文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.019
中文引用格式： 吳開斌，陳嵐，呂超. 體域網基帶驗證平臺設計與實現[J].電子技術應用，2016，42(6)：71-73，80.
英文引用格式： Wu Kaibin，Chen Lan，Lv Chao. Design and implementation of the verification platform for WBAN Baseband[J].Application of Electronic Technique，2016，42(6)：71-73，80.
0 引言
隨著無線通信技術的不斷發展，無線體域網在健康監測、慢性病防治、老人看護等可穿戴設備中有著廣泛的應用[1]。國際電子電氣工程協會（IEEE）于2012年2月發布IEEE 802.15.6無線體域網（WBAN）標準，對其物理層（PHY）和無線媒體介入控制層（MAC）進行了規范[2]。該標準為穿戴式及植入式設備而設計，滿足短距離近人體無線通信的低功耗、高安全性、高可靠性的要求[3]。隨著可穿戴式設備的大規模應用，體域網將具有廣闊的應用空間。在此背景下，開發一款支持IEEE802.15.6協議的SoC基帶芯片將具有巨大的市場價值。
隨著電子系統集成度的大幅提高，SoC的設計規模也在不斷擴展，因此SoC的驗證工作也越來越復雜。統計表明，SoC流片一次的成功率大約為35%，其失敗的主要原因是驗證工作不夠充分[4]。為了提高芯片的良品率，在體域網基帶開發的同時，必須做好驗證平臺的設計工作。
可穿戴式SoC主要用于健康醫療設備，需要對體溫、血氧、血壓、心率、心電等信號進行采集和傳輸，這對人體健康檢測及疾病預防有重要作用，其需要較高的傳輸性能。同時由于信號的傳輸速率不同[5]，在接收端會產生不同的延時及成功收包率。因此在驗證平臺的設計中需要考慮以下需求：(1)基帶協議一致性驗證，協議幀格式正確是保證基帶完成通信的基礎。(2)傳輸可靠性驗證，盡可能地為數據提供一個高質量通信鏈路。(3)多種健康信息的服務質量（QoS）驗證。針對體域網傳輸信號的多樣性，模擬發送不同速率的測試向量，驗證其服務質量是否滿足可穿戴設備要求。
目前，研究人員大多使用傳統的商業軟件無線電平臺對基帶的功能進行驗證，例如USRP、bladeRF及HackRF等。與使用FPGA硬件電路實現協議處理的體域網基帶不同，此類平臺通過上位機軟件算法實現協議的處理與開發，并且接口封閉不便于進一步開發，因此不能滿足體域網基帶SoC驗證需求。
結合IEEE802.15.6標準中窄帶通信物理層電路設計規范，本文設計并開發了包含FPGA、射頻前端、混合信號前端、電源管理等模塊的硬件系統。結合穿戴式健康應用的特殊需求，設計并實現了體域網數據流狀態機，對多輸入向量進行自動加載，實現了體域網基帶在不同速率下，對延時、功耗的自動測量。針對自主開發的IEEE802.15.6的基帶IP核設計了精準的時序采集模塊，實現了協議幀的提取，驗證了協議的一致性。同時，為控制節點數據傳輸，便于直觀地進行測試，設計并實現了上位機軟件，對測試結果和中間過程進行實時追蹤。
1 平臺總體結構設計及硬件實現
如圖1所示，驗證平臺硬件系統由高集成度FPGA、收發機電路及電源管理電路組成[6]。
1.1 收發機電路
收發機電路按照IEEE802.15.6標準中物理層窄帶通信收發機標準設計，包括混合信號前端及調制解調前端。
本設計采用圖2的零中頻結構收發機，與傳統超外差收發機相比只需要一次變頻，結構簡單具有較高集成度，符合體域網可穿戴設備小型化、便于攜帶的要求。但是由于本振頻率較高，需要性能較高的壓控振蕩器及頻率合成器，因此使用集成的零中頻調制解調芯片MAX2837及混合信號前端芯片MAX19712。
MAX2837是一款零中頻收發前端，包括壓控振蕩器（VCO）、晶體振蕩器、頻率合成器、混頻器、低通濾波器、功率放大器及低噪聲放大器等。通過SPI接口配置內部寄存器。內部資源豐富僅需要幾個簡單的外圍元件即可以組成一個完整的電路。
MAX19712是超低功耗、高集成度的混合信號模擬前端（AFE），內置10位數模轉換（DAC）及模數轉換器（ADC），全雙工工作模式，最大工作速度22 MHz，使用SPI接口配置寄存器。
考慮到平臺功能的擴展性，基帶數據接口按照高速信號布線規則設計[7]，以滿足其他高速信號基帶的驗證需求。
1.2 電源管理電路
由于線性穩壓器（LDO）效率低、發熱大、不符合體域網低功耗特點，本文選擇使用開關電源（DCDC）進行電源管理。系統前端使用9 V適配器供電，兩款集成DCDC芯片產生3.3 V和2.85 V電壓，分別為MAX2837和MAX19712供電。圖3為電源結構拓撲圖。
2 驗證需求分析
針對體域網基帶在可穿戴式設備的健康監測、疾病預防等方面的特殊應用，提出以下驗證需求。
2.1 協議一致性驗證
根據ISO/OSI-IEEE802參考模型，節點間的通信過程即為PHY幀及MAC幀的交換傳遞過程。確保協議幀格式的一致是基帶驗證的基本需求。
(1)物理層協議幀
物理層協議幀由物理層匯聚協議(PLCP)前導碼、PLCP幀頭和數據單元組成。
前導碼用于接收機進行同步定時和載波偏移恢復。PLCP幀頭則包括能夠成功譯碼的必要信息，如圖4所示。
(2)MAC層協議幀
MAC層幀由幀頭、可變長度幀體及幀尾校驗碼組成。幀頭包含了控制和地址信息，幀體為所負載數據，幀尾為16位的CRC校驗序列。
2.2 傳輸可靠性驗證
高可靠性的收發鏈路是體域網基帶驗證的基礎，體域網可穿戴設備的健康醫療的特殊性也對收發可靠性提出了較高的要求。通過分析發送和接收的射頻信號和基帶信號在時域及頻域波形參數，驗證其是否符合IEEE802.15.6窄帶物理收發機標準。
2.3 多種健康信息服務質量驗證
穿戴式體域網設備主要用于人體生理信號數據的采集、傳輸，如體溫、血氧、計步、血壓、心率、心電等。不同信號需要不同的傳輸速率。表1列出了幾項常用的人體生理信號傳輸速率。
驗證平臺需要模擬出不同速率的數據流，對信號接收延時及成功收包率進行統計，得出基帶對多種信號的服務質量（QoS）。
3 體域網數據流狀態機
根據上述需求，本文針對體域網基帶SoC設計了一個基于FPGA的體域網數據流狀態機狀態機，作為驗證的綜合激勵信號發生單元，如圖5所示。
4 上位機軟件
為了顯示收發數據、確定參考時間，便于計算成功收包率及延時，并對驗證過程進行實時的跟蹤，本文設計了基于LabVIEW的上位機人機交互程序。圖6為軟件流程圖。
5 結果與分析
5.1 傳輸可靠性驗證
驗證時發送固定的二進制數序列“00001111000101-0111011”，測量信號時域及頻域信號參數。圖7為發送的射頻和基帶信號，圖8為射頻信號的頻譜，圖9為載波的頻譜。接收端解調后的基帶信號如圖10所示，經比較可知，信號與發送的一致。表2為具體收發性能參數。
5.2 多種健康信息服務質量驗證
在不同速率下發送長度固定的100個連續數據。使用上位機對收發數據比較，得出成功收包率及延時。經過多次測量計算平均值，得出表3結果。
結果表明數據發送速率越高，其成功收包率越低。接收延時隨著發送速率增加呈減小趨勢，但變化不明顯。
6 結束語
本文針對穿戴式健康SoC的設計驗證需求，設計并實現了一套集成有硬件系統、含穿體域網數據流狀態機、支持IEEE802.15.6基帶信號信號采集的IP及上位機用于控制、跟蹤的測試軟件。該平臺針對自主開發的IEEE802.15.6基帶信號處理IP核進行了大量的測試驗證，基本滿足了體域網基帶芯片的設計驗證需求。同時也可以擴展應用到其他近距離無線通信芯片的設計驗證應用中。
參考文獻
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[3] 王志軍，胡封曄，尹穎奇，等.基于無線體域網的傳輸功率控制和調度算法[J].通信學報，2015，36(10)：271-277.
[4] 李輝.TD_LTE基帶芯片驗證系統信號完整性研究[D].南京：南京理工大學，2013.
[5] 陸希玉，肖振宇，金德鵬，等.基于單載波超寬帶的高速異構無線體域網[J].清華大學學報（自然科學版），2013，53(3)：410-414.
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[7] RAAD B B.A 2.4 GHz high data rate radio for picosatellites[C].Proceedings of the 2014 8th International Conference on Telecommunication Systems Services and Applications，Kuta，Indonesia，2014：1-6.