面向医疗健康应用的无线体域网基带信号处理关键技术研究

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面向移动健康应用的无线体域网WBAN(Wireless Body Area Networks)是实现人体生物体征信息实时采集与传输的新一代信息技术,是建立健康监测、无人看护、慢性病防治等新一代移动健康应用的重要支撑技术,具有便携性、移动性、低功耗、高可靠等技术特点。为满足日益增长的穿戴式健康、娱乐等设备互联互通的应用需求,IEEE于2012年发布WBAN技术标准(IEEE802.15.6),较WiFi、蓝牙、Zigbee等近距离无线通信技术标准,IEEE802.15.6保障了穿戴式设备在能耗、传输带宽、QoS保障等方面的特殊需求。但是在核心芯片设计及产品应用中,无线体域网仍面临着系统级极低功耗设计、高可靠无线通信信号处理与网络协议、人体辐射安全与个人隐私保护、互联网络接入等一系列的挑战。在移动健康应用中,人体生物体征传感器需要长时间穿戴或植入人体内部,监测信息具有种类繁多、格式及数据大小差异性大、传输服务质量要求高等特点。本文针对WBAN基带信号处理中符号同步算法、扩频技术以及信道编解码等关键技术进行研究,并对WBAN基带通信系统进行电路实现与验证,为低功耗低延时高可靠的WBAN基带通信设计奠定了基础,使设计的系统能够满足医疗健康应用对传输的需求。  本研究主要内容包括:⑴符号同步作为基带信号处理关键的模块之一,影响着接收机的同步精度并且其功耗占基带接收机较大比重,因此同步须具备结构简单易实现、运算复杂度低、利用的前导或负载的符号数少、同步时间短等特点。本文基于IEEE802.15.6标准,提出了OMQ符号同步算法,旨在进行快速同步以降低接收延时、减少计算复杂度以降低基带电路功耗。算法基于最大平均功率同步技术,利用分级统计排序特性以及正交近似的方法,实现了低复杂度高效率符号同步。理论推导及仿真结果表明,提出的算法可在32个符号内完成符号同步,复杂度较常规的最大平均功率算法最多可降低90%以上,其快速同步及对频偏不敏感的特性也为载频同步及帧同步提供了更多的优化空间,实现了定时抖动、频偏敏感性与计算复杂度的权衡。⑵扩频是无线通信抗干扰能力的一项重要技术,IEEE802.15.6标准规定了重复码扩频方法,电路实现简单,可带来3-6dB处理增益。本文针对硬判决解扩频可靠性差,软判决解扩频方法复杂度大的问题,设计了一种根据动态阈值选择性进行量度运算的解扩频结构,并结合硬判决阈值特性利用简化的最大比合并以及广义最小距离原理,提出了硬阈值-合并法和硬阈值-删除法,使计算复杂度大大降低,同时解扩频性能近似最优。理论分析及仿真结果表明,与基于最大似然方法的解扩频相比,其扩频增益接近理论值,在高信噪比环境下,计算复杂度可降低86%以上。⑶信道编解码是保证无线通信系统传输可靠性的重要技术,也是电路实现中传输延时最高、结构最复杂的模块之一。基于IEEE802.15.6中规定的对物理层帧结构BCH编码,针对BCH编解码电路进行了串并行结构优化和时延优化。通过对编解码缓冲模块的精确时序控制减少编解码缓冲寄存器资源,对帧头和负载分别采用不同的处理方式,帧头采用并行编译码,负载采用串行编译码,从而使数据包在发射机端帧拼接和接收机端帧解析时产生的延时最小,同时利用额外的缓冲寄存器数量较少,提高了编解码的效率,使数据流不间断连续传输。结果表明,帧编码减少了39个时钟周期延时,节省了39个缓冲寄存器,帧解码减少了14个时钟周期延时,节省了14个2n位宽的缓冲寄存器,保证了编解码过程的及时性并降低了编解码电路的一部分存储功耗。⑷对无线体域网基带通信系统原型进行了链路级设计、仿真以及FPGA板级开发与验证。在RTL级设计中,采用门控时钟、串并行流水线等技术降低动态功耗、存储功耗和逻辑功耗。完成了对各分立模块和整个系统的功能验证和时序仿真、系统资源利用率和功耗分析,并在板级利用FPGA芯片进行了测试和验证。结果表明,设计的WBAN基带误码性能和链路级误码性能接近,误差在0.5dB以内,板级和门级平均功耗均优于对比的文献。
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