（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）醫(yī)學(xué)信號(hào)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(xué)中的遙測(cè)與遙控技術(shù)l 1 2 課題的提出及研制設(shè)想3 1 2 1 國(guó)內(nèi)外無線監(jiān)護(hù)產(chǎn)品情況3 1 2 2 研制設(shè)想3 1 3 本文所做的工作4 第二章總體方案設(shè)計(jì)5 2 1 室內(nèi)無線電波傳播5 2 2 無線遙測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)1 l 2 2 1 總體方案設(shè)計(jì)思想11 2 2 2 系統(tǒng)架構(gòu)11 2 3 關(guān)鍵參數(shù)的確定1 2 2 3 1 工作頻段1 2 2 3 2 調(diào)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(diǎn)1 3 第三章發(fā)射電路設(shè)計(jì)15 3 1 發(fā)射器的電路結(jié)構(gòu)1 5 3 2 單片機(jī)的選用原則1 5 3 3m s p 4 3 0 f 1 4 x 單片機(jī)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(shè)計(jì)與工作過程1 9 3 6 1 射頻模塊設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)2 6 4 1 3 電路實(shí)現(xiàn)2 8 4 2 接收解調(diào)電路3 1 第五章信道糾錯(cuò)編碼和幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3 3 5 1 糾錯(cuò)編碼簡(jiǎn)介3 3 5 2 漢明碼糾錯(cuò)編碼的介紹3 4 5 3c r c 校驗(yàn)3 7 5 3 1c r c 校驗(yàn)的基本思想 3 , 4 1 3 7 5 3 2c r c 校驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)3 8 5 4 交織編碼3 9 5 5 信道糾錯(cuò)編碼方案的制定4 0 5 5 1 采用的信道糾錯(cuò)編碼方案4 0 5 5 2 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4 0 第六章軟件設(shè)計(jì)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(yàn)子程序。4 9 6 2 5 串口發(fā)送子程序5 0 第七章結(jié)束語5 l 7 1 課題總結(jié)5 l 7 2 工作展望5 1 致謝5 3 參考文獻(xiàn)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(xué)中的遙測(cè)與遙控技術(shù) ( 1 ) 生物醫(yī)學(xué)中遙測(cè)與遙控的類型 生物醫(yī)學(xué)中的遠(yuǎn)程測(cè)量與控制技術(shù)也稱為遙測(cè)遙控技術(shù)，它是通過一定的距 離( 可以達(dá)幾k m 也可以是幾c m ) 測(cè)量生理參數(shù)等生命狀態(tài)有關(guān)的技術(shù)，屬于生 物醫(yī)學(xué)傳感測(cè)量與通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。早在1 8 6 9 年，法國(guó)的m a r e y 為了研究 鳥類的飛行，將一個(gè)拍打接觸片裝在鴿子的翅膀間斷，并用長(zhǎng)導(dǎo)線接到一個(gè)電磁 測(cè)量系統(tǒng)，再推動(dòng)筆尖，在記錄鼓上記錄了鴿子翅膀的拍打信號(hào)，這是生物醫(yī)學(xué) 遙測(cè)史上的第一個(gè)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(xué)遙測(cè)系統(tǒng)，包括有線遙測(cè)、無線遙測(cè)和存儲(chǔ)式遙測(cè)三大類，測(cè)量 對(duì)象遍及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中許多相關(guān)的生命特征。目前，利用衛(wèi)星通信和因特網(wǎng)已 能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離會(huì)診和遠(yuǎn)程干預(yù)，這就為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療創(chuàng)造了前提。遠(yuǎn)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(cè)與遙控 無線遙測(cè)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(xué)信息的。 被測(cè)對(duì)象只是攜帶一個(gè)發(fā)射小盒，可在自然的無拘束的工作或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下將生理 信息向接收測(cè)量端傳遞，所以可實(shí)現(xiàn)對(duì)活動(dòng)病人的監(jiān)測(cè)，開展運(yùn)動(dòng)生理的研究， 可在特殊的環(huán)境下或在負(fù)荷狀態(tài)下監(jiān)測(cè)勞動(dòng)者、運(yùn)動(dòng)員、宇航員乃至稀有野生動(dòng) 物的生理參數(shù)。 另外，無線遙測(cè)由于患者配戴的遙測(cè)發(fā)射器通常采用電池供電，是一種典型 的浮地電源，被測(cè)對(duì)象與接收裝置、計(jì)算機(jī)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(cè)對(duì)象與市電無直接聯(lián)系，因此具 有很高的安全性和可靠性。 由于體內(nèi)植入式測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，目前己采用電磁波、紅外光作為媒介實(shí)現(xiàn) 體內(nèi)和體外信息的雙向傳遞，即采用無線方式將體內(nèi)信號(hào)傳送到體外進(jìn)行測(cè)量和 顯示。通過體外的指令對(duì)體內(nèi)測(cè)量和控制裝置實(shí)現(xiàn)精度測(cè)控。遙測(cè)與遙控相結(jié)合 的雙向工作方式，通常稱為應(yīng)答式遙測(cè)技術(shù)，也稱為閉環(huán)測(cè)控系統(tǒng)。 無線遙測(cè)通常采用各類調(diào)制或編碼技術(shù)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換。眾所周知，信號(hào) 的變換往往是實(shí)現(xiàn)抗干擾、多路化、遠(yuǎn)程傳輸?shù)谋匾侄巍Ｕ{(diào)制與解調(diào)技術(shù)、編 碼與解碼技術(shù)是無線通信的核心。按信號(hào)變換方式來劃分，無線遙測(cè)通常分為模 擬式和數(shù)字式兩大類。目前采用不同的遙測(cè)體制、調(diào)制及編碼方式，可實(shí)現(xiàn)單參 數(shù)遙測(cè)，也能實(shí)現(xiàn)數(shù)以百計(jì)參數(shù)的同時(shí)遙測(cè)。 ( 3 ) 有線遙測(cè)與遙控 2醫(yī)學(xué)信號(hào)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(jīng)被廣泛應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè) 備簡(jiǎn)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(guó)家也：i ：辟了專用的醫(yī)學(xué)信息遙測(cè)電纜傳輸線路，實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué) 圖像的傳送，以及在團(tuán)體體檢時(shí)用作大容量的心電圖的計(jì)算機(jī)集中處理。隨著光 導(dǎo)纖維通信以及互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，實(shí)時(shí)圖像的傳送和遙測(cè)己成為遠(yuǎn)程診斷與醫(yī) 療的重要手段。加上衛(wèi)星通信、地面移動(dòng)通信的發(fā)展，有線與無線相結(jié)合的方式 將成為生物醫(yī)學(xué)遙測(cè)的一種有效途徑。醫(yī)院中包括各種監(jiān)護(hù)和診斷系統(tǒng)在內(nèi)的醫(yī) 療信息網(wǎng)絡(luò)，可使整個(gè)醫(yī)院的檢驗(yàn)科、心內(nèi)科、放射科、超聲診斷及醫(yī)療管理信 息，通過電話網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等實(shí)現(xiàn)有線遠(yuǎn)距離測(cè)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(wǎng)絡(luò)，包括衛(wèi)星通信等 手段實(shí)現(xiàn)對(duì)自移動(dòng)病人、鄉(xiāng)村醫(yī)院、滲療船、急救用的車輛和直升飛機(jī)送來的生 物醫(yī)學(xué)信息進(jìn)行集中分析與處理。顯然，這種醫(yī)學(xué)信息傳感、測(cè)量、傳輸、遠(yuǎn)程 診斷、存檔、遠(yuǎn)程干預(yù)( 調(diào)控) 、治療一體化的過程正是代表未來生命科學(xué)研究及醫(yī) 療的現(xiàn)代化模式。 ( 4 ) 存儲(chǔ)式遙測(cè) 存儲(chǔ)式遙測(cè)的思想基于存儲(chǔ)記錄。被測(cè)對(duì)象的生理信息首先被記錄在磁性存儲(chǔ) 器( 磁帶、磁盤、磁鼓等) 、固態(tài)存儲(chǔ)器( 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、電荷禍合器件存儲(chǔ)器等) 和 光存儲(chǔ)器( 光盤等) 上，然后到達(dá)另一地進(jìn)行回放( 通常采用高速回放) ，送給計(jì)算機(jī) 分析和處理。這種方式己廣泛應(yīng)用于遙感技術(shù)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(dá)目的地時(shí)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(jìn)行分析處理。這 種存儲(chǔ)式遙測(cè)也被h o l t e r 應(yīng)用于動(dòng)態(tài)心電圖監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中。在這個(gè)系統(tǒng)中，被測(cè)對(duì) 象( 患者) 隨身攜帶一個(gè)微型心電記錄器( 具有一些處理與顯示功能) ，經(jīng)2 4 h 長(zhǎng)時(shí)間 記錄的心電圖，送至醫(yī)院內(nèi)的計(jì)算機(jī)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(nèi)很快獲得患者2 4 h 的心率趨勢(shì)、早搏次數(shù)和趨勢(shì)、 異常心電圖及其發(fā)生的時(shí)間等一系列心電信息。目前，這種存儲(chǔ)式遙測(cè)方式已成 為早期診斷冠心病的重要手段。同時(shí)，采用存儲(chǔ)式遙測(cè)的動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)。動(dòng)態(tài)腦 電圖監(jiān)測(cè)以及動(dòng)態(tài)人體活動(dòng)度監(jiān)測(cè)也應(yīng)運(yùn)而生。存儲(chǔ)式遙測(cè)是一種非實(shí)時(shí)的離線 測(cè)量方式：其應(yīng)用有一定的局限性，但它與無線、有線遙測(cè)方式相輔相成。仍然 具有廣闊的使用前景。存儲(chǔ)式遙測(cè)的思想方法以及數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)存檔與傳輸相 結(jié)合，也在醫(yī)學(xué)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(shè)想 無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，使得其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)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(cè)技術(shù)在監(jiān)護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用，即如何實(shí)現(xiàn)對(duì) 病人的無線監(jiān)護(hù)。 1 2 1 國(guó)內(nèi)外無線監(jiān)護(hù)產(chǎn)品情況 目前國(guó)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(cè)監(jiān)護(hù)產(chǎn)品，許多老型號(hào)也紛紛增加了無線聯(lián)網(wǎng)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(hù)產(chǎn)品的市場(chǎng)發(fā)展迅速，最近業(yè)界也掀起了一場(chǎng) 無線應(yīng)用的革命，g e 在2 0 0 2 年的無線監(jiān)護(hù)產(chǎn)品線的銷售額達(dá)到1 3 億美元，2 0 0 3 年預(yù)計(jì)能達(dá)到1 8 億美元，無線遙測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要因素。從 發(fā)展的角度來看，監(jiān)護(hù)產(chǎn)品的無線化、網(wǎng)絡(luò)化足發(fā)展趨勢(shì)，移動(dòng)型、具備無線聯(lián) 網(wǎng)功能的監(jiān)護(hù)產(chǎn)品將成為未來市場(chǎng)的主流。另外，t e l e m e d i c i n e ( 遠(yuǎn)程醫(yī)療) 的發(fā)展也將使無線遙測(cè)與無線互聯(lián)技術(shù)大有用武之地，無線應(yīng)用的前景廣闊。 而我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域目前處于落后狀態(tài)，這些昂貴設(shè)備基本依靠進(jìn)口，一方面 我國(guó)有些醫(yī)院也在使用國(guó)產(chǎn)的無線監(jiān)護(hù)儀，基本上都足模擬遙測(cè)的產(chǎn)品，設(shè)備笨 重而且技術(shù)落后，另一方面我國(guó)醫(yī)療器械行業(yè)的一些高新骨干企業(yè)的監(jiān)護(hù)產(chǎn)品沒 有無線化網(wǎng)絡(luò)化。無線遙測(cè)技術(shù)門檻較高，涉及到r f i f 技術(shù)、數(shù)字基帶信號(hào)處 理、電磁環(huán)境研究和天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)、低功耗設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，開發(fā)難度相對(duì)較大，這 方面的專業(yè)開發(fā)人員也很少，開展本技術(shù)預(yù)研，能夠?qū)o線監(jiān)護(hù)的一些技術(shù)上的 難點(diǎn)及早介入，從而爭(zhēng)取技術(shù)上的主動(dòng)，為開發(fā)國(guó)產(chǎn)的無線監(jiān)護(hù)產(chǎn)品建立良好的 技術(shù)積累。 1 2 2 研制設(shè)想 隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和人民生活質(zhì)量的不斷提高，遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)和家庭健康監(jiān)護(hù) 顯示出了強(qiáng)大的生命力，到時(shí)可在小區(qū)甚至家庭安裝配備接收箱，實(shí)現(xiàn)家庭健康 監(jiān)護(hù)，這樣可節(jié)省醫(yī)院病床、減少住院病人、節(jié)省醫(yī)療費(fèi)用，不僅使居家病人得 到較好的綜合醫(yī)療服務(wù)，還可使病人獲得良好的家庭和社會(huì)環(huán)境，這對(duì)病人的心 理健康和身體康復(fù)均有特殊的好處。 課題的研制設(shè)想是研制一套針對(duì)醫(yī)院這種特定環(huán)境的數(shù)字通信設(shè)備，能夠可 靠地傳輸醫(yī)學(xué)信號(hào)。目的是給床邊監(jiān)護(hù)儀配備發(fā)射器和接收箱從而使現(xiàn)有的監(jiān)護(hù) 儀升級(jí)成遙測(cè)監(jiān)護(hù)儀?？紤]到各個(gè)醫(yī)院的具體情況的不同，例如一個(gè)病房有四張 床位，而有的病房有八張床位，而幾個(gè)病房組成的一個(gè)病區(qū)j j l 0 可能有更多的床位， 4 醫(yī)學(xué)信號(hào)在無線信道下的可靠性傳輸 因此這套設(shè)備應(yīng)該能夠覆蓋一個(gè)病區(qū)的范圍，傳輸距離在幾十米范圍內(nèi)。病人可 以隨身攜帶發(fā)射器在一定區(qū)域內(nèi)活動(dòng)，有利于病人病情的穩(wěn)定恢復(fù)。 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(wù)是為醫(yī)學(xué)信號(hào)的無線傳輸建立可靠 的通信鏈路，完成通信部分的最計(jì)；并在設(shè)計(jì)中考慮到第二階段工作的需要，為 其預(yù)留必要擴(kuò)展空間。不涉及生物信號(hào)提取、以及中央站對(duì)信息的處理。課題的 具體研究?jī)?nèi)容如下： 曲完成系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) b 1 完成發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的電路設(shè)計(jì) 完成共用天線分集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) d ) 研究糾錯(cuò)碼理論并完成信道編碼 第二章總體方案設(shè)計(jì) 5 第二章總體方案設(shè)計(jì) 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(nèi)的無線環(huán)境更加 難以預(yù)測(cè)，在此情況下要實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)信號(hào)的傳送在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮環(huán)境的復(fù)雜性和 變化性，使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠工作于電磁環(huán)境惡劣的地方。 2 1 室內(nèi)無線電波傳播 無線電波的傳播是一個(gè)復(fù)雜的問題，它與無線電傳播環(huán)境有密切的關(guān)系。對(duì) 無線電波傳播的特性進(jìn)行研究，一直是熱點(diǎn)問題。下面著重介紹室內(nèi)無線電傳播 特點(diǎn)、多徑信道參數(shù)、衰落類型等。 室內(nèi)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(jīng)過墻壁、窗子、室內(nèi)家具的反射、折射、繞射， 通過多條路徑到達(dá)接收機(jī)，導(dǎo)致多徑衰落現(xiàn)象。 2 1 1 無線電波傳播特性 電波傳播特性是與信號(hào)傳播所經(jīng)歷的路徑密切相關(guān)的。當(dāng)接收機(jī)處于不同位 置，具有不同的傳播特性。 在移動(dòng)通信環(huán)境下，電波傳播特性有以下特點(diǎn)： 自山空間傳播損耗信號(hào)經(jīng)過信道時(shí)，不可避免地存在損耗，它與收發(fā)距離有 關(guān)。 陰影效應(yīng)當(dāng)移動(dòng)臺(tái)在移動(dòng)過程中，周圍地形地物會(huì)對(duì)電波傳播路徑進(jìn)行阻擋， 形成電磁場(chǎng)的陰影，引起接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)中值起伏變化，這種現(xiàn)象稱為陰影效應(yīng)，表 現(xiàn)為慢衰落。 多徑效應(yīng)由于移動(dòng)體周圍的局部散射體引起的多路徑傳播，使到達(dá)接收機(jī)輸 入端的信號(hào)相互疊加，其合成的信號(hào)幅度表現(xiàn)為快速起伏變化，即快衰落，或稱 短期衰落。 快衰落的統(tǒng)計(jì)特性：( a ) 遠(yuǎn)離發(fā)射機(jī)的情況移動(dòng)臺(tái)遠(yuǎn)離發(fā)射機(jī)情況下，快衰落 信號(hào)包絡(luò)統(tǒng)計(jì)，是指在無直射波的n 個(gè)路徑傳播時(shí)接收信號(hào)的包絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性。每 條路徑的信號(hào)幅度為高斯分布，相位在0 2 兀內(nèi)為均勻分布，則合成信號(hào)的包絡(luò)分 布為瑞幣l j ( r a y l e i g h ) 分布。( b ) 靠近發(fā)射機(jī)的情況移動(dòng)臺(tái)靠近發(fā)射機(jī)的情況下，快衰 落信號(hào)包絡(luò)的統(tǒng)計(jì)特性，是指含有一個(gè)直射波的n 個(gè)路徑傳播接收信號(hào)的包絡(luò)統(tǒng) 計(jì)特性。若每條路徑的信號(hào)幅度為高斯分布，相位在o 2 內(nèi)為均勻分布，則合成 信號(hào)的包絡(luò)分布為萊斯( r i c i a n ) 分布。 多卜勒效應(yīng)由于移動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)速度和方向會(huì)使接收的信號(hào)產(chǎn)生多卜勒頻移。 在多徑條件下，便形成多卜勒頻譜擴(kuò)展對(duì)信號(hào)形成隨機(jī)調(diào)頻的多卜勒效應(yīng)。 醫(yī)學(xué)信號(hào)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(yīng)以及多b 勒效應(yīng)，電波傳播特性則簡(jiǎn)單一 些。 2 1 2 室內(nèi)小尺度衰落 在室內(nèi)可用小尺度衰落( s m a l ls c a l ef a d i n g ) 來對(duì)無線電波傳播情況進(jìn)行研究。小 尺度衰落【2 】是用來描述在一小段時(shí)問或距離上無線信號(hào)幅度的快速波動(dòng)，此時(shí)可忽 略大范圍路徑損耗的影響。 小尺度衰落產(chǎn)生的主要影響體現(xiàn)如下： ( 1 ) 在小的傳輸距離或時(shí)間間隔上信號(hào)強(qiáng)度快速變化。 ( 2 ) 不同多路徑信號(hào)的變化的多b 勒頻移造成隨機(jī)的調(diào)頻。 ( 3 ) 多徑傳播延時(shí)引起了時(shí)間色散特性。 在室內(nèi)情況下，信道內(nèi)的物體可視為靜止的，接收機(jī)或發(fā)射機(jī)的運(yùn)動(dòng)一般只 與人的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，因此，衰落儀是一種空間現(xiàn)象。當(dāng)接收機(jī)或發(fā)射機(jī)在空間運(yùn)動(dòng) 時(shí)，有益的和有害的多路徑波在空間各個(gè)點(diǎn)疊加，在一段距離上可能遇到幾個(gè)衰 落點(diǎn)。在嚴(yán)重的情況下，接收機(jī)可能停止在深度衰落的位置。 造成室內(nèi)小尺度衰落的原因主要有： ( 1 ) 路徑傳播。在信道內(nèi)的反射、散射物體形成了一個(gè)經(jīng)常變化的環(huán)境，這使 得信號(hào)能量以不同幅度、相位、時(shí)間在空間擴(kuò)散。不同多路徑的隨機(jī)相位和幅度 引起信號(hào)強(qiáng)度的波動(dòng)，因而包括小尺度衰落、信號(hào)失真。多路徑使得到達(dá)接收機(jī) 的基帶信號(hào)的時(shí)間延長(zhǎng)，產(chǎn)生了碼問串?dāng)_，引起信號(hào)拖尾效應(yīng)。 ( 2 ) 接收機(jī)或發(fā)射機(jī)的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多 卜勒現(xiàn)象，引起頻移。當(dāng)接收機(jī)向發(fā)射機(jī)靠近時(shí)，多卜勒頻移為正，反之為負(fù)。 ( 3 ) 信號(hào)的帶寬。當(dāng)發(fā)射信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)大于多路徑信道帶寬時(shí)，接收信號(hào)會(huì)產(chǎn) 生失真，但接收信號(hào)在一個(gè)局部區(qū)域不會(huì)衰減很大。當(dāng)發(fā)射信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)小于多 路徑信道帶寬時(shí)，接收信號(hào)的幅度改變很快，但信號(hào)不會(huì)失真。 2 1 3 室內(nèi)移動(dòng)多徑信道參數(shù) 描述室內(nèi)移動(dòng)多徑信道主要參數(shù)有：路徑損耗、功率延時(shí)剖面等。路徑損耗 是對(duì)功率損耗的一種評(píng)估；功率延時(shí)剖面是將功率包絡(luò)p ( r ，t ) 畫成時(shí)間的函數(shù) 的曲線。功率延h e r o 面是一個(gè)重要的參數(shù)，由它可推導(dǎo)出一些其它多徑信道參數(shù)， 如時(shí)間色散參數(shù)、相干帶寬、多b 勒擴(kuò)展和相二f 時(shí)間等。 ( 1 ) 時(shí)間色散參數(shù) 為了比較不同的多徑信道，并用來指導(dǎo)無線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要信道的量化參數(shù)，如 平均過量延時(shí)( m e a ne x c e s sd e l a y ) ，r m s 時(shí)延擴(kuò)展( r m sd e l a ys p r e a d ) ，過量延時(shí) 擴(kuò)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(shè)計(jì) 7 平均過量延時(shí)足功率延時(shí)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(shí)延擴(kuò)展是功率延時(shí)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(shí)延擴(kuò)展是反應(yīng)寬波段多徑信道特證的一個(gè)重要參數(shù)，它對(duì)數(shù)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(shí)間色散特性的，它是從r l t l $ 時(shí)延擴(kuò)展 中推導(dǎo)出來的，與r m s 時(shí)延擴(kuò)展成反比，但兩者不存在確定的關(guān)系。相干帶寬足 對(duì)一定頻率范圍的統(tǒng)計(jì)測(cè)量，在該頻率范圍內(nèi)，所有信道可以認(rèn)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(dāng)兩個(gè)頻率差大于b c 的正 弦信號(hào)，經(jīng)過信道時(shí)所受的影響是大不相同的。 ( 3 ) 多卜勒擴(kuò)展和相干時(shí)間 這兩個(gè)參數(shù)用來描述在小尺度內(nèi)信道的色散特性。 多卜勒擴(kuò)展是用來測(cè)量移動(dòng)無線信道時(shí)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(dāng)傳輸按收頻率為f c 的j 團(tuán)玄波時(shí)，接收信 號(hào)的頻譜即多卜勒頻譜為在f c 一毛的頻率范圍之內(nèi)。f d 為多卜勒頻移。頻諧擴(kuò)展的 范圍是接收機(jī)的移動(dòng)速度的函數(shù)。如果信道的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于多卜勒頻移范限，那 么多b 勒擴(kuò)展對(duì)于接收機(jī)而言是不可忽略不計(jì)的，這是一個(gè)慢衰落信道。 相干時(shí)間t c 是多卜勒擴(kuò)展對(duì)應(yīng)的時(shí)域表達(dá)量，用來表征信道在時(shí)域內(nèi)的頻率 色散的時(shí)間變化特性。多卜勒擴(kuò)展與相干時(shí)間成反比。 相干時(shí)間實(shí)際上是對(duì)時(shí)問長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)測(cè)量，在該時(shí)間上信道脈沖響應(yīng)幾乎不 變，它量化了在不同時(shí)問上信道反應(yīng)的相似性。 如果基帶信號(hào)的周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信道的相干時(shí)間，那么信道會(huì)在傳輸基帶信號(hào) 時(shí)變化，從而引起接收信號(hào)的失真。 2 1 4 室內(nèi)小尺度衰落的類型 根據(jù)信號(hào)參數(shù)( 如帶寬、碼元周期) 和信道參數(shù)( 如r m s 時(shí)延擴(kuò)展，多卜勒擴(kuò)展) 醫(yī)學(xué)信號(hào)在無線信道下的可靠性傳輸 之間的關(guān)系，不同類型傳輸信號(hào)會(huì)經(jīng)歷不同類型的衰落。在無線信道中的時(shí)間色 散特性和頻散特性能產(chǎn)生四個(gè)明顯的結(jié)果，并且這些結(jié)果與傳輸信號(hào)、信道、接 收機(jī)運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)口1 。多徑時(shí)延擴(kuò)展導(dǎo)致時(shí)間色散和頻率選擇衰落，多卜勒擴(kuò)展導(dǎo) 致了頻率色散和時(shí)間選擇衰落，這兩個(gè)傳播機(jī)制之間相互獨(dú)立。圖2 1 顯示了由兩 種傳播機(jī)制導(dǎo)致的衰落類型。 圖2 1 小范圍衰落的分類 ( 1 ) 由于多徑時(shí)延擴(kuò)展而引起的衰落影響 由于多路徑引起的時(shí)間色散特性會(huì)使傳輸信號(hào)經(jīng)歷平坦衰落或頻率選擇衰 落。 ( a ) 平坦衰落 當(dāng)信道帶寬遠(yuǎn)大于發(fā)射信號(hào)帶寬時(shí)，如果信道有一個(gè)固定增益和線性相位響 應(yīng)，那么接收信號(hào)會(huì)經(jīng)歷平坦衰落。在平坦衰落中，盡管接收信號(hào)的幅度因多徑 信道增益波動(dòng)而變化，但是，發(fā)射機(jī)的頻譜特性能保留在接收信號(hào)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(gè)恒定增益和線性相位響應(yīng)的帶寬遠(yuǎn)小于發(fā)射機(jī)的信號(hào)帶寬 時(shí)，那么信道對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生了頻率選擇衰落。在這個(gè)條件下，信道脈沖反應(yīng)有 赴 第二章總體方案設(shè)計(jì)9 一個(gè)時(shí)延擴(kuò)展，其值遠(yuǎn)大于發(fā)射信號(hào)波形的帶寬的倒數(shù)。此時(shí)，接收信號(hào)包括多 個(gè)經(jīng)歷了衰減和時(shí)延的發(fā)送信號(hào)波形的多徑波，使接收信號(hào)失真。頻率選擇衰落 是由于傳輸信號(hào)在信道內(nèi)的時(shí)問色散引起的，這樣信道會(huì)產(chǎn)生碼間串?dāng)_。如果從 頻域進(jìn)行觀察，接收信號(hào)的譜域中某個(gè)頻率分量的增益遠(yuǎn)大于其它頻率。 對(duì)于頻率選擇衰落而言，傳輸信號(hào)s ( f ) 的帶寬遠(yuǎn)大于信道干帶寬。從頻域來 看，信道具有頻率選擇性，增益對(duì)于不同的頻率分量是不同的。引起頻率選擇衰 落是因?yàn)槎鄰綍r(shí)延接近或超過發(fā)送信號(hào)的碼元周期。 ( 2 ) 由于多卜勒擴(kuò)展引起的衰落結(jié)果 ( a ) 快衰落 根據(jù)傳輸?shù)幕鶐盘?hào)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(yīng)在碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)快速變化，即信道相二f 時(shí) 間小于傳輸信號(hào)的碼元周期，這是因?yàn)槎郻 勒擴(kuò)展引起頻率色散( 也稱為時(shí)間選擇 衰落) ，這會(huì)使信號(hào)失真。 從頻域進(jìn)行觀察，信號(hào)失真隨相對(duì)于傳輸信號(hào)帶寬的多卜勒擴(kuò)展的增加而加 劇。 應(yīng)當(dāng)注意當(dāng)信道認(rèn)為是快衰落或慢衰落信道時(shí)，就不用再指出信道是平坦衰 落或頻率選擇衰落?？焖ヂ鋬H與因運(yùn)動(dòng)引起的信道變化率有關(guān)。在平坦衰落的信 道中，可將脈沖反應(yīng)簡(jiǎn)單近似成一個(gè)6 函數(shù)，因此平坦衰落，快衰落是6 函數(shù)的 變化率快于發(fā)送基帶信號(hào)變化率的一種信道：在頻率選擇、快衰落信道中，任意 一個(gè)多徑分量的幅度、相位、時(shí)延變化率比發(fā)送信號(hào)的改變速率快。在實(shí)際中， 快衰落僅在低數(shù)據(jù)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(yīng)變化遠(yuǎn)小于發(fā)送的基帶信號(hào)的變化。在這 種情況下，信道在一個(gè)或幾個(gè)信號(hào)帶寬倒數(shù)間隔內(nèi)可認(rèn)為是靜態(tài)的。 各種多徑參數(shù)和信號(hào)衰落類型總結(jié)如圖2 3 所示【2 1 ，在圖中：t c 為相干時(shí)間， 口，為r m s 延時(shí)，b c 為相二f 帶寬，b d 為多卜勒擴(kuò)展。 l o 醫(yī)學(xué)信號(hào)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(hào)帶寬關(guān)系 2 1 5 室內(nèi)無線信道的特征 隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，以及人們對(duì)信息需求的日益增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)和信息在 室內(nèi)環(huán)境的無線傳輸愈來愈廣泛。然而，定量分析和描述室內(nèi)信道足十分困難的。 室內(nèi)無線信道不同于傳統(tǒng)的移動(dòng)無線信道，主要體現(xiàn)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(nèi)無線信道的特征與室內(nèi)空間 大小、墻壁厚度、材料等因素有很大關(guān)系，受各種條件的影響更大。例如，在建 筑物內(nèi)的信號(hào)電平的大小與房問門窗打開或關(guān)閉有很大關(guān)系，天線安裝位置對(duì)無 線電波的傳播也有很大影響，當(dāng)天線安裝在桌面高度與裝在天花板上時(shí)，情況不 大一樣。 室內(nèi)無線信道具有以下特征： 接收機(jī)一般情況下是靜止的或緩慢運(yùn)動(dòng)的，因此，室內(nèi)的無線信道具有較 小的多b 勒頻移。 在室內(nèi)的無線傳輸應(yīng)用中，多徑傳播的時(shí)延差很小，即室內(nèi)無線信道的時(shí) 延擴(kuò)展較小。 在視距( l o s ) 情況下，接收信號(hào)幅值服從萊斯分布；在非視距( n l o s ) 情況下，接收信號(hào)幅值服從瑞利分布。 室內(nèi)的無線電波傳播損耗的計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，不同厚度和材料的天花板、墻 壁及地板對(duì)電波的反射系數(shù)、折射系數(shù)的影向差異很大。此外，還與房間的兒何 第二章總體方案設(shè)計(jì) 形狀，發(fā)射機(jī)的工作頻率等因素有關(guān)。 2 2 無線遙測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 2 2 1 總體方案設(shè)計(jì)思想 上一節(jié)介紹了室內(nèi)無線電波的傳播特性，可知室內(nèi)的電磁環(huán)境比室外更加復(fù) 雜。無線通信中，傳輸信道屬于衰落信道，信道的衰落會(huì)嚴(yán)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(hào)不可避免 地會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。對(duì)無線遙測(cè)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(xué)信號(hào)對(duì)病人的生命至關(guān)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(shù)措施來抵消衰落的不利影響?？顾ヂ淇刹扇《喾N措施，如各種抗 衰落的調(diào)制解調(diào)技術(shù)、抗衰落接收技術(shù)及擴(kuò)譜技術(shù)等。我們將主要從信道差錯(cuò)控 制編碼、分集接收技術(shù)上綜合考慮系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，保證醫(yī)學(xué)信號(hào)能夠在無線信道下 可靠傳輸。 2 2 2 系統(tǒng)架構(gòu) 無線遙測(cè)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(hào)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(hào)進(jìn)行解調(diào)處理后將信息送至中央站進(jìn)行下一步處理。通信系統(tǒng)作為連 接信號(hào)采集部分和中央處理站之間的橋梁，在無線遙測(cè)系統(tǒng)中起著非常重要的作 用。 我們的目標(biāo)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(shù)字調(diào)制 單向遙測(cè)系統(tǒng)，遙測(cè)系統(tǒng)山發(fā)射器和接收系統(tǒng)組成，n 個(gè)工作在不同頻率點(diǎn)的發(fā) 射器和能夠接收對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)的接收系統(tǒng)組成n 個(gè)監(jiān)護(hù)信道，實(shí)現(xiàn)對(duì)n 個(gè)病人的同 時(shí)監(jiān)護(hù)。將共用天線電路和接收器做成模塊形式，安裝在一個(gè)接收箱內(nèi)，所有的 監(jiān)護(hù)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(jié)構(gòu)，對(duì) 應(yīng)一個(gè)發(fā)射器配置一個(gè)接收器，接收器設(shè)計(jì)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(cè)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(shí)使用多個(gè)接收箱，可實(shí)現(xiàn)4 n 的容量， 容量的上限主要由可用頻率帶寬限制?，F(xiàn)在是預(yù)研階段，所以我們準(zhǔn)備研制的是4 床的容量，即一個(gè)系統(tǒng)包含p l j 路發(fā)射和接收。為了擴(kuò)展系統(tǒng)容量可將方案稍加改 動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)更多路的發(fā)射與接收。 遙測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 4 所示。 1 2 醫(yī)學(xué)信號(hào)在無線信道下的可靠性傳輸 圖2 4 遙測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖 2 3 關(guān)鍵參數(shù)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(nèi)6 0 以上醫(yī)療遙測(cè)系統(tǒng) 使用的頻率。4 3 3 m h z 頻段是抗干擾能力和實(shí)現(xiàn)代價(jià)的一個(gè)折衷點(diǎn)，美洲、歐洲的 大多數(shù)國(guó)家都明確規(guī)定可作為醫(yī)療遙測(cè)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(huì)在微功率( 短距離) 無線電設(shè)備管理暫行規(guī) 定中規(guī)定的“生物醫(yī)學(xué)遙測(cè)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(guó)外8 0 年代以前的產(chǎn)品多使用此頻段，目前已經(jīng)基本棄用， 為u h f 頻段代替。國(guó)內(nèi)早期的模擬遙測(cè)系統(tǒng)也多使用此頻段。 6 0 8 6 1 4m h z 是美國(guó)f c c 規(guī)定的w m t s ( 無線醫(yī)療遙測(cè)服務(wù)) 頻段，現(xiàn)在 有很多國(guó)家也正在考慮接納此頻段，如果要考慮國(guó)外應(yīng)用，應(yīng)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(shè)計(jì)可擴(kuò)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(shí)現(xiàn)方案，可在很寬范圍內(nèi)編程調(diào)設(shè)定。 2 3 2 調(diào)制方式 調(diào)制方式為f s k 。 f s k ( 頻移鍵控) 是目前應(yīng)用最廣泛的窄帶無線數(shù)傳調(diào)制方式，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、 單片解決方案較多等優(yōu)點(diǎn)，2 5 k h z 信道帶寬能實(shí)現(xiàn)4 8 k b p s 傳輸速率。f s k 調(diào)制系 統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)為 a c o s ( w l t + 1 ) a e o s ( w 2 t - i - 2 ) 1 j一2 k 時(shí) 時(shí) 1 0 “ “ 傳 傳 第二章總體方案設(shè)計(jì) 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(duì)于傳輸碼速率 為r 。= 1 瓦，瓦為傳輸一位所需時(shí)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(hào)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(hào)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(yīng)用環(huán)境調(diào)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(gè)信道頻率的占用情況。據(jù)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(cè)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(guó)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(guó)規(guī)定在1 7 5 - 2 1 5 m h z 應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)遙測(cè)，占用帶寬不大于2 0 0 k h z 。 當(dāng)前的遙測(cè)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(gè)保證傳輸速率和提高接收信噪比的折衷點(diǎn)。1 2 5 k h z 允許數(shù)據(jù)速率太 低，不能保證數(shù)據(jù)量的傳輸，不予考慮。因此，從傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(diǎn) 系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 1 成本低 傳統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制解凋與發(fā)射接收電路能以較低成本實(shí)現(xiàn)。 2 開發(fā)難度相對(duì)小 沒有復(fù)雜的軟件控制協(xié)議，開發(fā)難度相對(duì)較小。 3 容易小型化 電路結(jié)構(gòu)合理，實(shí)現(xiàn)了低功耗和小體積，容易做成隨身攜帶型的產(chǎn)品。實(shí)現(xiàn) 1 4 醫(yī)學(xué)信號(hào)在無線信道下的可靠性傳輸 了一t ；, m u 等參數(shù)的數(shù)字化傳輸可靠性高，功耗低，成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。 分和接收解調(diào)電 基帶處理和發(fā)射 圖3 1 發(fā)射器的結(jié)構(gòu)框圖 生理參數(shù)電路完成對(duì)病人的心電等生理信號(hào)的采集處理，m s p 4 3 0 f 1 4 9 通過 a d ( 片內(nèi)白帶) 采樣后得到數(shù)字化信號(hào)，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(bào)警信息、參數(shù)設(shè) 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(shè)計(jì)。 3 2 單片機(jī)的選用原則 單片機(jī)是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊：笛片中的微機(jī)。一般來說，單片機(jī)是 以某一種微處理器為核心，：邕= 片內(nèi)部集成了r a m 、r o m 、總線及總線邏輯、定 時(shí)器計(jì)數(shù)器、w a t c h d o g ，i o 、串行口、脈寬調(diào)制輸出、a d ，d a 等各種必要功 能和外設(shè)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(shè)備中，故又稱嵌入式微控制器。 目前單片機(jī)已經(jīng)進(jìn)入廣泛發(fā)展時(shí)代，種類很多，如何選擇性價(jià)比最優(yōu)，開發(fā) 容易，開發(fā)周期最短的產(chǎn)品，是工程師要考慮的主要問題之一。目前我國(guó)銷售的 1 6醫(yī)學(xué)信號(hào)在無線信道卜的可靠性傳輸 主流m c u 產(chǎn)品有8 0 5 1 ，p i c ，m s p 4 3 0 ，a v r 等系列單片機(jī)。選購單片機(jī)總體應(yīng) 叢兩個(gè)方而考慮，其一是目標(biāo)系統(tǒng)需要那些資源；其二是根據(jù)成本的控制選擇價(jià) 格最低的產(chǎn)品。即所謂“性價(jià)比最高”原則。 資源方面考慮的重要指標(biāo)有：速度、位數(shù)、電壓、功耗、存儲(chǔ)器容量、系統(tǒng) 擴(kuò)展與驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)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(gè)1 6 位單片機(jī)系列，它具有 極低的功耗，這足在設(shè)計(jì)中選用此系列單片機(jī)最重要的原因。并且內(nèi)部集成了大 量的外設(shè)。它為使用電池供電的測(cè)量設(shè)備提供了一個(gè)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(qū)動(dòng)的系列。 3 3m s p 4 3 0 f 1 4 x 單片機(jī)的芯片特性 m s p 4 3 0 系列是美圍德州儀器公司生產(chǎn)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(hào)，其技術(shù)特征代表了單片機(jī)的發(fā)展方向。其存 儲(chǔ)器模塊是目前業(yè)界所有內(nèi)部集成f l a s h 存儲(chǔ)器產(chǎn)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(nèi) 部結(jié)構(gòu)。 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(jié)構(gòu) m s p 4 3 0 f 1 4 x 系列單片機(jī)具有以下特點(diǎn)： 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(dòng)模式 第二章發(fā)射電路設(shè)計(jì) 0 7p a 備用模式，o 1u a 保持?jǐn)?shù)據(jù) 6i j s 從備用模式喚醒 靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)，x t a l x 2 + d c o 2 、強(qiáng)大的c p u 內(nèi)核 16 b i tr i s c 結(jié)構(gòu) 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(gè)c c 寄存器 1 6 b i tt i m e rb 有3 7 個(gè)c c 寄存器 1 2 個(gè)u s a r t 接口 硬件乘法器 模擬信號(hào)比較器 基本時(shí)鐘模塊 d c o 由可編程內(nèi)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(chǎn)生低頻時(shí)鐘 高頻晶振產(chǎn)生高頻時(shí)鐘 可選擇外部時(shí)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(shè)計(jì)中選擇所需要的芯片是 非常關(guān)鍵的，j f 確的選擇可以少走彎路，降低成本，更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。 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(yīng)該選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。 c c l 0 2 0 的發(fā)射功率可以達(dá)至l j + 1 0 d b m ，并且是軟件可調(diào)的。信道條件好，通信距 離較近時(shí)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(yīng)用時(shí)可 靈活掌握。 2 、功耗 大多數(shù)無線收發(fā)芯片是應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品上的，因此功耗也非常重要，應(yīng)該 根據(jù)需要選擇綜合功耗較小的產(chǎn)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(duì)我們的需要已經(jīng)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(shù)量 醫(yī)學(xué)信號(hào)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(nèi)工作。預(yù)研階段要為將來的產(chǎn)品升級(jí)預(yù)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(yīng)用的遙測(cè)系統(tǒng)都 提供多通道支持，日本光電早期的產(chǎn)品支持4 床位，而根據(jù)g e 提供的資料，其產(chǎn)品已 可以支持多達(dá)1 0 0 0 床位的監(jiān)護(hù)。所以芯片必須可以在較寬的范圍內(nèi)工作。 4 、窄帶性能 這一項(xiàng)也是很重要的。我們要實(shí)現(xiàn)在2 5 k h z 信道帶寬以4 8 0 0 b p s 的速率傳輸 數(shù)據(jù)，而且要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕虼苏f這項(xiàng)性能至關(guān)重要。從調(diào)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(shù)據(jù)率，但目前還 沒有這種調(diào)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(shù)據(jù)傳輸是否需要進(jìn)行曼徹斯特編碼 采用曼徹斯特編碼的j 簽片，在編程上會(huì)需要較高的技巧和經(jīng)驗(yàn)，需要更多的 內(nèi)存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，一般儀能達(dá)到標(biāo) 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(yīng)用提 供了較大的選擇空間。而無線遙測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)中應(yīng)用c c l 0 2 0 的這一特性，給設(shè)汁工作帶 來簡(jiǎn)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(gè)能滿足短距離窄帶應(yīng)用 嚴(yán)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(dá)119 d b m ，相鄰?fù)ǖ拦β市∮? 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(shè)計(jì)生產(chǎn)，功耗極低， 適合于便攜及手持產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，由于采用了低發(fā)射功率，高接收靈敏度的設(shè)計(jì)， 滿足無線管制要求，無需使用許可證，是目前低功率無線數(shù)傳的理想選擇，芯片 特點(diǎn)： 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(dá)1 2 1d b m ) 輸出功率可編程 低電流消耗( 接收時(shí)：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(shè)定 0 0 剛a s k ，f s k 和g f s k 數(shù)字調(diào)制方式 1 9 工作于接收模式下時(shí)c c l 0 2 0 足一款低中頻接收機(jī)，接收到的射頻信號(hào)經(jīng)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(hào) 經(jīng)復(fù)雜的濾波與放大后由a d c 變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。自動(dòng)增益控制、信道濾波、解凋及 位同步均由數(shù)字部分處理。解凋后的數(shù)據(jù)在管腳d i o 上輸出，同時(shí)在d c l k 管腳上 輸出一個(gè)同步時(shí)鐘。 工作于發(fā)射模式下時(shí)，在內(nèi)部合成的射頻信號(hào)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(shù)字信號(hào)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(diào)制方式。芯片內(nèi)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(shè)計(jì)與工作過程 c c l 0 2 0 的優(yōu)勢(shì)在于它的窄帶性能優(yōu)越及使用中的靈活性。做發(fā)射時(shí)，因在 4 2 0 4 7 0 m h z ( 我們選擇的頻段) 內(nèi)軟件凋節(jié)頻點(diǎn)，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(shè)計(jì) 射頻模塊的核心部分為c c l 0 2 0 芯片，外加精心沒計(jì)的印制版天線，具有體積 小，功耗低的特點(diǎn)，外圍接口電路簡(jiǎn)單，與單片機(jī)通過6 條線連接，如圖3 4 所示。 因?yàn)橄到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(xué)信號(hào)在無線信道下的可靠性傳輸 實(shí)際仍將射頻模塊做成收發(fā)一體，使用一個(gè)外置開關(guān)來選擇。這樣只需要操作開 關(guān)并在軟件中進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)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(duì)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(jī)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(nèi)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(gè)外部