摘 要： 針對(duì)電流耦合型人體通信的特點(diǎn)，以FPGA為平臺(tái)，分別設(shè)計(jì)出基于DDS的2CPFSK調(diào)制器、全數(shù)字鎖相環(huán)位同步電路和信號(hào)解調(diào)器。此外，外圍電路實(shí)現(xiàn)了發(fā)送端低通濾波、信號(hào)保持和接收端前處理等功能。最后對(duì)電流耦合型人體通信收發(fā)器的進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明收發(fā)器滿足設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶信號(hào)在人體內(nèi)的傳輸。
關(guān)鍵詞： 人體通信； 電流耦合； 收發(fā)器； FPGA； 位同步

體域網(wǎng)BAN(Body Area Networks)以健康監(jiān)護(hù)為發(fā)展源動(dòng)力，并將廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、個(gè)人娛樂(lè)等領(lǐng)域。BAN以人為中心的特殊運(yùn)行環(huán)境，帶來(lái)一系列有別于常規(guī)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究?jī)?nèi)容。其中，如何在人體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)終端傳感器之間有效的數(shù)據(jù)通信是組建體域網(wǎng)的一項(xiàng)共性關(guān)鍵技術(shù)[1-3]。由于BlueTooth、WLAN、RFID、Zigbee等成熟的無(wú)線通信協(xié)議都是針對(duì)其他應(yīng)用而設(shè)計(jì)，對(duì)于體域網(wǎng)以人為中心的工作環(huán)境和長(zhǎng)期、連續(xù)監(jiān)測(cè)的運(yùn)行特點(diǎn)而言，存在諸多缺陷和冗余[4-5]。
人體通信IBC(Intra-body Communication)是一種新興的短距離通信方式。它將人體本身作為信息傳輸媒質(zhì)[6]，較之常見(jiàn)的無(wú)線通信技術(shù)，具有功耗極低、無(wú)需天線設(shè)計(jì)、無(wú)頻段限制、輻射小、傳輸距離僅限于人體等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)各種體表/體內(nèi)傳感器之間信息傳輸和組建體域網(wǎng)的一種新型、有效方法[4-8]。
電流耦合型人體通信由人體表面一對(duì)發(fā)送電極向人體注入安全交變電流，接收端電極在人體其他部位差分接收電壓信號(hào)。由于信息傳輸完全依賴于人體，不受外部環(huán)境影響，電流耦合型人體通信較其他人體通信實(shí)現(xiàn)方式具有更好的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，且兼具體表、體內(nèi)通信功能，是人體通信技術(shù)新的發(fā)展方向[4,7]。
目前，關(guān)于電流耦合型人體通信的研究多數(shù)集中在人體電磁建模、數(shù)值仿真、信道特性分析等方面[4,7-9]。研制一套直接針對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)傳輸?shù)碾娏黢詈闲腿梭w通信的收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)在人體的調(diào)制、解調(diào)和發(fā)送接收，對(duì)于前期研究結(jié)果有效性的驗(yàn)證及后續(xù)研制出適用于體域網(wǎng)的人體通信樣機(jī)具有重要意義。在FPGA的平臺(tái)上，采用直接頻率合成DDS(Direct Digital Synthesis)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶信號(hào)的2CPFSK(2 Continuous Phase FSK，二進(jìn)制連續(xù)相位移頻鍵控)調(diào)制；輔以信號(hào)保持、調(diào)理等外圍電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)在人體的可靠傳輸和接收；進(jìn)而采用非相干解調(diào)和全數(shù)字鎖相環(huán)的位同步方法實(shí)現(xiàn)碼元可靠恢復(fù)。最終開(kāi)展人體實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性和正確性。
1 設(shè)計(jì)原則
所有人體組織都是非磁性的。只考慮其介電特性。由圖1可見(jiàn)，人體組織介電特性隨頻率變化而變化[10]。電導(dǎo)率隨頻率增加而變大；相對(duì)介電常數(shù)隨頻率增加而減小。這種明顯的色散特性是導(dǎo)致人體信道特性復(fù)雜的最主要因素。鑒于此，首先，發(fā)送器的設(shè)計(jì)采用恒流信號(hào)輸出，以滿足人體安全電流限制規(guī)定[11]，確保人體實(shí)驗(yàn)的安全性。其次，為避免因人體信道帶寬有限帶來(lái)的信號(hào)失真，采用頻譜單一的正弦波形作為人體通信的載波信號(hào)。

此外，前期研究表明，電流耦合型人體通信中大部分電信號(hào)從肌肉組織中流過(guò)[1,7,9]。為提高通信可靠性和成功率，討論肌肉組織準(zhǔn)靜態(tài)近似條件[4,12]，使電信號(hào)主要以傳導(dǎo)電流形式在人體傳播，減小位移電流可能引起的不確定性。為此，文中所采用2CPFSK調(diào)制方法載波頻率設(shè)為50 kHz和100 kHz,基本滿足肌肉的準(zhǔn)靜態(tài)近似條件。
2 發(fā)送器設(shè)計(jì)
電流耦合型人體通信發(fā)送器由調(diào)制器、低通濾波器、信號(hào)保持電路構(gòu)成，如圖2所示。調(diào)制器采用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)2CPFSK調(diào)制，將數(shù)字基帶信號(hào)調(diào)制成相位連續(xù)信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出模擬正弦信號(hào)。由低通濾波器濾除高次諧波和雜散干擾后，再經(jīng)信號(hào)保持電路得到適合于人體傳輸?shù)恼医蛔兒汶娏餍盘?hào)。

2.1 調(diào)制器設(shè)計(jì)
調(diào)制器采用2CPFSK調(diào)制方式，由調(diào)制控制端（數(shù)據(jù)緩沖器、碼速控制器、移位寄存器和跳變檢測(cè)器）和DDS模塊構(gòu)成，如圖3所示。

　數(shù)據(jù)緩沖器和移位寄存器用于保持同步和提高數(shù)據(jù)傳輸速率。碼速控制器依據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率將工作時(shí)鐘分頻后作為移位寄存器的時(shí)鐘。當(dāng)數(shù)字基帶信號(hào)存在“0”、“1”交替時(shí)，跳變檢測(cè)器輸出頻率控制字及DDS模塊中累加器的清零信號(hào)，保證碼元邊沿與正弦信號(hào)零相位對(duì)齊，確保相位連續(xù)[13]。
DDS模塊由32位異步清零相位累加器、波形存儲(chǔ)器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。在工作時(shí)鐘下，相位累加器對(duì)跳變檢測(cè)器輸出的頻率控制字進(jìn)行相位累加，其輸出數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器的輸入地址，以提取相應(yīng)的正弦值，完成相位向幅度的轉(zhuǎn)變。然后，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出相應(yīng)的正弦模擬信號(hào)的階梯波。D/A轉(zhuǎn)換由ADV7123數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)。

依據(jù)式(1)、(2)得：DDS頻率分辨率為0.011 6 Hz，50 kHz和100 kHz載波頻率分別對(duì)應(yīng)頻率控制字4 294 967和8 589 934。
此外，由于DDS模塊存在固有的相位截?cái)嗾`差、幅度量化誤差、轉(zhuǎn)換誤差等干擾因素，必須在DDS模塊輸出端設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，去除信號(hào)的高頻分量和雜散信號(hào)。
2.2 發(fā)送端信號(hào)保持電路
信號(hào)保持電路以電流反饋型放大器AD844為核心，如圖4所示。AD844內(nèi)部采用電流鏡技術(shù)[14]。當(dāng)正端加入電壓信號(hào)時(shí)，輸入電壓原樣送到反相輸入端，并在電阻R0上產(chǎn)生電流。運(yùn)算放大器次級(jí)產(chǎn)生與之相等的電流流過(guò)Rt‖Ct。由于Rt‖Ct>>RL，當(dāng)在Z點(diǎn)接入負(fù)載電阻RL，電流幾乎全部流入RL。信號(hào)保持電路輸出電流信號(hào)大小為Io=Vi/R0。調(diào)節(jié)R0，使I0=1 mA，滿足人體安全電流閾值。

3 接收器設(shè)計(jì)
電流耦合型人體通信接收器采用非相干解調(diào)法，由信號(hào)調(diào)理電路、2CPFSK解調(diào)和位同步電路組成，如圖2所示。接收電極差分檢測(cè)體表電位信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大、濾波、整形和電平轉(zhuǎn)換，得到適于輸入FPGA的數(shù)字信號(hào)?；贔PGA設(shè)計(jì)的2CPFSK解調(diào)模塊和位同步模塊將脈沖信號(hào)恢復(fù)成原始基帶信號(hào)。
3.1 前處理電路設(shè)計(jì)
前處理電路包括放大、濾波、限幅整形和電平轉(zhuǎn)換。儀表放大器AD620差分放大檢測(cè)信號(hào),增益約為26 dB。帶通濾波電路中心頻率設(shè)計(jì)為75 kHz，帶寬70 kHz。
限幅整形電路包括遲滯比較器和整形電路。遲滯比較器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)，轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)。由于遲滯比較具有一定抗干擾能力，但也使靈敏度降低，實(shí)驗(yàn)中需要折中考慮遲滯時(shí)間。整形電路采用高速施密特反相器，使信號(hào)邊沿更加陡峭，便于進(jìn)入FPGA后的頻率檢測(cè)。
電平轉(zhuǎn)換電路使整形電路輸出信號(hào)滿足FPGA引腳的輸入電平要求。
3.2 2CPFSK解調(diào)器設(shè)計(jì)
2CPFSK解調(diào)器包括2CPFSK信號(hào)譯碼、抽樣判決和位同步三部分，由FPGA實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。
譯碼器通過(guò)檢測(cè)方波信號(hào)的頻率恢復(fù)出對(duì)應(yīng)的數(shù)字基帶信號(hào)“0”或“1”。在輸入的矩形脈沖信號(hào)兩個(gè)相鄰上升沿之間對(duì)工作時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。若計(jì)數(shù)結(jié)果與譯碼器預(yù)先設(shè)置的閾值N0相差不超過(guò)預(yù)設(shè)的檢測(cè)精度e，則信號(hào)頻率為100 kHz，基帶信號(hào)為“1”；若計(jì)數(shù)結(jié)果與譯碼器預(yù)先設(shè)置的閾值N1相差不超過(guò)e，則信號(hào)頻率為50 kHz，基帶信號(hào)為“0”。其中，N0和N1由fclk/fout計(jì)算得到。
位同步電路采用微分整流型全數(shù)字鎖相環(huán)[15]，由本地時(shí)鐘、微分整流器、數(shù)字鑒相器、數(shù)控振蕩器、數(shù)字濾波器及分頻器組成相位負(fù)反饋閉環(huán)電路，如圖5所示。