超低功耗射频技术详解

尔斯特中心的研究人员对传感器节点无线采取了类似的策略。

　　超低功耗射频技术

　　IMEC和霍尔斯特中心开发了几类超低功率（ULP）射频技术，每类技术针对一类不同的应用。这三种射频架构能支持从高到低的数据速率。详细内容见下文。

　　开发出的第一项技术―基于脉冲的超宽带（UWB）射频技术，它是低功耗和中速数据传送（100千字节/秒~20兆字节/秒）的独特组合。超宽带（UWB）射频适用于传感器数据与流媒体相结合的应用：有两个应用例子，其中一个应用是一款能够与MP3播放器进行通讯的心搏带（当心率在慢跑期间加速时，播放节奏减弱的音乐），另一个应用是与MP3播放器进行无线通信的助听器。如果将ULP UWB无线射频技术和监测带、助听器和MP3播放器相结合，那么系统功耗小于5毫瓦且具有极佳抗干扰能力。相比用于中速数据传送的商业低功耗无线射频，UWB射频系统的功耗降低了五倍。UWB 无线射频工作在6~10千兆赫的无线电频段。相比工作在2.45 ? GHz ISM频段同类竞争蓝牙设备，它要少很多干扰问题。

　　UWB射频还有一个用处：定位。无线射频信号覆盖很广，可以通过雷达这类方式确定设备所在位置。能在不需要基础设施或三角测量（要得到准确定位至少需要三台设备）的条件下定位一台设备， 这在许多应用都是一种独特功能。目前，仍需要使用多项技术才能实现内部定位。

图7：通过本地处理（见右图），减少了需要传送的数据量。

　　第二类架构是一类窄带BAN射频（图6），适合于低速数据传送（64，128，256，512和1024KB /秒），其功耗甚至比UWB射频还要低。该技术针对佩戴在身体上的传感器节点进行了优化。在数据传送速率为1Mb/秒的情况下，其接收功耗为1mW，传送功耗为0.9mW，没有占空比。而若是采用Zigbee或其它技术，则系统的功耗会提高10到100倍。窄带BAN工作在2.4GHz ISM或850~950UHF射频波段。

　　第三种可选技术―唤醒射频―针对极低数据传输速率和超低功耗（持续续工作时为60微瓦）而开发。该射频技术可以和传统射频技术并行工作，在需要接收或发送数据时打开开关。通过工作在这种方式省电。例如，手机上具有蓝牙功能的射频组件会不断寻找蓝牙设备，这样会消耗很大功率。通过将蓝牙射频组件和唤醒射频组件相结合，后者可以在它需要连接到另一个蓝牙设备的时候启动蓝牙无线。一个潜在的医学应用是，将其用于实现需要定期传送数据到医生电脑的植入式传感器。

　　降低功耗

　　另一个降低无线传感器节点功耗的方法是减少必须传送到人体中央设备或笔记本电脑的数据量。可以通过在节点内本地处理一部分数据和发送少量经过处理的数据，而非传送大量的原始传感器数据来做到这点。另外一个优点是，病人能及时获得反馈。

　　图8：通过在无线传感器节点对数据进行本地处理，无线组件的功耗下降。但是，这会增大通用微处理器的功耗，两者相抵消了。研究人员开发出了一款低功耗DSP来解决这一问题，该低功耗DSP针对处理生理参数进行了优化。例如，若采用IMEC的BioDSP处理本地心电图，则采用现货Zigbee射频的心电图贴片的系统功耗将下降近10倍。

　　与人们的预测相反，当用通用微控制器执行本地处理时，传感器节点的功耗会增加。射频组件的功耗会降低，原因是它没有太多的数据要发送，而商用微控制器的功耗猛曾，原因是它没有针对这类处理做优化。基于这个原因，IMEC和霍尔斯特中心开发了一款专用超低功耗DSP，它针对脑电图、心电图、眼电图及肌电图等生理参数做了优化。

　　超低功耗的崭新未来

　　通过选择正确的ULP 标准模块，可显着降低无线医疗设备的功耗。本文概述了两种策略：

　　1．增加超低功耗射频（UWB、BAN或唤醒射频，针对中-低数据传输速率）可以将功耗减少10倍。

　　2．增加ULP DSP将功耗降低10倍，有些本地处理在设备或传感器节点内完成。

　　将ULP射频和超低功耗DSP策略相结合，能使心电图贴片的功耗降低18倍，让我们更进一步接近广泛使用的人体佩戴自主传感器。