电子内窥镜中超宽带的应用

　超宽带(UWB)是一项高带宽(480-1320Mb/秒)和短距离(10-50米)的无线传输技术，正逐渐在医疗应用中更多的使用。医疗设备制造商已经开始将UWB技术用于电子内窥镜、喉镜和超声波传感器。本文介绍如何将超宽带技术应用于电子内窥镜。

　　将UWB技术用于内窥镜的考虑因素

　　柔性光学内窥镜有一根长而细的管子，其可被导入病人体内。新式内窥镜在顶端包含了一个光源和一个微小的成像传感器。通过采用新型LED光源和微型CMOS摄像头，这种结构是可行的。内窥镜顶端的LED光源的功耗要远远低于传统高功率光源。因此，一组小小的电池就足以支持内窥镜工作几个小时。此外，可用铜导线取代昂贵的光管。还有另一个优势是图像可以显示在液晶显示器上，并在同一时间被记录下来。显示器的无线连接消除了内窥镜的物理限制，使得病人和医生在检查过程中更加舒适。

　　数字传输是一种理想的传输方式，因其能提供高清晰的画面质量和避免失真。由于医生是通过视频监视器来观察他对病人的操作，画面应实时出现在屏幕上---换而言之，延迟要尽可能短。因此，视频信号不能经过压缩电路或大规模的协议栈。UWB的高带宽、低延迟、低辐射和稳固性使得其成为用于内窥镜的理想无线传输技术。

　　超宽带无线电技术

　　以NTSC品质传输未经压缩的视频需要确定性的数据传送速率至少达到166 MB /秒，而传统技术根本没办法实现这样的数据传送速率。传统的无线技术采用一种取决于频道可用性的无线访问机制。这意味着接收范围内的其它设备可能会暂时减少数据带宽。若采用UWB技术，则在会话期间永久地保留一个通道。超宽带技术的协议开销很低，这对减少传输延迟非常重要。通过将数据分散到128个子载波可建立非常稳固的无线通道。接下来将对超宽带技术的其它优势和细节进行探讨。

　　UWB 无线通信层

　　早期的UWB研发基于不同的物理(PHY)和介质访问控制(MAC)层规范。在过去三年里，WiMedia联盟的MAC层和PHY层规范已被大多数超宽带实施者采用。与已制定的无线传输技术(如WLAN)不同的是，UWB 每个传输通道占用528MHz 的频带。相比之下，无线局域网(WLAN)通道的最大带宽为20 MHz。三个528MHz的频带组成一个频带组。UWB的整个频率范围为3.1~10.6 GHz，被分为5个频带组。现已有工作在频带群1和3的先进双频带收发器。

　　WiMedia-UWB所采用的是正交频分复用(OFDM)调制技术。每个528MH频带被分成128个子载波，每个子载波的波峰正好处在相邻子载波的零点位置(因而得名‘正交’，见图1，第27页)。传输信息被分配到这128个子载波，每个528MHz信道的最高速率为480 Mb /秒。

　　由于子载波分布在528MHz 的较大带宽范围，因此支持非常低的发射功率---37微瓦(相比之下，WLAN允许的发射功耗超过了300 mW)。适于信息传送的宽带和超低发射功率使得UWB在射频(RF)领域能很好的与其它射频共存。尽管发射功率只有37微瓦，但其传输距离可达到10米远，并可以穿过一堵25厘米厚的砖墙而不会影响信号传送。

　　图 1 WiMedia-UWB的每个528 MHz频带被分为128个子载波。

　　请注意，每个子载波的波峰在其相邻子载波的零点
媒体访问控制层

　　UWB无线通信层负责射频(RF)处理，而媒体访问控制层则负责管理UWB网络和控制无线通信状态。当数个UWB设备相距很近时，它们就构成所谓的点对点网络(ad hoc network)。点对点网络不是一个预先规划好的网络，而是由距离很近的参与设备构建，参与设备可酌情加入和退出。

　　如图2所示为由三个UWB设备构建的一个点对点网络。其中，设备A对设备C来说是不可见的。位于图中左侧的设备A即便不能"侦听"到设备C，也有可能知道设备C的存在及其所占用的时隙，因为设备A可通过所谓的"信标"(beacon)来了解设备C。信标中包含有相邻近设备的相关信息，因而设备可以彼此了解。在能够相互接收信息的所有设备之间，可以进行任何方向的直接传输数据。

　　UWB采用时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)方式，即按照时隙和帧来组织传输。UWB传输时隙组合构成超帧(见图4)。超帧分为信标段(BP)和数据传输段(DTP)。信标及有效数据占据超帧的256个媒体访问时隙，一个媒体访问时隙持续256μs，一个超帧持续65.5ms。所有能相互"侦听"到的网络成员都通过收听到的信标来与超帧同步。信标中的信息可视为网络成员的通信通道。

　　图 2 对一个点对点网络中的三个UWB设备的描述

由于按时隙来组织通道，因此并不需要每个设备每时每刻都在接收和发送数据。一个设备只需每隔65.5ms被唤醒来收听信标;如果该设备没有任何任务，将重新返回睡眠状态，类似于手机延长电池寿命的睡眠模式。这样