无线人体通信技术论文.docx

无线人体通信技术论文1WHBC的理论与模型依据耦合方式的不同WHBC可分为：①电流耦合发射端输入人体的信号为电流信号接收器、发射器的两个电极均需与人体直接接触；②电容耦合发射端输入人体的信号为电压信号接收、发射端的两个电极可不与人体直接接触。当前大部分的研究都集中于后者因此本论文主要介绍电容耦合WHBC系统。当前被认可的基于电容耦合的人体通信机制主要有两种：静电耦合机制和把人体作为波导的电磁波传播机制大多数WHBC模型基于这两种传输机制建立。另外还有一些WHBC模型是基于实验数据得到的下面我们简单介绍一下当今主要的WHBC理论和模型。1．1静电耦合机制及其物理模型首先我们来介绍WHBC的静电耦合传输机制。发射接收信号的电路、放在人体上或者人体附近的电极、导电的人体（相当于一个电阻）、电极和大地之间的耦合电容可构成一个闭合回路。整个闭合回路可被看作为一个二端口网络发射端的信号电极和地电极是其信号输入端接收端的信号电极和地电极是其信号输出端已知电路中的各电阻及电容的值就可根据电路知识求出信号的路径损失。由于静电耦合作用（即二端口网络电路中的耦合电容）是该传输原理中的关键所在因此称该原理为静电耦合原理。其中发送端和接收端信号电极可以直接贴在人体皮肤上或者靠近人体皮肤的邻近区域（例如紧贴衣服上）发送端和接收端的地电极悬空或者贴在皮肤上。但Luˇcev等证明信号电极直接与皮肤接触、地电极悬空的电极结构可以得到最小的路径损失。Xu等根据静电耦合机制设计了一个WHBC通信系统其系统模型使用了有限元件建模方案。该系统模型包含了大气、人体、发射端电路和接收端电路。其中大气分为三个区：近域区、过渡区和远域区；人体模型则由手臂、胸部、腹部和脚组成而各器官分别由对应的皮肤、脂肪、肌肉层组成。模型的仿真结果在低频和实际测得的数据相差不大但在高频段差别就有些大还需要仔细研究。1．2人体作为波导的传播原理及其物理模型有些研究人员把人体看作波导从电磁波传播的相关原理方面建立人体信道的计算模型。发射机的信号电极与其地电极是电磁波的发射源人体表面是人体与空气之间的边界面信号的传输过程可看作一种特殊情况的表面波传输。已知人体表面的电介参数根据麦克斯韦方程和人体空气边界条件可求出在人体表面各点的电场强度、磁场强度以及路径损失。Fujii等用有限差分时域方法（finitediffer－encetimedomainFDTD）建立WHBC模型。在FDTD计算方法中使用了日本成年男性和女性的高精度身体模型。实验中用生物组织固体人体等效模型验证文中提到的理论模型结果虽还不错但模型跟真实的人体毕竟不一样该方法的有效性还需通过真实的人体加以验证。1．3其它的WHBC传输原理和模型近期Bae等提出了新的WHBC传输原理该原理同样把发射端的信号电极和地电极看作电磁波的发射源但认为仅电磁波的电场可传播信息电磁波的磁场不起传递信息的作用同1．2一样利用麦克斯韦方程组可得到人体表面的电强度和路径损失。论文提出的理论很新颖能够综合现有的两套理论但其仿真结果和实验结果在低频处却有较大的误差还需进一步完善。Ruiz等利用实验数据建立了一个WHBC分析模型。方法是从现有的各种分布函数中选择一个与实际测得的路径损失的累积概率分布最接近的一个分布类型然后用数学方法估计在某一确定距离下该分布类型的参数接着求出该分布函数的参数与（发射接收）距离之间的关系从而得到想要的模型。这种方法对硬件设计有一定的指导意义但由于缺乏内在的物理原理的支撑有很大的局限性。2WHBC中的数字基带传输机除了WHBC的传输理论有诸多进展WHBC传输机也颇有些硕果。Lont等设计了一个数据速率可调的基于移频键控（frequencyshiftkeyingFSK）的超低功耗数字接收机。Song等则利用0．25μm标准CMOS工艺设计了一个功耗为0．2mW、速率为2Mb／s的数字传输机其原理图。图中上半部分为发射机下半部分为接收机。发射机由伪随机二进制序列（pseudo－ran－dombinarysequencePRBS）产生器、二选一多路复用器和驱动器组成。PRBS是芯片测试时需要用到的功能部件。数字信号可直接通过二选一多路复用器、驱动器传到人体。接收机由接收AFE模块、CDR电路和位错误探测器组成。接收AFE模块用于放大、触发、反向从电极接收到的宽带信号以恢复二进制数据。CDR电路模块从恢复的二进制模块中提取时钟信号并锁存数据。位错误探测器是芯片测试时需要用到的功能模块。当反向不归零制（non－return－to－zeroNRZ）数据直接输入到人体后发射端电极产生对称的静电场（分别对应二进制数据1和0）在该静电