體域網BAN(Body Area Networks)以健康監護為發展源動力，并將廣泛應用于醫療保健、運動監測、個人娛樂等領域。BAN以人為中心的特殊運行環境，帶來一系列有別于常規傳感器網絡的研究內容。其中，如何在人體環境中實現終端傳感器之間有效的數據通信是組建體域網的一項共性關鍵技術[1-3]。由于BlueTooth、WLAN、RFID、Zigbee等成熟的無線通信協議都是針對其他應用而設計，對于體域網以人為中心的工作環境和長期、連續監測的運行特點而言，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[6]，較之常見的無線通信技術，具有功耗極低、無需天線設計、無頻段限制、輻射小、傳輸距離僅限于人體等特點，是實現各種體表/體內傳感器之間信息傳輸和組建體域網的一種新型、有效方法[4-8]。
　　電流耦合型人體通信由人體表面一對發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。由于信息傳輸完全依賴于人體，不受外部環境影響，電流耦合型人體通信較其他人體通信實現方式具有更好的適應性和穩定性，且兼具體表、體內通信功能，是人體通信技術新的發展方向[4,7]。
　    目前，關于電流耦合型人體通信的研究多數集中在人體電磁建模、數值仿真、信道特性分析等方面[4,7-9]。研制一套直接針對數字基帶信號傳輸的電流耦合型人體通信的收發器，實現電流信號在人體的調制、解調和發送接收，對于前期研究結果有效性的驗證及后續研制出適用于體域網的人體通信樣機具有重要意義。在FPGA的平臺上，采用直接頻率合成DDS(Direct Digital Synthesis)技術實現數字基帶信號的2CPFSK(2 Continuous Phase FSK，二進制連續相位移頻鍵控)調制；輔以信號保持、調理等外圍電路，實現信號在人體的可靠傳輸和接收；進而采用非相干解調和全數字鎖相環的位同步方法實現碼元可靠恢復。最終開展人體實驗，驗證設計方案的可行性和正確性。
1 設計原則
　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，人體組織介電特性隨頻率變化而變化[10]。電導率隨頻率增加而變大；相對介電常數隨頻率增加而減小。這種明顯的色散特性是導致人體信道特性復雜的最主要因素。鑒于此，首先，發送器的設計采用恒流信號輸出，以滿足人體安全電流限制規定[11]，確保人體實驗的安全性。其次，為避免因人體信道帶寬有限帶來的信號失真，采用頻譜單一的正弦波形作為人體通信的載波信號。

　此外，前期研究表明，電流耦合型人體通信中大部分電信號從肌肉組織中流過[1,7,9]。為提高通信可靠性和成功率，討論肌肉組織準靜態近似條件[4,12]，使電信號主要以傳導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調制方法載波頻率設為50 kHz和100 kHz,基本滿足肌肉的準靜態近似條件。
2 發送器設計
　電流耦合型人體通信發送器由調制器、低通濾波器、信號保持電路構成，如圖2所示。調制器采用DDS技術實現2CPFSK調制，將數字基帶信號調制成相位連續信號，經D/A轉換輸出模擬正弦信號。由低通濾波器濾除高次諧波和雜散干擾后，再經信號保持電路得到適合于人體傳輸的正弦交變恒電流信號。

2.1 調制器設計
　調制器采用2CPFSK調制方式，由調制控制端（數據緩沖器、碼速控制器、移位寄存器和跳變檢測器）和DDS模塊構成，如圖3所示。

　數據緩沖器和移位寄存器用于保持同步和提高數據傳輸速率。碼速控制器依據數據傳輸速率將工作時鐘分頻后作為移位寄存器的時鐘。當數字基帶信號存在“0”、“1”交替時，跳變檢測器輸出頻率控制字及DDS模塊中累加器的清零信號，保證碼元邊沿與正弦信號零相位對齊，確保相位連續[13]。
    DDS模塊由32位異步清零相位累加器、波形存儲器和D/A轉換器構成。在工作時鐘下，相位累加器對跳變檢測器輸出的頻率控制字進行相位累加，其輸出數據作為波形存儲器的輸入地址，以提取相應的正弦值，完成相位向幅度的轉變。然后，經過D/A轉換器輸出相應的正弦模擬信號的階梯波。D/A轉換由ADV7123數模轉換芯片實現。

　    依據式(1)、(2)得：DDS頻率分辨率為0.011 6 Hz，50 kHz和100 kHz載波頻率分別對應頻率控制字4 294 967和8 589 934。
　此外，由于DDS模塊存在固有的相位截斷誤差、幅度量化誤差、轉換誤差等干擾因素，必須在DDS模塊輸出端設計一個低通濾波器，去除信號的高頻分量和雜散信號。
2.2 發送端信號保持電路
　信號保持電路以電流反饋型放大器AD844為核心，如圖4所示。AD844內部采用電流鏡技術[14]。當正端加入電壓信號時，輸入電壓原樣送到反相輸入端，并在電阻R0上產生電流。運算放大器次級產生與之相等的電流流過Rt‖Ct。由于Rt‖Ct>>RL，當在Z點接入負載電阻RL，電流幾乎全部流入RL。信號保持電路輸出電流信號大小為Io=Vi/R0。調節R0，使I0=1 mA，滿足人體安全電流閾值。

3 接收器設計
　電流耦合型人體通信接收器采用非相干解調法，由信號調理電路、2CPFSK解調和位同步電路組成，如圖2所示。接收電極差分檢測體表電位信號，信號調理電路進行放大、濾波、整形和電平轉換，得到適于輸入FPGA的數字信號。基于FPGA設計的2CPFSK解調模塊和位同步模塊將脈沖信號恢復成原始基帶信號。
3.1 前處理電路設計
　前處理電路包括放大、濾波、限幅整形和電平轉換。儀表放大器AD620差分放大檢測信號,增益約為26 dB。帶通濾波電路中心頻率設計為75 kHz，帶寬70 kHz。
　限幅整形電路包括遲滯比較器和整形電路。遲滯比較器對輸入信號進行過零檢測，轉換為方波信號。由于遲滯比較具有一定抗干擾能力，但也使靈敏度降低，實驗中需要折中考慮遲滯時間。整形電路采用高速施密特反相器，使信號邊沿更加陡峭，便于進入FPGA后的頻率檢測。
　電平轉換電路使整形電路輸出信號滿足FPGA引腳的輸入電平要求。
3.2 2CPFSK解調器設計
　2CPFSK解調器包括2CPFSK信號譯碼、抽樣判決和位同步三部分，由FPGA實現，如圖2所示。
　譯碼器通過檢測方波信號的頻率恢復出對應的數字基帶信號“0”或“1”。在輸入的矩形脈沖信號兩個相鄰上升沿之間對工作時鐘脈沖進行計數。若計數結果與譯碼器預先設置的閾值N0相差不超過預設的檢測精度e，則信號頻率為100 kHz，基帶信號為“1”；若計數結果與譯碼器預先設置的閾值N1相差不超過e，則信號頻率為50 kHz，基帶信號為“0”。其中，N0和N1由fclk/fout計算得到。
　位同步電路采用微分整流型全數字鎖相環[15]，由本地時鐘、微分整流器、數字鑒相器、數控振蕩器、數字濾波器及分頻器組成相位負反饋閉環電路，如圖5所示。

　工作時鐘經二分頻器后作為同步電路的本地時鐘。數字微分器對接收碼元微分整流，提取接收碼元的相位信息。當環路失鎖時，數字鑒相器比較碼元信號和本地信號間的相位誤差，產生計數方向控制信號。數字濾波器根據控制信號調整計數值。當計數值達到設置閾值時數字濾波器輸出對應的加、減脈沖指令。當數控振蕩器收到加脈沖指令，在本地時鐘脈沖序列中插入一個脈沖；收到減脈沖指令則扣除一個脈沖。
    N分頻器對數控振蕩器輸出信號n分頻。信號鎖定所需最大時間為nTs（T為一個碼元寬度）。當碼元速率不高時，若要保證足夠的鎖相精度，由于n和T值較大，導致鎖定時間延長。為此，設計中采用N和M兩級分頻方法，對N分頻器的輸出再進行M分頻，減小輸入到數字鑒相器中信號的初始相位差,進而減少調整次數,提高鎖相速度,保證鎖相精度。位同步信號輸出頻率Bit_out滿足關系式：
 
　重復上述過程，使接收碼元與位同步信號相位差不斷減少，最終達到同步。
　抽樣判決器依據工作時鐘提取位同步信號的邊沿，以此對數字基帶信號抽樣判決，實現原碼元再生。
4 實驗與結果
　人體實驗硬件平臺采用Altera公司的Cyclone II器件，調試環境為Quartus II，描述語言為Verilog HDL。為避免收發端共地，外圍電路采用干電池供電；波形記錄采用Agilent MSO7054A，以及差分探頭套件（Agilent 1141A和1142A）。
　    實驗對象選取一名25歲年輕男性志愿者，實驗部位為右上臂。電極采用上海勵圖醫療器材有限公司生產的理療粘貼電極（型號：LT-1；尺寸：4 cm×4 cm）。發送電極與接收電極間距為10 cm。
4.1發送器實驗結果
　依據前文設計方案，實驗中發送器以5 kb/s速率發送一串數字基帶信號的循環序列“0010111”，由2CPFSK調制器將數字信號調制成載波頻率分別為50 kHz和100 kHz的正弦信號，如圖6中通道1所示。圖中兩種頻率信號波形完整且在頻率切換時相位連續。
　信號保持電路輸出恒值電流信號。在人體與發送電極間串上100 Ω的觀察電阻（實測98.1 Ω），電阻上電壓波形如圖6中通道2所示，均方根值為97.3 mV，與設計指標1 mA近似，同時滿足人體安全電流閾值要求[11]。

4.2 接收器實驗結果
　經過調制的電流信號經人體傳輸，在接收端采用一對電極差分采集體表耦合電壓信號。圖7中通道2為差分接收到的原始電壓波形，其中夾雜毛刺，且高頻分量較多。通道3為接收信號經過AD620差分放大后的波形。由于AD620增益的低通特性[16]，高頻噪聲明顯減小。信號進入帶通濾波器后，輸出波形光滑，無毛刺，如通道4所示。信號放大約26 dB，與設計值相符。原始信號經放大濾波后輸入給整形電路。
　從圖7放大后的波形明顯看出,接收端50 kHz和100 kHz兩個頻率的信號經過人體后幅值差別明顯，反映出人體信道衰減特性隨頻率變化而變化。50 kHz頻率的信號衰減小于100 kHz時的情況。

　　圖8中通道1為放大濾波后的信號；通道2為限幅整形結果；通道3為碼元恢復后的基帶信號；通道4為位同步信號。最下方B1、B2是Agilent MSO7054A示波器內部嵌入式邏輯分析儀的數字總線輸出端口。再生后的碼元存到移位寄存器中。移位寄存器不斷從低位移入,從高位移出，結果如B1、B2所示。碼元顯示為“00100111”，與發送的數字基帶信號一致。

    人體通信利用人體本身導電特性實現信號在人體范圍內的傳輸，可以實現人體表面、內部、周圍等可與人體接觸的電子裝置之間的數據傳輸和共享，是實現體域網物理層的一種新型、有效的通信方式。
　在初步掌握人體信道特性的前提下，以FPGA為核心，設計了2CPFSK全數字調制解調器，輔以外圍信號調理電路，實現了一套電流耦合型人體通信收發器。由于發送器采用DDS技術，保證發送信號在不同頻率切換時的相位連續和波形完整。由于在接收器中設計了兩級分頻的全數字鎖相環位同步電路，從而兼顧了接收信號的鎖相精度和鎖相時間。人體實驗表明，在準靜態近似條件下，收發器可以實現數字基帶信號在人體內的可靠傳輸。
    在今后的工作中，將對多種調制方式實現人體通信的優劣性進行比較，并探討人體信道容量，選取適合于電流耦合型人體通信的最佳通信方式。
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