衛(wèi)星中采用磁記錄 方式，記錄全球各地的生態(tài)信息( 也可包括生命信息) ，然后在到達目的地時快速回 放，將全部生態(tài)和生命信息快速傳送給地面接收站和處理中心進行分析處理。這 種存儲式遙測也被h o l t e r 應用于動態(tài)心電圖監(jiān)護系統(tǒng)中。在這個系統(tǒng)中，被測對 象( 患者) 隨身攜帶一個微型心電記錄器( 具有一些處理與顯示功能) ，經2 4 h 長時間 記錄的心電圖，送至醫(yī)院內的計算機工作站，以6 0 ：1 或更高的速度快速回放，這 樣就可在幾m i n 到幾十m i n 內很快獲得患者2 4 h 的心率趨勢、早搏次數和趨勢、 異常心電圖及其發(fā)生的時間等一系列心電信息。目前，這種存儲式遙測方式已成 為早期診斷冠心病的重要手段。同時，采用存儲式遙測的動態(tài)血壓監(jiān)測。動態(tài)腦 電圖監(jiān)測以及動態(tài)人體活動度監(jiān)測也應運而生。存儲式遙測是一種非實時的離線 測量方式：其應用有一定的局限性，但它與無線、有線遙測方式相輔相成。仍然 具有廣闊的使用前景。存儲式遙測的思想方法以及數據壓縮、數據存檔與傳輸相 結合，也在醫(yī)學信息系統(tǒng)中發(fā)揮了重要威力【l 】。 第一章緒論 1 2 課題的提出及研制設想 無線通信技術的飛速發(fā)展，使得其在生物醫(yī)學領域的應用也越來越廣泛。本 文闡述的是將上述第二種方法即無線遙測技術在監(jiān)護領域的應用，即如何實現對 病人的無線監(jiān)護。 1 2 1 國內外無線監(jiān)護產品情況 目前國際各主要醫(yī)療器械制造商p i i i l i p s 、s p a c e l a b s 、g em a r q u e t t e 等，都 有自己全系列的無線遙測監(jiān)護產品，許多老型號也紛紛增加了無線聯網功能，如 g e 的a p e x p r o ，g em a r q u e t t e 的d a s h3 0 0 0 d a s h4 0 0 0 ，s p a c e l a b s 的u l t r a v i e w ， p h i l i p s 的新型m 3 m 4 等。無線監(jiān)護產品的市場發(fā)展迅速，最近業(yè)界也掀起了一場 無線應用的革命，g e 在2 0 0 2 年的無線監(jiān)護產品線的銷售額達到1 3 億美元，2 0 0 3 年預計能達到1 8 億美元，無線遙測技術已經成為產品競爭力的一個重要因素。從 發(fā)展的角度來看，監(jiān)護產品的無線化、網絡化足發(fā)展趨勢，移動型、具備無線聯 網功能的監(jiān)護產品將成為未來市場的主流。另外，t e l e m e d i c i n e ( 遠程醫(yī)療) 的發(fā)展也將使無線遙測與無線互聯技術大有用武之地，無線應用的前景廣闊。 而我國在這個領域目前處于落后狀態(tài)，這些昂貴設備基本依靠進口，一方面 我國有些醫(yī)院也在使用國產的無線監(jiān)護儀，基本上都足模擬遙測的產品，設備笨 重而且技術落后，另一方面我國醫(yī)療器械行業(yè)的一些高新骨干企業(yè)的監(jiān)護產品沒 有無線化網絡化。無線遙測技術門檻較高，涉及到r f i f 技術、數字基帶信號處 理、電磁環(huán)境研究和天線系統(tǒng)設計、低功耗設計等領域，開發(fā)難度相對較大，這 方面的專業(yè)開發(fā)人員也很少，開展本技術預研，能夠對無線監(jiān)護的一些技術上的 難點及早介入，從而爭取技術上的主動，為開發(fā)國產的無線監(jiān)護產品建立良好的 技術積累。 1 2 2 研制設想 隨著社會的不斷進步和人民生活質量的不斷提高，遠程監(jiān)護和家庭健康監(jiān)護 顯示出了強大的生命力，到時可在小區(qū)甚至家庭安裝配備接收箱，實現家庭健康 監(jiān)護，這樣可節(jié)省醫(yī)院病床、減少住院病人、節(jié)省醫(yī)療費用，不僅使居家病人得 到較好的綜合醫(yī)療服務，還可使病人獲得良好的家庭和社會環(huán)境，這對病人的心 理健康和身體康復均有特殊的好處。 課題的研制設想是研制一套針對醫(yī)院這種特定環(huán)境的數字通信設備，能夠可 靠地傳輸醫(yī)學信號。目的是給床邊監(jiān)護儀配備發(fā)射器和接收箱從而使現有的監(jiān)護 儀升級成遙測監(jiān)護儀?？紤]到各個醫(yī)院的具體情況的不同，例如一個病房有四張 床位，而有的病房有八張床位，而幾個病房組成的一個病區(qū)j j l 0 可能有更多的床位， 4 醫(yī)學信號在無線信道下的可靠性傳輸 因此這套設備應該能夠覆蓋一個病區(qū)的范圍，傳輸距離在幾十米范圍內。病人可 以隨身攜帶發(fā)射器在一定區(qū)域內活動，有利于病人病情的穩(wěn)定恢復。 1 3 本文所做的工作 本文完成研究第一階段的工作，主要任務是為醫(yī)學信號的無線傳輸建立可靠 的通信鏈路，完成通信部分的最計；并在設計中考慮到第二階段工作的需要，為 其預留必要擴展空間。不涉及生物信號提取、以及中央站對信息的處理。課題的 具體研究內容如下： 曲完成系統(tǒng)的總體方案設計 b 1 完成發(fā)射機與接收機的電路設計 完成共用天線分集系統(tǒng)的設計 d ) 研究糾錯碼理論并完成信道編碼 第二章總體方案設計 5 第二章總體方案設計 在本章中將確定系統(tǒng)的總體方案。無線信道環(huán)境惡劣，室內的無線環(huán)境更加 難以預測，在此情況下要實現醫(yī)學信號的傳送在設計時必須考慮環(huán)境的復雜性和 變化性，使所設計的系統(tǒng)能夠工作于電磁環(huán)境惡劣的地方。 2 1 室內無線電波傳播 無線電波的傳播是一個復雜的問題，它與無線電傳播環(huán)境有密切的關系。對 無線電波傳播的特性進行研究，一直是熱點問題。下面著重介紹室內無線電傳播 特點、多徑信道參數、衰落類型等。 室內無線電波的傳播不受天氣條件的影響，但它受建筑物輪廓特別是不同建 筑材料的影響。由于無線電波經過墻壁、窗子、室內家具的反射、折射、繞射， 通過多條路徑到達接收機，導致多徑衰落現象。 2 1 1 無線電波傳播特性 電波傳播特性是與信號傳播所經歷的路徑密切相關的。當接收機處于不同位 置，具有不同的傳播特性。 在移動通信環(huán)境下，電波傳播特性有以下特點： 自山空間傳播損耗信號經過信道時，不可避免地存在損耗，它與收發(fā)距離有 關。 陰影效應當移動臺在移動過程中，周圍地形地物會對電波傳播路徑進行阻擋， 形成電磁場的陰影，引起接收點場強中值起伏變化，這種現象稱為陰影效應，表 現為慢衰落。 多徑效應由于移動體周圍的局部散射體引起的多路徑傳播，使到達接收機輸 入端的信號相互疊加，其合成的信號幅度表現為快速起伏變化，即快衰落，或稱 短期衰落。 快衰落的統(tǒng)計特性：( a ) 遠離發(fā)射機的情況移動臺遠離發(fā)射機情況下，快衰落 信號包絡統(tǒng)計，是指在無直射波的n 個路徑傳播時接收信號的包絡統(tǒng)計特性。每 條路徑的信號幅度為高斯分布，相位在0 2 兀內為均勻分布，則合成信號的包絡分 布為瑞幣l j ( r a y l e i g h ) 分布。( b ) 靠近發(fā)射機的情況移動臺靠近發(fā)射機的情況下，快衰 落信號包絡的統(tǒng)計特性，是指含有一個直射波的n 個路徑傳播接收信號的包絡統(tǒng) 計特性。若每條路徑的信號幅度為高斯分布，相位在o 2 內為均勻分布，則合成 信號的包絡分布為萊斯( r i c i a n ) 分布。 多卜勒效應由于移動體的運動速度和方向會使接收的信號產生多卜勒頻移。 在多徑條件下，便形成多卜勒頻譜擴展對信號形成隨機調頻的多卜勒效應。 醫(yī)學信號在無線信道卜的可靠性傳輸 在靜止環(huán)境下，不用考慮多徑效應以及多b 勒效應，電波傳播特性則簡單一 些。 2 1 2 室內小尺度衰落 在室內可用小尺度衰落( s m a l ls c a l ef a d i n g ) 來對無線電波傳播情況進行研究。小 尺度衰落【2 】是用來描述在一小段時問或距離上無線信號幅度的快速波動，此時可忽 略大范圍路徑損耗的影響。 小尺度衰落產生的主要影響體現如下： ( 1 ) 在小的傳輸距離或時間間隔上信號強度快速變化。 ( 2 ) 不同多路徑信號的變化的多b 勒頻移造成隨機的調頻。 ( 3 ) 多徑傳播延時引起了時間色散特性。 在室內情況下，信道內的物體可視為靜止的，接收機或發(fā)射機的運動一般只 與人的運動有關，因此，衰落儀是一種空間現象。當接收機或發(fā)射機在空間運動 時，有益的和有害的多路徑波在空間各個點疊加，在一段距離上可能遇到幾個衰 落點。在嚴重的情況下，接收機可能停止在深度衰落的位置。 造成室內小尺度衰落的原因主要有： ( 1 ) 路徑傳播。在信道內的反射、散射物體形成了一個經常變化的環(huán)境，這使 得信號能量以不同幅度、相位、時間在空間擴散。不同多路徑的隨機相位和幅度 引起信號強度的波動，因而包括小尺度衰落、信號失真。多路徑使得到達接收機 的基帶信號的時間延長，產生了碼問串擾，引起信號拖尾效應。 ( 2 ) 接收機或發(fā)射機的運動。當發(fā)射機與接收機之間有相對運動時，會產生多 卜勒現象，引起頻移。當接收機向發(fā)射機靠近時，多卜勒頻移為正，反之為負。 ( 3 ) 信號的帶寬。當發(fā)射信號的帶寬遠大于多路徑信道帶寬時，接收信號會產 生失真，但接收信號在一個局部區(qū)域不會衰減很大。當發(fā)射信號的帶寬遠小于多 路徑信道帶寬時，接收信號的幅度改變很快，但信號不會失真。 2 1 3 室內移動多徑信道參數 描述室內移動多徑信道主要參數有：路徑損耗、功率延時剖面等。路徑損耗 是對功率損耗的一種評估；功率延時剖面是將功率包絡p ( r ，t ) 畫成時間的函數 的曲線。功率延h e r o 面是一個重要的參數，由它可推導出一些其它多徑信道參數， 如時間色散參數、相干帶寬、多b 勒擴展和相二f 時間等。 ( 1 ) 時間色散參數 為了比較不同的多徑信道，并用來指導無線系統(tǒng)的設計需要信道的量化參數，如 平均過量延時( m e a ne x c e s sd e l a y ) ，r m s 時延擴展( r m sd e l a ys p r e a d ) ，過量延時 擴展( e x c e s sd e l a ys p r e a d ) 。 第二二章總體方案設計 7 平均過量延時足功率延時剖面的一階矩，它定義為： 口以p ( 吒) r 。 一以：一p ( f 。) kt r m s 時延擴展是功率延時剖面的二階中心矩，它定義為 - _ _ 。- 。- _ _ _ _ _ - 。 q = 、f 2 一( ；) 2 其中： 一口磁 ，2 專丁 ( 2 1 ) ( 2 2 ) r m $ 時延擴展是反應寬波段多徑信道特證的一個重要參數，它對數字系統(tǒng)特別 是高速系統(tǒng)有不利的影| 句o ( 2 ) 相干帶寬 相干帶寬是描述信道在某局部區(qū)域的時間色散特性的，它是從r l t l $ 時延擴展 中推導出來的，與r m s 時延擴展成反比，但兩者不存在確定的關系。相干帶寬足 對一定頻率范圍的統(tǒng)計測量，在該頻率范圍內，所有信道可以認為是平坦的( 通 過信道所有譜分量具有近似相等的增益和線性相位) ，當兩個頻率差大于b c 的正 弦信號，經過信道時所受的影響是大不相同的。 ( 3 ) 多卜勒擴展和相干時間 這兩個參數用來描述在小尺度內信道的色散特性。 多卜勒擴展是用來測量移動無線信道時間變化引起的頻譜加寬，它用來定義 接收的多卜勒頻譜不為零的頻率范圍。當傳輸按收頻率為f c 的j 團玄波時，接收信 號的頻譜即多卜勒頻譜為在f c 一毛的頻率范圍之內。f d 為多卜勒頻移。頻諧擴展的 范圍是接收機的移動速度的函數。如果信道的帶寬遠遠大于多卜勒頻移范限，那 么多b 勒擴展對于接收機而言是不可忽略不計的，這是一個慢衰落信道。 相干時間t c 是多卜勒擴展對應的時域表達量，用來表征信道在時域內的頻率 色散的時間變化特性。多卜勒擴展與相干時間成反比。 相干時間實際上是對時問長度的統(tǒng)計測量，在該時間上信道脈沖響應幾乎不 變，它量化了在不同時問上信道反應的相似性。 如果基帶信號的周期遠遠大于信道的相干時間，那么信道會在傳輸基帶信號 時變化，從而引起接收信號的失真。 2 1 4 室內小尺度衰落的類型 根據信號參數( 如帶寬、碼元周期) 和信道參數( 如r m s 時延擴展，多卜勒擴展) 醫(yī)學信號在無線信道下的可靠性傳輸 之間的關系，不同類型傳輸信號會經歷不同類型的衰落。在無線信道中的時間色 散特性和頻散特性能產生四個明顯的結果，并且這些結果與傳輸信號、信道、接 收機運動速度有關口1 。多徑時延擴展導致時間色散和頻率選擇衰落，多卜勒擴展導 致了頻率色散和時間選擇衰落，這兩個傳播機制之間相互獨立。圖2 1 顯示了由兩 種傳播機制導致的衰落類型。 圖2 1 小范圍衰落的分類 ( 1 ) 由于多徑時延擴展而引起的衰落影響 由于多路徑引起的時間色散特性會使傳輸信號經歷平坦衰落或頻率選擇衰 落。 ( a ) 平坦衰落 當信道帶寬遠大于發(fā)射信號帶寬時，如果信道有一個固定增益和線性相位響 應，那么接收信號會經歷平坦衰落。在平坦衰落中，盡管接收信號的幅度因多徑 信道增益波動而變化，但是，發(fā)射機的頻譜特性能保留在接收信號之中，其示意 圖如圖2 2 所示。 塑 ，廠鬲 型， s ( t ) 廠 廠na h ( t ，t ) 廠 _ j 1 。一 r ( t ) 廠 jl 圖2 2 平坦衰落特性 ( b ) 頻率選擇衰落 4 如果信道有一個恒定增益和線性相位響應的帶寬遠小于發(fā)射機的信號帶寬 時，那么信道對接收信號產生了頻率選擇衰落。在這個條件下，信道脈沖反應有 赴 第二章總體方案設計9 一個時延擴展，其值遠大于發(fā)射信號波形的帶寬的倒數。此時，接收信號包括多 個經歷了衰減和時延的發(fā)送信號波形的多徑波，使接收信號失真。頻率選擇衰落 是由于傳輸信號在信道內的時問色散引起的，這樣信道會產生碼間串擾。如果從 頻域進行觀察，接收信號的譜域中某個頻率分量的增益遠大于其它頻率。 對于頻率選擇衰落而言，傳輸信號s ( f ) 的帶寬遠大于信道干帶寬。從頻域來 看，信道具有頻率選擇性，增益對于不同的頻率分量是不同的。引起頻率選擇衰 落是因為多徑時延接近或超過發(fā)送信號的碼元周期。 ( 2 ) 由于多卜勒擴展引起的衰落結果 ( a ) 快衰落 根據傳輸的基帶信號的變化與信道變化的快慢，信道可分為快衰落信道和慢 衰落信道。 在快衰落信道中，信道脈沖反應在碼元持續(xù)時間內快速變化，即信道相二f 時 間小于傳輸信號的碼元周期，這是因為多b 勒擴展引起頻率色散( 也稱為時間選擇 衰落) ，這會使信號失真。 從頻域進行觀察，信號失真隨相對于傳輸信號帶寬的多卜勒擴展的增加而加 劇。 應當注意當信道認為是快衰落或慢衰落信道時，就不用再指出信道是平坦衰 落或頻率選擇衰落。快衰落僅與因運動引起的信道變化率有關。在平坦衰落的信 道中，可將脈沖反應簡單近似成一個6 函數，因此平坦衰落，快衰落是6 函數的 變化率快于發(fā)送基帶信號變化率的一種信道：在頻率選擇、快衰落信道中，任意 一個多徑分量的幅度、相位、時延變化率比發(fā)送信號的改變速率快。在實際中， 快衰落僅在低數據率的情況下發(fā)生。 ( b ) 慢衰落 在慢衰落信道中，信道的脈沖反應變化遠小于發(fā)送的基帶信號的變化。在這 種情況下，信道在一個或幾個信號帶寬倒數間隔內可認為是靜態(tài)的。 各種多徑參數和信號衰落類型總結如圖2 3 所示【2 1 ，在圖中：t c 為相干時間， 口，為r m s 延時，b c 為相二f 帶寬，b d 為多卜勒擴展。 l o 醫(yī)學信號在無線信道卜的可靠性傳輸 驟 匿 1 k 是仃， 越 翻 輕 卜 i ! ! 蘭 靶 醐 解 迎 圖2 3 衰落類型與碼元周期、基帶信號帶寬關系 2 1 5 室內無線信道的特征 隨著通信技術的飛速發(fā)展，以及人們對信息需求的日益增長，數據和信息在 室內環(huán)境的無線傳輸愈來愈廣泛。然而，定量分析和描述室內信道足十分困難的。 室內無線信道不同于傳統(tǒng)的移動無線信道，主要體現在：( 1 ) 無線電覆蓋的距離更 短。( 2 ) 收發(fā)天線相距比較近，而環(huán)境變化更大。室內無線信道的特征與室內空間 大小、墻壁厚度、材料等因素有很大關系，受各種條件的影響更大。例如，在建 筑物內的信號電平的大小與房問門窗打開或關閉有很大關系，天線安裝位置對無 線電波的傳播也有很大影響，當天線安裝在桌面高度與裝在天花板上時，情況不 大一樣。 室內無線信道具有以下特征： 接收機一般情況下是靜止的或緩慢運動的，因此，室內的無線信道具有較 小的多b 勒頻移。 在室內的無線傳輸應用中，多徑傳播的時延差很小，即室內無線信道的時 延擴展較小。 在視距( l o s ) 情況下，接收信號幅值服從萊斯分布；在非視距( n l o s ) 情況下，接收信號幅值服從瑞利分布。 室內的無線電波傳播損耗的計算相當復雜，不同厚度和材料的天花板、墻 壁及地板對電波的反射系數、折射系數的影向差異很大。此外，還與房間的兒何 第二章總體方案設計 形狀，發(fā)射機的工作頻率等因素有關。 2 2 無線遙測系統(tǒng)總體方案設計 2 2 1 總體方案設計思想 上一節(jié)介紹了室內無線電波的傳播特性，可知室內的電磁環(huán)境比室外更加復 雜。無線通信中，傳輸信道屬于衰落信道，信道的衰落會嚴重降低通信系統(tǒng)的性 能。再加上信道傳輸特性的不理想以及加性噪聲的影響，所收到的信號不可避免 地會產生錯誤。對無線遙測來講，惡劣的信道特性是不可回避的問題。而心電、 血氧等醫(yī)學信號對病人的生命至關重要，要在這樣的傳輸條件下保持通信可靠， 就必須采取技術措施來抵消衰落的不利影響。抗衰落可采取多種措施，如各種抗 衰落的調制解調技術、抗衰落接收技術及擴譜技術等。我們將主要從信道差錯控 制編碼、分集接收技術上綜合考慮系統(tǒng)的實現，保證醫(yī)學信號能夠在無線信道下 可靠傳輸。 2 2 2 系統(tǒng)架構 無線遙測系統(tǒng)是由攜帶在病人身上的發(fā)射器、接收系統(tǒng)和中央站組成。發(fā)射 器由電池供電，完成心電等生理信號的采集、處理和發(fā)送，接收系統(tǒng)收到發(fā)射器 發(fā)射的信號進行解調處理后將信息送至中央站進行下一步處理。通信系統(tǒng)作為連 接信號采集部分和中央處理站之間的橋梁，在無線遙測系統(tǒng)中起著非常重要的作 用。 我們的目標系統(tǒng)是：基于f d m a ( 頻分多址) 方式的u h f 波段窄帶數字調制 單向遙測系統(tǒng)，遙測系統(tǒng)山發(fā)射器和接收系統(tǒng)組成，n 個工作在不同頻率點的發(fā) 射器和能夠接收對應頻率點的接收系統(tǒng)組成n 個監(jiān)護信道，實現對n 個病人的同 時監(jiān)護。將共用天線電路和接收器做成模塊形式，安裝在一個接收箱內，所有的 監(jiān)護信息的顯示、處理、打印等都在中央站完成。接收箱采用模塊化的結構，對 應一個發(fā)射器配置一個接收器，接收器設計為可互換模塊。模塊化的好處是可以 非常方便地增減無線通道，也即方便地配置遙測接收模塊。接收箱輸出直接和中 央站相連。單接收箱的容量為4 床。通過同時使用多個接收箱，可實現4 n 的容量， 容量的上限主要由可用頻率帶寬限制?，F在是預研階段，所以我們準備研制的是4 床的容量，即一個系統(tǒng)包含p l j 路發(fā)射和接收。為了擴展系統(tǒng)容量可將方案稍加改 動，即可實現更多路的發(fā)射與接收。 遙測系統(tǒng)架構如圖2 4 所示。 1 2 醫(yī)學信號在無線信道下的可靠性傳輸 圖2 4 遙測系統(tǒng)架構圖 2 3 關鍵參數的確定 2 3 1 工作頻段 選擇4 2 0 m h z - - - 4 7 0 m h z 。 4 3 3 m h z 頻段處在u h f 廣播電視頻段，是世界范圍內6 0 以上醫(yī)療遙測系統(tǒng) 使用的頻率。4 3 3 m h z 頻段是抗干擾能力和實現代價的一個折衷點，美洲、歐洲的 大多數國家都明確規(guī)定可作為醫(yī)療遙測用途使用，故作為首選。 1 7 5 - 2 1 5 m h z 是無線管理委員會在微功率( 短距離) 無線電設備管理暫行規(guī) 定中規(guī)定的“生物醫(yī)學遙測沒備”使用的頻段，由于處在v h f 電視廣播頻段， 干擾問題比較突出，國外8 0 年代以前的產品多使用此頻段，目前已經基本棄用， 為u h f 頻段代替。國內早期的模擬遙測系統(tǒng)也多使用此頻段。 6 0 8 6 1 4m h z 是美國f c c 規(guī)定的w m t s ( 無線醫(yī)療遙測服務) 頻段，現在 有很多國家也正在考慮接納此頻段，如果要考慮國外應用，應將6 0 0 m h z 頻段作 為可選。 ， 本系統(tǒng)采用的是4 3 3 m h z 頻段，設計可擴展頻段為4 2 0 m h z - - 4 7 0 m h z ，因此 射頻部分采用了頻率可編程的單：占片實現方案，可在很寬范圍內編程調設定。 2 3 2 調制方式 調制方式為f s k 。 f s k ( 頻移鍵控) 是目前應用最廣泛的窄帶無線數傳調制方式，具有實現簡單、 單片解決方案較多等優(yōu)點，2 5 k h z 信道帶寬能實現4 8 k b p s 傳輸速率。f s k 調制系 統(tǒng)傳輸的信號為 a c o s ( w l t + 1 ) a e o s ( w 2 t - i - 2 ) 1 j一2 k 時 時 1 0 “ “ 傳 傳 第二章總體方案設計 其中z = w l 2 7 r ，五= w 2 2 z r ，= ( 六一f , ) 2 為頻偏，還有就是對于傳輸碼速率 為r 。= 1 瓦，瓦為傳輸一位所需時間。f s k 的帶寬可取為b = 2 ( a f + r b ) ，其中以 是中心頻率，f s k 信號功率譜密度如圖2 5 所示。 知 ， 3!j ； 、 ，、 一t ，t h f_ l 1 ，t h 。一1 ，t k 。f o ，1 _ 圖2 5f s k 信號的功率譜密度 2 - 3 3 發(fā)射功率 e i r p 值( 等效全向輻射功率) ： 4 0 0 m h z ：1 1 0 m w 發(fā)射器端采用具有多檔發(fā)射功率發(fā)射芯片，無需外接功率放大器。具體功率 視管理規(guī)定和應用環(huán)境調節(jié)。 2 - 3 4 信道方案 4 3 3 m h z 頻段4 信道，信道之間問隔2 5 k h z ，各個信道頻率的占用情況。據目 前的了解，在歐洲等地，如果使用某些公用頻段( 如p l m r s 頻段) 作為多信道遙 測用途，有占用帶寬和通道問隔的規(guī)定，信道間隔一般規(guī)定2 5 k h z 和5 0 k h z 。其 它某些國家和地區(qū)有占用帶寬不大于載波的0 2 5 的規(guī)定。而我國規(guī)定在1 7 5 - 2 1 5 m h z 應用生物醫(yī)學遙測，占用帶寬不大于2 0 0 k h z 。 當前的遙測系統(tǒng)大部分采用5 0 k h z 的信道間隔，也有采用2 5 k h z 信道問隔， 2 5 k h z 是一個保證傳輸速率和提高接收信噪比的折衷點。1 2 5 k h z 允許數據速率太 低，不能保證數據量的傳輸，不予考慮。因此，從傳輸的數據量和頻率的利用效 率綜合考慮采取了上述的信道方案。 2 4 系統(tǒng)的特點 系統(tǒng)具有以下幾個特點： 1 成本低 傳統(tǒng)的數字調制解凋與發(fā)射接收電路能以較低成本實現。 2 開發(fā)難度相對小 沒有復雜的軟件控制協(xié)議，開發(fā)難度相對較小。 3 容易小型化 電路結構合理，實現了低功耗和小體積，容易做成隨身攜帶型的產品。實現 1 4 醫(yī)學信號在無線信道下的可靠性傳輸 了一t ；, m u 等參數的數字化傳輸可靠性高，功耗低，成本低，便于大規(guī)模生產。 分和接收解調電 基帶處理和發(fā)射 圖3 1 發(fā)射器的結構框圖 生理參數電路完成對病人的心電等生理信號的采集處理，m s p 4 3 0 f 1 4 9 通過 a d ( 片內白帶) 采樣后得到數字化信號，完成信道編碼按照通信協(xié)議將信息送至 c c l 0 2 0 發(fā)射模塊發(fā)射出去。還有其它的輔助電路如顯示控制、報警信息、參數設 置等也足通過m s p 4 3 0 f 1 4 9 來處理的。下面著重講述通信電路的設計。 3 2 單片機的選用原則 單片機是將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊：笛片中的微機。一般來說，單片機是 以某一種微處理器為核心，：邕= 片內部集成了r a m 、r o m 、總線及總線邏輯、定 時器計數器、w a t c h d o g ，i o 、串行口、脈寬調制輸出、a d ，d a 等各種必要功 能和外設這些豐富的外沒資源，靈活的配置，特別適合嵌入式系統(tǒng)，可以嵌入到 任何微型或小型儀器或設備中，故又稱嵌入式微控制器。 目前單片機已經進入廣泛發(fā)展時代，種類很多，如何選擇性價比最優(yōu)，開發(fā) 容易，開發(fā)周期最短的產品，是工程師要考慮的主要問題之一。目前我國銷售的 1 6醫(yī)學信號在無線信道卜的可靠性傳輸 主流m c u 產品有8 0 5 1 ，p i c ，m s p 4 3 0 ，a v r 等系列單片機。選購單片機總體應 叢兩個方而考慮，其一是目標系統(tǒng)需要那些資源；其二是根據成本的控制選擇價 格最低的產品。即所謂“性價比最高”原則。 資源方面考慮的重要指標有：速度、位數、電壓、功耗、存儲器容量、系統(tǒng) 擴展與驅動能力、抗二f 擾能力、是否嵌入a d c 、d a c 等其它的特殊要求。另外軟 件開發(fā)的簡易性也是要考慮的重要因素。 m s p 4 3 0 f 1 4 x 系列是德州儀器公司推出不久的一個1 6 位單片機系列，它具有 極低的功耗，這足在設計中選用此系列單片機最重要的原因。并且內部集成了大 量的外設。它為使用電池供電的測量設備提供了一個完整的解決方案，在本方案 中用的足m s p 4 3 0 f 1 4 9 。如果發(fā)射器需要l c d 顯示，可選用m s p 4 3 0 f 4 4 x 帶l c d 驅動的系列。 3 3m s p 4 3 0 f 1 4 x 單片機的芯片特性 m s p 4 3 0 系列是美圍德州儀器公司生產的一種特低功耗的f l a s h 微控制器，有 “綠色微控制器( g r e e nm c u ) ”稱號，其技術特征代表了單片機的發(fā)展方向。其存 儲器模塊是目前業(yè)界所有內部集成f l a s h 存儲器產品中能耗最低的一種，消耗功 率僅為其它閃速微控制器( f l a s hm c u ) 的五分之一。圖3 2 為m s p 4 3 0 1 4 x 系列的內 部結構。 x l hx n i - 1 丌p ikn v c cn v 船 譬性rr r 耵n p 1p 2p，p4p 5p b 圖3 2m s p 4 3 0 f1 4 x 的結構 m s p 4 3 0 f 1 4 x 系列單片機具有以下特點： 1 、超低功耗 1 8v 3 6v 供電電壓范圍 2 0 0u a 1m h z ，2 2 v ，活動模式 第二章發(fā)射電路設計 0 7p a 備用模式，o 1u a 保持數據 6i j s 從備用模式喚醒 靈活的時鐘系統(tǒng)，x t a l x 2 + d c o 2 、強大的c p u 內核 16 b i tr i s c 結構 1 2 5n s 指令周期 8m h z 3 、靈活多樣的外圍模塊 12 b i ta d ( 8 + 4 通道，2 0 0 k ，順序采樣) 1 6 b i tt i m e ra 有3 個c c 寄存器 1 6 b i tt i m e rb 有3 7 個c c 寄存器 1 2 個u s a r t 接口 硬件乘法器 模擬信號比較器 基本時鐘模塊 d c o 由可編程內部電阻控制頻率 d c o 由單一外部電阻控制頻率 3 2 7 6 8 h z 晶振產生低頻時鐘 高頻晶振產生高頻時鐘 可選擇外部時鐘源 3 4 射頻：卷片的選用原則 由于無線收發(fā)芯片的廠商和種類比較多，如何在設計中選擇所需要的芯片是 非常關鍵的，j f 確的選擇可以少走彎路，降低成本，更快地將產品推向市場。 1 、發(fā)射功率 在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應該選用發(fā)射功率較高的產品。 c c l 0 2 0 的發(fā)射功率可以達至l j + 1 0 d b m ，并且是軟件可調的。信道條件好，通信距 離較近時可將發(fā)射功率降低，反之則加大發(fā)射功率，因此該芯片在具體應用時可 靈活掌握。 2 、功耗 大多數無線收發(fā)芯片是應用在便攜式產品上的，因此功耗也非常重要，應該 根據需要選擇綜合功耗較小的產品，c c l 0 2 0 的工作電流在同等發(fā)射功率下雖不是 最小的，但對我們的需要已經足夠，而且其它方面的性z 月- , 匕e _ , ，4 k e l 優(yōu)越，這也是選擇它 的理由之一。 3 、能夠提供的信道數量 醫(yī)學信號在無線信道下的可靠性傳輸 即芯片是否可以在較寬的范圍內工作。預研階段要為將來的產品升級預留一 定的空間，因此必須考慮芯片能否提供多通道支持。目前臨床應用的遙測系統(tǒng)都 提供多通道支持，日本光電早期的產品支持4 床位，而根據g e 提供的資料，其產品已 可以支持多達1 0 0 0 床位的監(jiān)護。所以芯片必須可以在較寬的范圍內工作。 4 、窄帶性能 這一項也是很重要的。我們要實現在2 5 k h z 信道帶寬以4 8 0 0 b p s 的速率傳輸 數據，而且要保證數據傳輸的可靠性，因此說這項性能至關重要。從調制方式上 來說，g m s k 要比f s k 性能優(yōu)越，能在相同帶寬下得到更高的數據率，但目前還 沒有這種調制方式的低功耗芯片，因此只能選擇f s k 方式。 5 、收發(fā)芯片的數據傳輸是否需要進行曼徹斯特編碼 采用曼徹斯特編碼的j 簽片，在編程上會需要較高的技巧和經驗，需要更多的 內存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數據傳輸的效率，一般儀能達到標 稱速率的1 3 。c c l 0 2 0 的輸入可以是曼徹斯特碼也可以使n r z 碼，給具體應用提 供了較大的選擇空間。而無線遙測系統(tǒng)中的數據量是很大的，采用曼徹斯特編碼 是無法傳輸完的。因此我們可以在設計中應用c c l 0 2 0 的這一特性，給設汁工作帶 來簡化。 3 5c c l 0 2 0 芯片特性及工作原理 c c l 0 2 0 是c h i p c o n 公司最新推出的窄帶c m o sf s k a s kr f 收發(fā)器，工作 頻率在4 2 4 到4 7 0 m h z 和8 4 8 到9 4 0 m h z 之間，是第一個能滿足短距離窄帶應用 嚴格要求的器件。它很適合用在2 5 k h z 和1 2 5 k h z 信道間隔的窄帶系統(tǒng)。其它的 特性包括有靈敏度高達119 d b m ，相鄰通道功率小于4 5 d b c ，工作電流儀為17 m a ， 工作電壓2 3 3 6 v 。工作頻率穩(wěn)定可靠，外圍元件少，便于設計生產，功耗極低， 適合于便攜及手持產品的設計，由于采用了低發(fā)射功率，高接收靈敏度的設計， 滿足無線管制要求，無需使用許可證，是目前低功率無線數傳的理想選擇，芯片 特點： 頻率范圍4 0 2m h z 4 7 0m h z 和8 0 4m h z 9 4 0m h z 高接收靈敏度( 1 2 5k h z 信道帶寬可達1 2 1d b m ) 輸出功率可編程 低電流消耗( 接收時：1 7 m a ) 低電壓供電( 2 3vt o3 6v ) 所需外圍器件少 頻率可編程設定 0 0 剛a s k ，f s k 和g f s k 數字調制方式 1 9 工作于接收模式下時c c l 0 2 0 足一款低中頻接收機，接收到的射頻信號經低噪 聲放大器( l n a 和l n a 2 ) 和下變頻后變換到中頻( i 和q ) ，在中頻i 、q 兩路信號 經復雜的濾波與放大后由a d c 變?yōu)閿底中盘枴Ｗ詣釉鲆婵刂?、信道濾波、解凋及 位同步均由數字部分處理。解凋后的數據在管腳d i o 上輸出，同時在d c l k 管腳上 輸出一個同步時鐘。 工作于發(fā)射模式下時，在內部合成的射頻信號直接輸入功率放大器( p a ) ，射 頻輸出將d i o 管腳輸入的數字信號流以f s k 的方式輸出。也可以選擇在電路中添加 一高斯濾波器而得至i j g f s k 調制方式。芯片內部的匹配電路使得天線接口更為容 易。 3 6 基于c c l 0 2 0 發(fā)射模塊的設計與工作過程 c c l 0 2 0 的優(yōu)勢在于它的窄帶性能優(yōu)越及使用中的靈活性。做發(fā)射時，因在 4 2 0 4 7 0 m h z ( 我們選擇的頻段) 內軟件凋節(jié)頻點，n r z 輸入，用它做發(fā)射電路成 本低，使用靈活，窄帶特性好，功耗較低，是很理想的選擇。 3 6 1 射頻模塊設計 射頻模塊的核心部分為c c l 0 2 0 芯片，外加精心沒計的印制版天線，具有體積 小，功耗低的特點，外圍接口電路簡單，與單片機通過6 條線連接，如圖3 4 所示。 因為系統(tǒng)實現的足單向通信，所以發(fā)射模塊只需使用芯片的發(fā)射功能，但足我們 2 0醫(yī)學信號在無線信道下的可靠性傳輸 實際仍將射頻模塊做成收發(fā)一體，使用一個外置開關來選擇。這樣只需要操作開 關并在軟件中進行相應的改動就可使電路工作在接收狀態(tài)。這樣做是為了將射頻 部分模塊化，使用起來更加方便。 孓霉s 圖3 4 基于c c l 0 2 0 的射頻模塊電路 對電路的說明： 輸入輸出匹配： l 1 和c 1 是c c l 0 2 0 接收機的輸入匹配電路，l 2 和c 3 是作發(fā)射的匹配電路， 匹配阻抗為5 0 f l 。c c l 0 2 0j 簽片內部的電路使得將輸入與輸出的5 0 t a 匹配電路連在 一起成為可能，但是為了電路能工作在最佳狀態(tài)下最好是加一個外部