超声波人体通信系统

概述

体域网内通信,即人体内植入式设备间的无线通信对医疗领域具有极大研究价值。现有无线医疗设备通过射频电磁波连接,存在种种问题,如人体由高达65%的水组成,显著吸收电磁波,与周围环境产生电磁干扰,容易被窃听的安全问题等。而声波已应用于水下通信,与射频相比,超声波显著的低吸收,与周围电磁环境不造成干扰等优点表明超声波适合于人体通信。超声波应用于体内通信的主要问题有:第一,人体组织的不均匀性特征导致严重的多径效应,使信号检测和解码操作具有一定挑战;第二,超声波在组织中的低声速导致系统设计中需要考虑信息传输的高延迟。

本设计自主搭建实验电路,利用了一种超声波传输和多址接入技术--超声波宽带(UsWB)。超声波宽带是信号通过跳时扩频发送超短脉冲的技术。超短脉冲持续时间产生有限的反射和散射效应,其低占空比减少对人体健康有害的热效应和机械效应。将扩展码叠加到跳时中,以进一步抵抗多径的影响。在系统电路上采用 AX516 开发板利用 FPGA 实现数字信号的扩频和调制,自主搭建电压转换器可同时实现数模(DA)转换和升高电压功能以驱动
超声波换能器发射信号,采用双路 AD 采集模块对短脉冲实现精确采样。最终实现在人体肾脏模型中传输十六进制文档和图片。

本系统设计创新之处在于:

(1)目前国内针对体内通信的研究很少,本系统实现了专用于人体信道的一种信号传输方式——超声波宽带技术;

(2)电路设计上将数字信号的 DA 转换与激励超声波换能器的电压需求同时在电压转换器内实现,降低成本并提高空间利用率;
     (3)针对极窄脉冲的特性,单一的 AD 采集电路速度不够,而采用双路 50M 采样率的 AD 交叉采集使得采样率翻倍,大大提高采集的精度。

 

系统架构

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Design Flow

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System Flow Chat

 

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Transmitter Work Flow

 

2019年3月12日 09:25
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