人体通信系统的设计挑战与应对策略

折衷与权衡取舍

功率和空间节省目标对无线电设计的某一阶段都有重大影响。设计人员必须始终考虑到应该使用哪一种调制方案？需要多大的BER(比特误码率)，如何实现？需要考虑到什么样的干扰环境？需要什么样的工作范围和数据传输速率？设计人员必须对综合考虑各种折衷和权衡因素，以满足人体通信的性能要求。

一般而言，相比那些在接收器中需要更高信噪比(SNR)的更高级别的调制方法，固定峰值调变方案的功耗更低。同样地，使用更低的数据率和更窄的带宽乍想似乎也是可行的。不过，为了实现最低整体功耗(单位为J/bit)，我们建议可植入收发器采用满足应用接收器灵敏度要求的尽可能高的数据率。

要求低数据率(甚至低至kHz范围内)的系统应该进行数据缓冲，并以尽可能高的数据率运行，还应利用功率状态的占空比来降低平均电流消耗。采用短促脉冲猝发数据不仅有助于省电，还能减小潜在的干扰时间窗口，而且电源去耦要求也更宽松。最后一点对于经常使用高阻抗电池的植体系统相当重要。这一方案还采用了极高的数据率，对起搏器这样的间歇遥测应用十分具有吸引力，因为大电容的电荷可转用于无线电发射，然后再以较低速度充电。采用高数据率的另一个原因是发射的时间很短，故使更多的用户有可能共享同一个无线电信道。

由经验可知，在这些短程应用中，鉴于非理想性及可能的干扰，射频信道无法确保提供优于1 in 10-3的BER。这表明，为了提供应用所需的BER，需要某种形式的误差校正机制。自动重复请求(ARQ)有一个缺点，即在信道条件不良的情况下，数据传输相当慢。而采用Reed Solomon前向纠错(FEC)方案，相关开销较小，对必须传输大量数据的应用而言很有吸引力。尽管有上述考虑，接收器架构仍然是一个挑战。即使是长期以来都被认为是接收器设计圣杯的直接转换接收器，也存在严重的缺陷，尤其是在本地振荡器泄漏引起的直流偏置方面。此外，其灵敏度受相位噪声的影响程度也大于超外差方案。不过，空间方面的考虑促使超外差方案使用集成中频(IF)滤波器，并采用较低IF使功耗更小。只要功率允许，使用图像抑制混频器很有优势。虽然天线的低效率实际上弥补了干扰对植入设备上的影响，但要以大于15%的失调满足通常的每米3V的抗扰性测试要求绝对是一个挑战。

植体设备的射频设计向设计人员提出了一系列挑战―从功耗到标准到天线性能等等，不一而足。完美的解决方案并不存在，最佳的方案就是在满足各种要求间找到一种平衡。一般准则是，可植入设备的射频系统设计应该尽可能简单，而且所用到的每一毫安电流都必须"斤斤计较，用得其所。"

图2: 用于双向半双工设计的低功率射频架构

在选择一种把电流消耗减至最小的架构时，必须切记"尽量简单"的原则，如图2所示。这里，发射部分中超低功率收发器对压控振荡器(VCO)直接调制。收发器通常需要进行数据白化(whitening of the data)，但在其它方面很简单。这就节省了功率，同时提供了最大的噪声性能裕量。有时候，根据应用的具体情况，可能有必要提高复杂性，原则却不变―让每一个架构尽可能简单。

天线挑战

电小天线(Electrically small antenna)多年来一直是十分热门的研究课题。长距无线电通信在早期使用的是15到100kHz数量级的频率，对应波长20到3km。300米左右的天线控制塔(Antenna mast)仍属于相当小的电小天线，更先进的VLF(极低频率)传输甚至已达到更低频率。相关文献很容易找到，因为有关VIF天线的许多概念只能用于10-4或10-5倍的尺寸缩放。

众多关于蜂窝应用小天线的研究也一直在进行。电小天线一般指那些主要尺寸小于0.05λ，或在MICS频带内37mm的天线。

电小天线不一定效率低下。不过，50多年前，Lan Chen Chu教授著名的论文《全向天线的物理限制(Physical Limitations on Omni-Directional Antennas)，应用物理学杂志，1948年12月，第19卷，第1,163页)曾指出，天线的Q值随尺寸的减小而增加。电小天线的辐射阻抗很小，而这一阻抗消耗天线辐射功率，故无功分量相当高。绝大部分损耗都是在这种无功分量和导体RF阻抗的调整中出现，这降低了天线的有效效率。在医疗植入设备连接有天线的情况中，还存在有其它损耗，进一步使问题恶化。

在其最简单的模型中，电小天线产生局域电场或局域磁场。在远场(对这些小天线而言，一般指离天线的距离远小于λl/2)中，这些场彼此呈90度正交关系。电场天线一般是单极天线和短双极天线，而磁场天线通常是环形天线。其它各类小天线，比如正交场阵列，往往太大，不在植入设备的考虑范围之内。

环形天线最初对植体通信应用极具吸引力。这种天线受周围环境介电常数和寄生电容的影响较小。不过，如果植体设备有金属外壳的话，就出现问题了。该外壳与天线回路接近，减小了辐射电阻，同时外壳的RF电阻中的感应电流增加了损耗。另一个问题是，由于天线回路需要调谐到谐振状态，集成电路必然产生的寄生电容限制了可用电感的最大值。

要想把天线回路印制在低损耗的陶瓷材料上，也产生许多困难，由于自谐振频率变得如此之小(因为陶瓷材料的介电常数很高，大大增加了回路上的寄生电容)，使回路无法调谐到谐振状态。多年前寻呼天线使用的一种技术也存在类似的问题，即把线圈绕组划分为若干个部分，用小电容和绕组的每一部分串联。这种方法很有效，尽管因需要直流连续性而增加了新的问题。另一个困难是，当电路物理版图要求把元件放置在回路内时反馈的可能性。物理环境对电池天线的影响更大，比如贴片式天线和单极天线。图3所示即为一个带有贴片式天线的圆"冰球"型植体设备。