基于-LabVIEW-和-PXI-的人体通信基带处理器的设计.doc

作者：张林华 中国科学技术大学

应用领域：射频(RF)、信号采集与发生、嵌入式系统

挑战：人体通信是目前刚刚兴起并有别于传统无线通信和有线通信的新通信技术，它最大的区别在于以人体组织作为数据传输介质，并实现数据的可靠传输。而基于人体通信的基带系统设计正是为实现该目的的有效手段，由于基带处理器涉及信道编解码和调制解调相关技术，而如何确定某种编解码与调制解调使得人体通信发挥最佳效果则是本设计的最终目的。

应用方案：该设计打破传统的测试方案，在传统的基带测试方案中大多采用 Agilent或者 Rohde & Schwarz等公司的矢量信号发生器及矢量信号分析仪进行基带的信号发生和信号接收，并做出相关的分析；而采用 NI公司的 PXI 系列的矢量信号发生器及变频器和数字化器进行信号发生与接收，关键是借助 LabVIEW 软件及 NI PXI 实现客户定制的基带信号，完全可以由客户自己设定编解码与调制解调方案，不同的组合所产生的效果不同。这样就可以从中找到最佳适合人体通信的基带系统，为人体通信的数据传输达到有效可靠。

使用的产品：
NI LabVIEW2009
调制工具包
NI PXI-5421任意信号发生器
NI PXI-5610上变频
NI PXI-5600下变频
NI PXI-5620数字化器
PXIe-5630 矢量网络分析仪
介绍：
    人体通信是指利用人体组织作为数据传输的媒介和通道，实现数据传输的有效技术。其相对于传统的传输方式最大的区别在于传输媒介的不同，无线传输大多采用空气或者光作为传输介质，而有线传输更为明显，通常采用导线将设备进行互联实现通信。人体通信的概念最早源于美国麻省理工学院（MIT）的T.G.Zimmerman在1996年发表的一篇论文[1]，内容是将人体作为可佩带计算设备之间新的连接手段。
    由于人体通信技术的新颖性及其应用前景大，逐渐受到各商家及单位的重视。无论在医疗还是在运动健康以及娱乐方面都有着其广泛的应用。在医疗方面，比如有医院给病人安装的远程血压或者心脏检测器等，将人体生理信号的采集，传输到医疗机构实现远程医疗；在运动健康方面，比如随身携带的手表、手机、传感器等作为信元采集人体信息，识别人体的状态，提示用户运动的有效状况及相关信息；在娱乐生活方面应用，比如电子钱包，在超市购买东西只要用手接触相关传感器就能从用户的电子钱包扣除费用，还有集合人体信息的数据采集和与其他设备的通信，就可以对个人身份进行认证等等。可见其应用前景相当可佳。人体通信和一般的电话或无线通信不同，不会产生串线和盗听的现象，将来人们通过门把手、各种开关、桌椅等也能传输通信信号，人体通信技术将给人们的生活带来更多的便利。国内外已经开始对人体通信技术理论有了一定的深入。国外有好些机构开始这方便的研究，以日本韩国等研究相对前卫，而国内起步比较晚，因此以人体通信的基带系统的设计具有较大的影响。如图1为人体通信区域网络。

图1 人体通信区域网络 
    为获得人体通信信道在频域和时域上的特性，分别搭建实验验证平台，如图2所示。该平台的主要功能是为了对人体通信的信道特性进行测试，左图显示了在频域上的测试人体通信新到特性的方案，右图显示了在时域上测试人体通信信道特性的方法。两种测试方案目的不同，因此测试原理也不同。

图2 测试信道特性平台 
    根据图2左图可知，为验证人体通信信道的频域特性，采用PXIe-5630 矢量网络分析仪搭建测试平台。我们对多样本实验数据进行汇总绘图S21参数曲线如下：

图4 不同测试个体在同一频段S21曲线 
    从上图3和图4实验结果可知，在同一频段下，不同测试距离对信号传输产生不同的衰减程度。随着距离增大，经过人体传输后信号衰减也加大。而在频段20MHz至30MHz衰减相对小些，这说明在该频段人体通信信号传输效果最好，最合适人体通信信道的传输。在10个测试样本中，每个人的体重身高也不相同，但是从测试曲线可知，体重偏大（偏胖类型）的个体在信号传输过程中衰减值相对体重轻些的个体要大些。但从整体上看，虽然个体差异性比较大，但是S21曲线的大致形状并未改变，并且在10MHz至30MHz这个频段衰减相对平稳这说明人体通信具有共性，并不会因为个体的差异而导致信号传输效果造成很大的不同。从个体差异性和传输距离所获得数据综合可知，在频段20MHz至30MHz时人体通信信号传输效果最佳。
    再者根据人体信道在频域上的特性，选择最佳频段进行验证人体信道时域上的特性。在研究人体通信其信道时域特性时，主要针对调制解调和信道编码实验，搭建过两种实验平台：一种是基于Agilen或者Rohde & Schwarz等公司的信号发射器及信号分析仪搭建平台来验证数据；二种是基于NI公司的LabVIEW和PXI系列的矢量信号发生器及变频器和数字化器进行信号发生与接收，借助LabVIEW软件实现客户定制的基带信号由于我们在人体信道时域特性上的参数比较苛刻，第一种方案由于仪器本身特性无法满足实验所需的设置，比如无法选择信道编解码以及有限的调制解调方法等等，这些因素决定了选择第二种实验方案。
    根据图2右图可知，本次人体信道时域特性验证平台是基于NI公司的PXI系列的产品[2]，主要有PXI-5421、PXI-5620、PXI-5610、PXI-5600。通过这些设备采用NI LabVIEW和NI PXI搭建出输入输出的基带组件，其中PXI-5421、PXI-5620分别是100 MS/s的16位任意波形发生器、64 MS/s的14位频域数字化仪。PXI-5421和PXI-5620是通信应用的理想选择，因为它们结合高分辨率和大容量存储，能够方便地生成持续精准的非周期性波形及对其进行数字化。此外，NI 公司的PXI-5610和PXI  -  5600模块别分对应上变频和下变频，可以产生高达2.7千兆赫基带信号频率。通过与变频器相结合，并与下变频器数字化生成一个完整的软件定义的收发器。为前面所设计的基于人体通信基带系统进行全面的设计验证，从而节省宝贵的时间。根据[2]改进的人体通信基带系统验证平台见图5所示。

图5改进后的人体通信基带系统 
    随着LabVIEW的灵活性，其包括信号分析、信号处理及可视化工具，可以用软件精准地模拟在整个无线通信系统。NI LabVIEW的调制工具包，可以用软件对编码和调制进行配置，同时还可以增加直流偏移以及IQ增益不平衡等参数。一旦完成设计，它可以针对硬件设备进行修改，用实验数据来验证人体通信的基带系统。验证平台实景见图6所示。图6 NI PXI 平台实景。

图6 NI PXI 平台实景
    根据人体通信基带系统测试平台，我们可以通过LabVIEW[3]选择不同的调制方式和信道编码方法，并通过NI PXI产生所需的信号进行传输与处理。这次验证人体通信基带系统参数见表1。

结论
    通过上述的人体通信验证平台，分别对不同的调制方式及信道编码进行有效的组合实现基带数据传输，由于数据相对繁多，在这里只以FSK调制方式来进行说明。

    从图7可知上变频采用NI PXI的5672，PN31数据信号来自NI PXI的5442，中心频率为20MHz，采用2FSK调制作为发射端设计。图7为接收端设计，下变频为NI PXI 5661，对载频为20MHz的信号进行2FSK解调，从而获得原始数据。图9为发射端信号图，两路信号分别为I和Q信号。图10为接收端信号分析图，分别从星座图、IQ信号等进行分析，同时在发射端中可以看到BER值的变化，通过不同的调制方式和信道编码的组合得知哪种组合更合适人体通信。从图8接收端实验数据来看，在载频为20MHz时，数据传输过程中BER为0，这说明数据传输非常可靠，并且结合星座图和时域数据图形可知BPSK与BCH编码组合的数据传输，人体通信可获得可靠高效的传输，符号率可达到10Msps。根据不同信道编码也调制进行组合比较可见，在低频时BPSK和BCH信道编码更加合适人体通信，采用该设计的人体通信基带系统能够保证数据地可靠高效传输。因此该设计方案具有一定的理论与实践指导意义。

参考文献
[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. 
[3] 胡仁喜.王恒海.齐东明. 2005. LabVIEW8.2.1 虚拟仪器. 机械工业出版社. 2008William Stallings,何军. 无线通信与网络. 清华大学出版社.