CN111726169B

CN111726169B - 一种无线体域网通信系统

Info

Publication number: CN111726169B
Application number: CN201910202580.5A
Authority: CN
Inventors: 赵健; 杨华中; 刘勇攀
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2019-03-18
Filing date: 2019-03-18
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2039-03-18
Also published as: CN111726169A

Abstract

本发明实施例提供一种无线体域网通信系统。该系统包括：发射端和接收端；接收端包括负载电阻、数控电感阵列和损耗补偿器；负载电阻和数控电感阵列依次串联于信号电极和地电极间，所述损耗补偿器与所述负载电阻和所述数控电感阵列并联；负载电阻根据发射端发射的激励信号生成电压信号；损耗补偿器根据电压信号生成控制信号；数控电感阵列根据控制信号从数控电感阵列的多个电感中确定若干个电感作为补偿电感，并通过补偿电感对无线体域网通信系统中的反向路径损耗进行补偿。本发明实施例提供的系统，能够在人体姿态变化过程中动态且有效的对系统中的反向路径损耗进行补偿，使得系统的功耗大幅降低。

Description

一种无线体域网通信系统

技术领域

本发明实施例涉及无线体域网技术领域，尤其涉及一种无线体域网通信系统。

背景技术

无线体域网(wireless body area networks，WBAN)，是指建立在个人所携带的电子设备之间的信息网络。为了促进无线体域网的发展，无线体域网标准IEEE802.15.6于2012年正式确立。标准中规定了三类用以进行无线体域网通信的信号频段：窄带(narrowband，NB)、超宽带(ultra wideband，UWB)和人体通信(human bodycommunication，HBC)频段。其中，窄带和超宽带均属于射频通信的方式，而人体通信则是将人的身体视为导体，利用人体作为信道完成信号的传导，是一种非射频的通信方式。与射频通信的方式相比，人体通信由于利用人体低损耗的特性，且无需天线、线圈，有望真正实现无线体域网的低功耗和小型化。

对于基于人体通信的无线体域网通信系统，依照耦合方式的不同，又可分为基于电容耦合的无线体域网通信系统和基于电流耦合的无线体域网通信系统。其中，基于电容耦合的无线体域网通信系统是通过发射端或接收端的两个电极分别与人体和空气进行电容耦合来确立通信回路，进而实现信号的传导。

图1为现有技术中无线体域网通信系统的结构示意图，如图1所示，该系统为基于电容耦合的无线体域网通信系统，包括发射端和接收端，其中，发射端包括一个信号电极SE_tx、一个交流信号源和一个地电极GE_tx，接收端包括一个信号电极SE_rx、一个负载电阻和一个地电极GE_rx。其中，信号电极SE_tx和信号电极SE_rx均贴于人体表面，此时，信号电极SE_tx-人体-信号电极SE_rx间构成了前向路径，地电极GE_tx-空气-地电极GE_rx间构成了反向路径。由于空气中的耦合电容的导电率远低于人体的导电率，从而使得反向路径损耗远高于前向路径损耗。

为了保持无线体域网通信系统的低功耗，需要对反向路径损耗进行补偿。图2为现有技术中具有补偿功能的无线体域网通信系统的结构示意图，如图2所示，通常通过在接收端的信号电极SE_rx和地电极GE_rx间串联一个固定电感，以实现对反向路径损耗进行补偿。但是，反向路径损耗随人体姿态的变化而变化，现有技术无法在人体姿态的动态变化过程中对反向路径损耗进行有效的补偿，因此，无法保持该系统的低功耗。因此，提出一种能够在人体姿态动态变化过程中对反向路径损耗进行有效补偿的无线体域网通信系统成为了亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明实施例提供一种无线体域网通信系统。

第一方面，本发明实施例提供一种无线体域网通信系统，包括：

发射端和接收端；其中，所述接收端包括：

负载电阻、数控电感阵列和损耗补偿器；其中，

所述负载电阻和所述数控电感阵列依次串联于信号电极和地电极间，所述损耗补偿器与所述负载电阻和所述数控电感阵列并联；

所述负载电阻，用于根据所述发射端发射的激励信号，生成电压信号；

所述损耗补偿器，用于根据所述电压信号，生成控制信号；

所述数控电感阵列，用于根据所述控制信号，从所述数控电感阵列的多个电感中确定若干个电感作为补偿电感，并通过所述补偿电感对无线体域网通信系统中的反向路径损耗进行补偿。

本发明实施例提供的一种无线体域网通信系统，通过在接收端的信号电极和地电极中串联负载电阻和数控电感阵列，并将损耗补偿器的第一端连接至信号电极和负载电阻间的导线处，将损耗补偿器的第二端连接至数控电感阵列，使得负载电阻能够根据发射端的交流信号源发射的激励信号生成电压信号并传递至数控电感阵列，进而使得数控电感阵列确定补偿电感，进而通过补偿电感对无线体域网通信系统中的反向路径损耗进行补偿。由于发射端的交流信号源能够在人体姿态变化过程中周期或非周期性地发射激励信号，因此，发射端每发射一个激励信号，接收端都能相应地生成一个电压信号，进而通过该电压信号在数控电感阵列中确定补偿电感，从而通过补偿电感对系统中的反向路径损耗进行补偿，从而能够在人体姿态变化过程中动态且有效的对系统中的反向路径损耗进行补偿，使得系统的功耗大幅降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中无线体域网通信系统的结构示意图；

图2为现有技术中具有补偿功能的无线体域网通信系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种无线体域网通信系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种无线体域网通信系统的具体结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种损耗补偿器的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种梯度检测器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图3为本发明实施例提供的一种无线体域网通信系统的结构示意图，如图3所示，该系统包括：发射端31和接收端32；其中，所述接收端32包括：

负载电阻321、数控电感阵列322和损耗补偿器323；

其中，所述负载电阻321和所述数控电感阵列322依次串联于信号电极SE_rx和地电极GE_rx间，所述损耗补偿器323与所述负载电阻321和所述数控电感阵列322并联；

所述负载电阻321，用于根据所述发射端31发射的激励信号，生成电压信号；

所述损耗补偿器323，用于根据所述电压信号，生成控制信号；

所述数控电感阵列322，用于根据所述控制信号，从所述数控电感阵列322的多个电感中确定若干个电感作为补偿电感，并通过所述补偿电感对无线体域网通信系统中的反向路径损耗进行补偿。

首先，结合图3对发射端31进行具体说明：

发射端31包括：依次串联的信号电极SE_tx、交流信号源311和地电极GE_tx。其中，交流信号源311周期或非周期性的产生激励信号，该激励信号可以使得信号电极SE_tx和地电极GE_tx间产生交流电压，该交流电压通过人体和空气中的耦合电容传递到接收端32，使得接收端32的信号电极SE_rx和地电极GE_rx间产生交流电压，该交流电压使得负载电阻321生成电压信号。其中，负载电阻为通常在大型电源设备、医疗设备和电力仪器设备等产品中使用的用于吸收多余功率的大功率耗能电阻。

其次，结合图3对接收端32进行具体说明：

接收端32包括：依次串联的信号电极SE_rx、负载电阻321、数控电感阵列322和地电极GE_rx，以及损耗补偿器323。

其中，损耗补偿器323的第一端电连接至信号电极SE_rx和负载电阻321间的导线处，用来获取负载电阻321生成的电压信号，以根据该电压信号生成控制信号，损耗补偿器323的第二端电连接至数控电感阵列322，以将该控制信号发送至数控电感阵列322。

需要说明的是，数控电感阵列322中包括电感控制器和多个电感，电感控制器可以根据接收到的控制信号，从这多个电感中确定部分电感或全部电感作为补偿电感，从而直接通过补偿电感对无线体域网通信系统中的反向路径损耗进行补偿。

结合图4对本发明实施例中的数控电感阵列322进行进一步说明，图4为本发明实施例提供的一种无线体域网通信系统的具体结构示意图，如图4所示，数控电感阵列322中包括一个电感控制器和多个依次串联的电感，此处的电感控制器为多个开关，这多个依次串联的电感和多个开关一一对应，每一电感与对应的开关并联。这多个开关能够根据接收到的控制信号进行断开或闭合，以实现将处于断开状态的开关对应的电感作为补偿电感，从而通过补偿电感对无线体域网通信系统中的反向路径损耗进行补偿。

需要说明的是，这多个依次串联的电感的电感值依次增大，且相邻电感的电感值具有2倍或近似2倍的关系。

可以理解的是，对于图4中的系统，若电感的个数N，则开关的个数也为N，若N为5，则电感的个数为5，开关的个数也为5，且，这5个电感的电感值从左至右依次增大。若按照从左至右的顺序，将这5个电感依次称为电感1、电感2、电感3、电感4和电感5，则，电感2的电感值为电感1的电感值的2倍或近似2倍，电感3的电感值为电感2的电感值的2倍或近似2倍，依次类推，此处不再赘述。

此时，控制信号为5bit的二进制数字信号，例如10001、00111等。其中，若控制信号为10001，则最高位1和最低位1分别用来控制电感1对应的开关和电感5对应的开关，中间位从左至右的三个0，分别用来控制电感2对应的开关、电感3对应的开关和电感4对应的开关。若1控制开关闭合，0控制开关断开，则电感1对应的开关和电感5对应的开关均闭合，电感2对应的开关、电感3对应的开关和电感4对应的开关均断开，此时，电感2、电感3和电感4一起作为补偿电感串联至地电极GE_rx和负载电阻间，对无线体域网通信系统中的反向路径损耗进行补偿。

本发明实施例提供的系统，通过在接收端的信号电极和地电极中串联负载电阻和数控电感阵列，并将损耗补偿器的第一端连接至信号电极和负载电阻间的导线处，将损耗补偿器的第二端连接至数控电感阵列，使得负载电阻能够根据发射端的交流信号源发射的激励信号生成电压信号并传递至数控电感阵列，进而使得数控电感阵列确定补偿电感，进而通过补偿电感对无线体域网通信系统中的反向路径损耗进行补偿。由于发射端的交流信号源能够在人体姿态变化过程中周期或非周期性地发射激励信号，因此，发射端每发射一个激励信号，接收端都能相应地生成一个电压信号，进而通过该电压信号在数控电感阵列中确定补偿电感，从而通过补偿电感对系统中的反向路径损耗进行补偿，从而能够在人体姿态变化过程中动态且有效的对系统中的反向路径损耗进行补偿，使得系统的功耗大幅降低。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例对上述实施例中的损耗补偿器进行具体说明，即，所述损耗补偿器包括：

数字信号强度检测器，用于将所述电压信号转换为数字强度信号；

梯度检测器，用于根据所述数字强度信号和第一时序控制信号，生成梯度信号；

控制器，用于根据所述梯度信号和第二时序控制信号，生成第一控制信号；

扰动激励器，用于根据所述第一控制信号和第三时序控制信号，生成第二控制信号，并将所述第二控制信号作为所述控制信号。

具体地，结合图5对本发明实施例提供的损耗补偿器进行具体说明，图5为本发明实施例提供的一种损耗补偿器的结构示意图，如图5所示，损耗补偿器包括：依次电连接的数字信号强度检测器3231、梯度检测器3232、控制器3233和扰动激励器3234。其中：

数字信号强度检测器3231，用于获取负载电阻生成的电压信号V_rx，将该电压信号V_rx转换为数字强度信号M并输出。

梯度检测器3232，用于获取数字强度信号M，并接收第一时序控制信号T_c1，并在第一时序控制信号T_c1的一个周期内，计算数字强度信号M的最大值和最小值之差，形成梯度信号D并输出。

控制器3233，优选为数字比例-积分控制器，用于获取梯度信号D，并接收第二时序控制信号T_c2，以生成第一控制信号L_c并输出。需要说明的是，数字比例-积分控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

扰动激励器3234，用于获取第一控制信号L_c，并接收第三时序控制信号T_c3，以根据第三时序控制信号T_c3，生成双相性的脉冲激励信号并将其叠加在第一控制信号L_c上，形成第二控制信号L_cp并输出。需要说明的是，该第二控制信号L_cp为上述实施例中提到的控制信号。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例对上述实施例中的数字信号强度检测器进行具体说明，即，所述数字信号强度检测器，包括：

对数放大器，用于将所述电压信号转换为模拟强度信号；

模数转换器，用于将所述模拟强度信号转换为所述数字强度信号。

具体地，数字信号强度检测器具体包括：依次电连接的对数放大器和模数转换器。其中，对数放大器为输出信号幅度与输入信号幅度呈对数函数关系的放大电路。在本发明实施例中，对数放大器用于将电压信号V_rx转换为模拟强度信号M_a，转换关系为：

M_a＝20log₁₀(V_rx)+M_bias；

其中，M_bias为电路决定的一个常数。

随后通过模数转换器，将模拟强度信号M_a转换为数字强度信号M。

其中，模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指将模拟信号转换成数字信号的电路。A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例对上述实施例中的梯度检测器进行具体说明，即，所述梯度检测器，包括：

第一寄存器，用于根据所述数字强度信号和所述第一时序控制信号，生成第一强度信号；

第二寄存器，用于根据所述数字强度信号和所述第一时序控制信号的一次延时信号，生成第二强度信号；

第一加法器，用于将所述第一强度信号和所述第二强度信号进行相加，生成第三强度信号；

第三寄存器，用于根据所述第三强度信号和所述第一时序控制信号的二次延时信号，生成所述梯度信号。

具体地，结合图6来对本发明实施例提供的梯度检测器进行具体说明，图6为本发明实施例提供的一种梯度检测器的结构示意图，如图6所示，梯度检测器包括：第一寄存器32321、第二寄存器32322、第一加法器32323和第三寄存器32324。其中，第一寄存器32321的输入端与数字信号强度检测器中模数转换器的输出端电连接，第一寄存器32321的输出端与第一加法器32323的第一输入端电连接；第二寄存器32322的输入端与数字信号强度检测器中模数转换器的输出端电连接，第二寄存器32322的输出端与第一加法器32323的第二输入端电连接；第一加法器32323的输出端与第三寄存器32324的输入端电连接。

需要说明的是，寄存器就是实现寄存功能的电路，通常用于在数字电路系统工作过程中，把正在处理的二进制数据或代码暂时存储起来，是数字逻辑电路的基础模块。加法器是产生数的和的装置，常用作计算机算术逻辑部件，执行逻辑操作、移位与指令调用。

在本发明实施例中，第一寄存器32321获取信号强度检测器中模数转换器输出的数字强度信号M，并接收第一时序控制信号T_c1，根据第一时序控制信号T_c1对数字强度信号M进行采样，得到第一强度信号。其中，根据第一时序控制信号T_c1对数字强度信号M进行采样，可以是当第一时序控制信号T_c1每出现一个上升沿，对数字强度信号M采样一次。

第二寄存器32322获取信号强度检测器中模数转换器输出的数字强度信号M，并接收第一时序控制信号T_c1的一次延时信号T_c1,d，根据一次延时信号T_c1,d对数字强度信号M进行采样，得到第二强度信号。需要说明的是，第一时序控制信号T_c1的一次延时信号T_c1,d，即，将第一时序控制信号T_c1延时d得到的信号。根据一次延时信号T_c1,d对数字强度信号M进行采样，可以是当一次延时信号T_c1,d每出现一个上升沿，对数字强度信号M采样一次。

第一加法器32323将第一强度信号和第二强度信号进行相加，得到第三强度信号并输出。

第三寄存器32324获取第一加法器输出的第三强度信号，并接收第一时序控制信号T_c1的二次延时信号T_c1,dd，根据第三时序控制信号T_c3对第三强度信号进行采样，得到梯度信号D并输出。需要说明的是，第一时序控制信号T_c1的二次延时信号T_c1,dd，即，将第一时序控制信号T_c1延时两倍的d得到的信号。根据二次延时信号T_c1,dd对第三强度信号进行采样，可以是当二次延时信号T_c1,dd每出现一个上升沿，对第三强度信号采样一次。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例对上述实施例中的控制器进行具体说明，即，所述控制器的传递函数H_c(z)为：

其中，K_c为控制器的增益，z为Z变换算子，T_s为所述第二时序控制信号的周期，ω_z为所述控制器的零点，ω_p为所述控制器的极点。

具体地，梯度信号D与传递函数H_c(z)相乘，即可得到第一控制信号L_c。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例对上述实施例中的扰动激励器进行具体说明，即，所述扰动激励器，包括：

激励信号生成器，用于每当所述第三时序控制信号产生一个上升沿时，生成双相性的脉冲激励信号；

第二加法器，用于将所述双相性的脉冲激励信号和所述第一控制信号进行相加，生成所述第二控制信号，并将所述第二控制信号作为所述控制信号。

具体地，扰动激励器包括：激励信号生成器和与激励信号生成器电连接的第二加法器。

其中，激励信号生成器接收第三时序控制信号T_c3，并每当第三时序控制信号T_c3产生一个上升沿时，生成一个双相性的脉冲激励信号并输出至第二加法器。

第二加法器，将双相性的脉冲激励信号和第一控制信号L_c进行相加，生成所述第二控制信号Lc_p，并将所述第二控制信号Lc_p作为所述控制信号。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例对上述实施例中的第一时序控制信号、第二时序控制信号和第三时序控制信号的周期，以及双相性的脉冲激励信号的宽度进行具体说明，即，所述第一时序控制信号、所述第二时序控制信号和所述第三时序控制信号的周期均相等，且，所述双相性的脉冲激励信号的宽度小于所述周期的二分之一。

具体地，在上述实施例中，已将第二时序控制信号T_c2的周期定义为T_s，在本发明实施例中，第一时序控制信号、第二时序控制信号和第三时序控制信号的周期均相等，因此，第一时序控制信号T_c1和第三时序控制信号T_c3的周期也均为T_s。

对于双相性的脉冲激励信号，其幅度为±1，定义其宽度为T_p，则T_p＜T_s/2。

需要说明的是，由于有了上述约束关系，该系统中各模块能够保证完全正确响应。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例对上述实施例中的第一时序控制信号、第二时序控制信号和第三时序控制信号的相位进行具体说明。即，所述第一时序控制信号为所述第三时序控制信号延时T_d1得到，所述第二时序控制信号为所述第三时序控制信号延时T_d2得到，其中，

T_p＜T_d2＜T_s；

其中，T_p为所述双相性的脉冲激励信号的宽度，T_s为所述周期。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例对上述实施例中的第一时序控制信号的一次延时信号和第一时序控制信号的二次延时信号进行具体说明，即，所述第一时序控制信号的一次延时信号为所述第一时序信号延时T_p/2得到，所述第一时序控制信号的二次延时信号为所述第一时序信号延时T_p得到。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种无线体域网通信系统，其特征在于，包括：发射端和接收端；其中，所述接收端包括：

负载电阻、数控电感阵列和损耗补偿器；其中，

所述损耗补偿器，用于根据所述电压信号，生成控制信号；

所述数控电感阵列，用于根据所述控制信号，从所述数控电感阵列的多个电感中确定若干个电感作为补偿电感，并通过所述补偿电感对无线体域网通信系统中的反向路径损耗进行补偿；

所述损耗补偿器包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数字信号强度检测器，包括：

对数放大器，用于将所述电压信号转换为模拟强度信号；

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述梯度检测器，包括：

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器的传递函数H_c(z)为：

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述扰动激励器，包括：

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一时序控制信号、所述第二时序控制信号和所述第三时序控制信号的周期均相等，且，所述双相性的脉冲激励信号的宽度小于所述周期的二分之一。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一时序控制信号为所述第三时序控制信号延时T_d1得到，所述第二时序控制信号为所述第三时序控制信号延时T_d2得到，其中，

T_p＜T_d2＜T_s；

8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一时序控制信号的一次延时信号为所述第一时序控制信号延时T_p/2得到，所述第一时序控制信号的二次延时信号为所述第一时序控制信号延时T_p得到。