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作者：張林華 中國科學技術大學
應用領域：射頻(RF)、信號采集與發生、嵌入式系統
挑戰：人體通信是目前剛剛興起并有別于傳統無線通信和有線通信的新通信技術，它最大的區別在于以人體組織作為數據傳輸介質，并實現數據的可靠傳輸。而基于人體通信的基帶系統設計正是為實現該目的的有效手段，由于基帶處理器涉及信道編解碼和調制解調相關技術，而如何確定某種編解碼與調制解調使得人體通信發揮最佳效果則是本設計的最終目的。
應用方案：該設計打破傳統的測試方案，在傳統的基帶測試方案中大多采用 Agilent或者 Rohde & Schwarz等公司的矢量信號發生器及矢量信號分析儀進行基帶的信號發生和信號接收，并做出相關的分析；而采用 NI公司的 PXI 系列的矢量信號發生器及變頻器和數字化器進行信號發生與接收，關鍵是借助 LabVIEW 軟件及 NI PXI 實現客戶定制的基帶信號，完全可以由客戶自己設定編解碼與調制解調方案，不同的組合所產生的效果不同。這樣就可以從中找到最佳適合人體通信的基帶系統，為人體通信的數據傳輸達到有效可靠。
使用的產品：
NI LabVIEW2009
調制工具包
NI PXI-5421任意信號發生器
NI PXI-5610上變頻
NI PXI-5600下變頻
NI PXI-5620數字化器
PXIe-5630 矢量網絡分析儀
介紹：
人體通信是指利用人體組織作為數據傳輸的媒介和通道，實現數據傳輸的有效技術。其相對于傳統的傳輸方式最大的區別在于傳輸媒介的不同，無線傳輸大多采用空氣或者光作為傳輸介質，而有線傳輸更為明顯，通常采用導線將設備進行互聯實現通信。人體通信的概念最早源于美國麻省理工學院（MIT）的T.G.Zimmerman在1996年發表的一篇論文[1]，內容是將人體作為可佩帶計算設備之間新的連接手段。
由于人體通信技術的新穎性及其應用前景大，逐漸受到各商家及單位的重視。無論在醫療還是在運動健康以及娛樂方面都有著其廣泛的應用。在醫療方面，比如有醫院給病人安裝的遠程血壓或者心臟檢測器等，將人體生理信號的采集，傳輸到醫療機構實現遠程醫療；在運動健康方面，比如隨身攜帶的手表、手機、傳感器等作為信元采集人體信息，識別人體的狀態，提示用戶運動的有效狀況及相關信息；在娛樂生活方面應用，比如電子錢包，在超市購買東西只要用手接觸相關傳感器就能從用戶的電子錢包扣除費用，還有集合人體信息的數據采集和與其他設備的通信，就可以對個人身份進行認證等等。可見其應用前景相當可佳。人體通信和一般的電話或無線通信不同，不會產生串線和盜聽的現象，將來人們通過門把手、各種開關、桌椅等也能傳輸通信信號，人體通信技術將給人們的生活帶來更多的便利。國內外已經開始對人體通信技術理論有了一定的深入。國外有好些機構開始這方便的研究，以日本韓國等研究相對前衛，而國內起步比較晚，因此以人體通信的基帶系統的設計具有較大的影響。如圖1為人體通信區域網絡。
圖1 人體通信區域網絡
為獲得人體通信信道在頻域和時域上的特性，分別搭建實驗驗證平臺，如圖2所示。該平臺的主要功能是為了對人體通信的信道特性進行測試，左圖顯示了在頻域上的測試人體通信新到特性的方案，右圖顯示了在時域上測試人體通信信道特性的方法。兩種測試方案目的不同，因此測試原理也不同。
圖2 測試信道特性平臺
根據圖2左圖可知，為驗證人體通信信道的頻域特性，采用PXIe-5630 矢量網絡分析儀搭建測試平臺。我們對多樣本實驗數據進行匯總繪圖S21參數曲線如下：
圖4 不同測試個體在同一頻段S21曲線
從上圖3和圖4實驗結果可知，在同一頻段下，不同測試距離對信號傳輸產生不同的衰減程度。隨著距離增大，經過人體傳輸后信號衰減也加大。而在頻段20MHz至30MHz衰減相對小些，這說明在該頻段人體通信信號傳輸效果最好，最合適人體通信信道的傳輸。在10個測試樣本中，每個人的體重身高也不相同，但是從測試曲線可知，體重偏大（偏胖類型）的個體在信號傳輸過程中衰減值相對體重輕些的個體要大些。但從整體上看，雖然個體差異性比較大，但是S21曲線的大致形狀并未改變，并且在10MHz至30MHz這個頻段衰減相對平穩。這說明人體通信具有共性，并不會因為個體的差異而導致信號傳輸效果造成很大的不同。從個體差異性和傳輸距離所獲得數據綜合可知，在頻段20MHz至30MHz時人體通信信號傳輸效果最佳。
再者根據人體信道在頻域上的特性，選擇最佳頻段進行驗證人體信道時域上的特性。在研究人體通信其信道時域特性時，主要針對調制解調和信道編碼實驗，搭建過兩種實驗平臺：一種是基于Agilen或者Rohde & Schwarz等公司的信號發射器及信號分析儀搭建平臺來驗證數據；二種是基于NI公司的LabVIEW和PXI系列的矢量信號發生器及變頻器和數字化器進行信號發生與接收，借助LabVIEW軟件實現客戶定制的基帶信號。由于我們在人體信道時域特性上的參數比較苛刻，第一種方案由于儀器本身特性無法滿足實驗所需的設置，比如無法選擇信道編解碼以及有限的調制解調方法等等，這些因素決定了選擇第二種實驗方案。
根據圖2右圖可知，本次人體信道時域特性驗證平臺是基于NI公司的PXI系列的產品[2]，主要有PXI-5421、PXI-5620、PXI-5610、PXI-5600。通過這些設備采用NI LabVIEW和NI PXI搭建出輸入輸出的基帶組件，其中PXI-5421、PXI-5620分別是100 MS/s的16位任意波形發生器、64 MS/s的14位頻域數字化儀。PXI-5421和PXI-5620是通信應用的理想選擇，因為它們結合高分辨率和大容量存儲，能夠方便地生成持續精準的非周期性波形及對其進行數字化。此外，NI 公司的PXI-5610和PXI - 5600模塊別分對應上變頻和下變頻，可以產生高達2.7千兆赫基帶信號頻率。通過與變頻器相結合，并與下變頻器數字化生成一個完整的軟件定義的收發器。為前面所設計的基于人體通信基帶系統進行全面的設計驗證，從而節省寶貴的時間。根據[2]改進的人體通信基帶系統驗證平臺見圖5所示。
圖5改進后的人體通信基帶系統
隨著LabVIEW的靈活性，其包括信號分析、信號處理及可視化工具，可以用軟件精準地模擬在整個無線通信系統。NI LabVIEW的調制工具包，可以用軟件對編碼和調制進行配置，同時還可以增加直流偏移以及IQ增益不平衡等參數。一旦完成設計，它可以針對硬件設備進行修改，用實驗數據來驗證人體通信的基帶系統。驗證平臺實景見圖6所示。圖6 NI PXI 平臺實景。
圖6 NI PXI 平臺實景
根據人體通信基帶系統測試平臺，我們可以通過LabVIEW[3]選擇不同的調制方式和信道編碼方法，并通過NI PXI產生所需的信號進行傳輸與處理。這次驗證人體通信基帶系統參數見表1。
結論
通過上述的人體通信驗證平臺，分別對不同的調制方式及信道編碼進行有效的組合實現基帶數據傳輸，由于數據相對繁多，在這里只以FSK調制方式來進行說明。
從圖7可知上變頻采用NI PXI的5672，PN31數據信號來自NI PXI的5442，中心頻率為20MHz，采用2FSK調制作為發射端設計。圖7為接收端設計，下變頻為NI PXI 5661，對載頻為20MHz的信號進行2FSK解調，從而獲得原始數據。圖9為發射端信號圖，兩路信號分別為I和Q信號。圖10為接收端信號分析圖，分別從星座圖、IQ信號等進行分析，同時在發射端中可以看到BER值的變化，通過不同的調制方式和信道編碼的組合得知哪種組合更合適人體通信。從圖8接收端實驗數據來看，在載頻為20MHz時，數據傳輸過程中BER為0，這說明數據傳輸非常可靠，并且結合星座圖和時域數據圖形可知BPSK與BCH編碼組合的數據傳輸，人體通信可獲得可靠高效的傳輸，符號率可達到10Msps。根據不同信道編碼也調制進行組合比較可見，在低頻時BPSK和BCH信道編碼更加合適人體通信，采用該設計的人體通信基帶系統能夠保證數據地可靠高效傳輸。因此該設計方案具有一定的理論與實踐指導意義。
參考文獻
[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.http://zone.ni.com/devzone/cda/pub/p/id/40.
[3] 胡仁喜.王恒海.齊東明. 2005. LabVIEW8.2.1 虛擬儀器. 機械工業出版社. 2008William Stallings,何軍. 無線通信與網絡. 清華大學出版社.
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