基于数字传输的容性耦合人体通信综述

⃝⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICT Express 2（2016）180www.elsevier.com/locate/icte基于数字传输的容性耦合人体通信综述Taewook Kang，Kwang-Il Oh，Hyungil Park，SungweonKang韩国大田ETRI智能SoC研究部接收日期：2016年9月30日;接收日期：2016年11月21日;接受日期：2016年11月21日2016年12月2日摘要人体通信（HBC）已经被研究为满足最近增加的用于可穿戴设备应用的无线体域网中的低功率和高简单性的需求的使能技术HBC以前的工作主要集中在信道建模的测量方法，信号传输方案，和收发器的实现。特别是，数字传输，发明作为一种定制的方法，为人体通道，有助于开发低复杂性HBC系统。本文通过查阅近年来的文献，对基于数字传输的容性耦合HBC的研究进行了综述。c2016韩国通信信息科学研究所。出版社：Elsevier B.V.这是一篇开放获取的文章，CC BY-NC-ND许可证（http：//creativecommons. org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：人体通信;信道模型;数字传输; WBAN;综述内容1.导言. 1802.HBC系统模型和信道分析1812.1.数字传输的HBC系统模型1812.2.信道测量1822.3.信道模型分析1823.数据传输和帧同步1823.1.数字数据传输1823.2.帧同步1844.HBC收发器184的实现4.1.HBC收发器实现184简介4.2.数字传输185 HBC收发器总体结构4.3.用于数字传输的1855.结论186致谢186参考文献186同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。本文是题为《新兴市场医学诊断技术由Ki H.Chon，Sangho Ha，Jinseok Lee，Yunyoung Nam，Jo Woon Chong and Marco DiRienzo.*通讯作者。电子邮件地址：kangsw@etri.re.kr（S. Kang）。http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2016.11.0021. 介绍由于在日常生活中使用诸如智能电话、智能板和智能手表的移动设备是必不可少的，并且对于用于医疗保健服务 的 传感 器 网 络 系统 的 需 求 不断 增 长 ，无 线 体 域 网（WBAN）已经变得越来越多。2405-9595/c2016韩国通信信息科学研究所。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。T. Kang等人/ICT Express 2（2016）180181重要的[1，2]。人体通信（HBC）被认为是实现WBAN以支持低功耗和低复杂度设备的有效方法[3]。HBC使用人体作为传输通道，无需无线或有线连接[4简单直观的触摸允许传输数据和为WBAN设备创建无线网络[3，7]。先前的研究包括HBC的最新结果，可以分为三个部分：使用信号测量方法[8-人体通道模型可分为电容耦合和电流耦合的信号传输方法[22]。在电容耦合中，通过形成由信号电极感应的电场来传递信号[11]，并且在电流耦合中，通过将人体视为波导的施加电流来控制信号[23]。本文只讨论电容耦合技术，当频率高于60 kHz时，电容耦合技术比电流耦合技术性能更好 用于支持WBAN应用的期望数据速率[1，22]。先前的文献显示了基于测量数据的信道特性的分析结果，例如根据频率和传输距离的路径损耗[10，11，13]，以及信道脉冲响应的时延参数[9，12，14]，例如均方根（RMS）延迟扩展和相干带宽。人体组织的信号路径也被解释为[2，11]中的电路和[13]中的电场方程。用于WBAN的IEEE标准802.15.6的信道模型根据发射器（Tx）和接收器（Rx）的地平面的大小以及Tx和Rx之间的距离来描述HBC的脉冲响应[8]。虽然存在从无线通信引入的用于HBC的各种常规调制技术，诸如频移键控（FSK）[20]和相移键控（PSK）[24]，但是本文关注数字传输，因为使用数字传输的HBC收发器可以在没有数模转换器（DAC）、模数转换器（ADC）或射频（RF）块的情况下实现。这降低了设备的尺寸和功耗[3]。频率选择性数字传输（FSDT）是数字传输的基本结构之一，在用于WBAN的IEEE标准802.15.6中已经被采用为HBC Tx [3]。基于FSDT，在最近的方法中提出了用于增加数据速率[15-在[3，17-HBC收发器的实现方法对HBC系统的性能有着重要的影响。由于HBC基于收发器与人体之间的电场耦合机制，因此最大化耦合效应并最小化来自环境Fig. 1. 容性耦合HBC的通道模型。噪声是提高性能的关键因素[20]。已经提出了几种实现方案，包括自适应跳频FSK [20]、使用曼彻斯特码的直接数字传输[7]和使用沃尔什码（WC）的数字传输[18]。本文主要介绍了一种基于数字传输的收发机的实现，分析了数字模块和模拟前端（AFE）的具体结构第2节介绍了HBC系统模型以及对人体通道建模第3节分别根据Tx结构和具有定制检测方法的前导码结构来处理用于数据传输和帧同步的方案。第四节描述了HBC收发器的实现设计及其基本工作机制。结论见第5节。2. HBC系统模型与信道分析2.1. 数字传输图图1示出了电容耦合HBC的通道模型。电容耦合在Tx和Rx的两侧使用信号电极来发送和接收信号，并使用浮动接地电极。来自Tx的感应信号产生电势，其中接地电极耦合到大地。Rx通过检测电场的变化来识别发射的信道特性受人体和环境的姿势差异影响，表现为大地和返回路径之间的电导变化[4，22]。如果信道模型被认为是来自Tx和Rx，它可以简化为一个信道滤波器，由通过空气和身体的有效路径组成[8]。WBAN的信道模型文档根据Tx和Rx的地平面大小以及Tx和Rx之间的距离将信道滤波器表示为脉冲响应[8]。信道路径损耗增加地平面的大小和Tx和Rx分别变得更小和更远。从各种电子设备产生的电磁波的干扰信号通过吸收而充当信道噪声182T. Kang等人/ICT Express 2（2016）180--图二. 人体通道脉冲响应的测量装置。由于人体的天线效应[26，27]。在[8]中，信道噪声被示出为具有高斯分布。考虑到线性离散时间信道，数字传输中的接收信号可以表示为100-1i=0时图三. FSDT变送器框图。[10，11，13]。通过对脉冲响应的测量，得到了与时延特性相关的信道参数，如平均时延、均方根时延扩展和相干带宽分析基于根据Tx和Rx之间的距离的路径损耗的测量，并根据频率，人体信道被解释为[11]中的电路模型和[13]中由近场和远场组成的电场方程。测量设置和基于信道干扰测量数据的分析见[28]。有效干扰源的输入阻抗的等效电路模型的测量数据进行补偿后，其中y是输出信号，m是0， 1的二进制输入，n是白高斯信道噪声，h是人体信道的具有L个多径项的因果系统的脉冲响应。2.2. 信道测量图2示出了用于测量人体通道的脉冲响应的测量设置[9，14]。发生器模块产生短脉冲，其幅度响应是在脉冲宽度的倒数的频率处与第一零幅度交叉的sinc函数。脉冲宽度应足够窄，以覆盖信道响应的最大期望通过人体的发射脉冲信号和接收信号由发射触发信号同时测量，测量延迟特性的光缆。探针通过平衡-不平衡转换器[10，11]连接到测量设备，或者通过使用差分探头[9，14]而不是无源探头来隔离Rx模块和设备之间的接地。如果实验仅对路径损耗感兴趣，则Tx发送包含待测量的单个频率的信号，然后Rx测量接收信号的幅度或功率因此，通过去除与测量接收到的脉冲信号的时间延迟所需的光信号相关的设备，简化了实验设置2.3. 渠道模型表1总结了最近发表的论文中的通道分析。测量数据可以分为两个主题，脉冲响应[9，12，14]和路径人体的此外，它还显示了模拟的比特误差-根据干扰信号的功率，系统性能（BER）下降。3. 数据传输和帧同步3.1. 数字数据传输根据数字传输的特性，中心频率fc由工作时钟频率fop的一半确定，并且如果符号码的长度固定，则数据速率随着fop的增加而线性增加。表2给出了基于数字传输的最新数据传输方案在传输方案、最大数据速率fc和3 dB带宽（根据传输频谱掩模（ TSM））方面的比较FSDT在用于WBAN的IEEE标准802.15.6中被标准化为HBC Tx [3]。图3显 示 了 FSDT 发 射 机 的 框 图 ， 最 大 数 据 速 率 为 1.3125Mbps，fop为42 MHz [3]。FSDT的中心频率考虑到WBAN的频率分配规则，确定为21 MHz [29]。信息位进入串行到并行（S2P）块以产生4位并行信号。4比特信号被映射到16码片WC之一，并且在频率选择性（FS）扩展器中通过使用[0 1]重复码的频移码（FSC）来定义为符号码的扩展满足TSM要求[3]。基于来自FSDT Tx [3]的基本结构，多级基带编码通过将两个WC组合成三级信号来增加最大数据速率[17]。直接WC映射[18]和使用没有WC的FSC的直接扩展[19]简化了yk=hi mk−i+nk（1）T. Kang等人/ICT Express 2（2016）180183=表1渠道建模概述。工作分析参数频率（MHz）分析内容[8]脉冲响应的建模5以及Tx和Rx[9]脉冲响应的相关函数和均方根延迟0[10]路径损耗0.1[11]电容和路径损耗1电容，Tx和Rx电极之间的电容，-信号路径的增益，[12]脉冲响应的路径损耗和时延特性5[13]电场方程和路径损耗0.1-- 根据Tx和Rx之间的距离以及根据频率的[14]脉冲响应的路径损耗、时间延迟特性和脉冲响应10-表2HBC的数字传输方案工作发射方案最大数据速率（Mbps）频率（MHz）3 dB带宽（MHz）[3]第一章FSDT1.31252118.375-23.625[十五]多路摊铺机3.93752115.75-26.25[16个]多路摊铺机2.29692118.375-23.625[17个]多级基带编码6080N.A.[18个国家]直接沃尔什码映射2168–22[19个]使用FSC的1.31252120.34375-21.65625N.A. =无数据通过排除使用FSC的扩展处理和使用WC的查找表的S2P处理来实现Tx结构分别设置。图4示出了采用最大数据速率为3.9375Mbps的多扩频器使用42MHz的fop并行布置的三个WC集合将输入位的最大数量增加到12 [15]，并且这些位被划分为对应WC集合的三位组代码组合器[16]如下将来自每个WC集合的WC1、WC2和WC3SBS=（ WC1和WC2）或（WC1和WC3）或（WC2和WC3），（2）其等效于二进制全加器的进位输出在Rx中，可以通过在AFE中联合使用比较器和时钟和数据恢复（CDR）来将接收信号确定为硬判决二进制值[17，18]。假设完美的帧同步，当接收到的信号来自使用单个WC集的Tx时，例如在[3，17-见图4。多扩频器数字传输框图C.满意Cargmind（c，z）（ 3）c∈ S其中，S表示符号码的集合，d（）是两个矢量之间的HD，并且z是硬判决接收信号的码矢量。在[3，17，18]中，S是WC的对应子集，而[19]中的S为了检测来自具有图4所示的多扩频器结构的Tx的接收信号[15，16]，ML检测器被修改为计算解码的信号之间的HD。184T. Kang等人/ICT Express 2（2016）180ˆ==表3Preamble结构的比较。工作长度（chips）[3] 2048 [64位Gold码×4次重复] × 8位FSC扩频[17]128 [32位M序列] × 4位WC扩频[18]256 [128位M序列] ×曼彻斯特码扩频[19]2048 [64位M序列×3次重复+64位不同M序列]×8位FSC扩频信号的硬判决比特流和所有的符号检测算法利用前导结构，组成从每个WC集编码;它发现候选向量满足吉吉三个相同的连续子前导码，后面跟着不同的最后子前导码。ciarg mind（ci，z）（4）ci∈Si其中i为1、 2和3，并且Si表示来自对应WCi的符号-代码矢量的每个子集。然后，每个ci被解映射到对应的第i对于第i个WC集合中的每一个的独立HD计算导致HD计算的数量随着数据速率的增加而线性增加。3.2. 帧同步表3列出了最近提出的基于数字传输的HBC的前导码结构。前导信号的PSD的带宽和形状应当与发送数据信号的相同，以避免Tx滤波器造成的信号失真，Tx滤波器被设计为与数据信号的频率响应相前导信号的中心频率和带宽可以通过使用FSC扩展宽带随机码（诸如黄金码或M序列）来移位，并且通过随机码和FSC之间的长度比来调整[19]。然而，扩展过程产生邻近期望点的自相关值的附加峰值。在[3，19]中应用的相同短子码的重复可以获得重复分集增益，但是它减小了期望点的第一最高峰和第二最高峰之间的相关差的裕度。为了克服这些性能上的折衷关系，需要依赖于前导码结构的检测算法。最佳ML检测是不可行的，由于其相当大的复杂性。计算并存储每个码片索引的自相关值，以搜索最大相关值的码片索引，其中相关性计算为D−1i=0时4. HBC收发器4.1. HBC收发器实现由于使用人体的Tx和Rx之间的通信信道不同于有线或无线通信信道，因此需要专门的实现技术来实现成功的通信。已经有几项致力于人体通信的实施工作[7，18，20]。虽然每个报告都显示了自己的显着性能，并与其他作品相比具有优势或劣势，但我们在本节中选择了其中的两个实现 图图5示出了HBC收发器的两种不同实现的简化框图。第一种实现是自适应跳频FSK HBC收发器，第二种是使用数字传输的HBC收发器[18，20]。在[20]中，将跳频技术引入HBC以减轻时间和空间变化的信道损耗。根据[21]，30-120 MHz频段表现出最高的性能，尽管仍有几个商用频段，如无绳电话、FM收音机和对讲机。通过使用跳频技术，收发信机连续地检查哪个频带是干净的并且在30-120 MHz频带中具有来自环境噪声的低干扰，然后使用所选择的信道用于使用FSK技术的数据传输。如图5（a）所示，对于基带信号的FSK调制的跳频技术，需要这些RF模块包括FSK调制器、混频器和LNA。这些需要额外的功耗和管芯面积。与[20]中使用RF块进行跳频FSK调制的设计不同，数字传输不需要任何RF块，从而简化了如图5（b）所示的Tx和Rx结构。数字传输的离散元件实现是预.其中，M（ k）是时延的第k个码片索引处的相关值，z是硬判决接收信号，P是长度为D的前导码。交替阈值检测通过使用阈值来降低计算复杂度。它检测高于阈值的M（ k）作为期望点的码片索引[30]。阈值检测结合ML检测[19]与[30]相比提高了检测精度，并提出了在[18]中发出，其中收发器对于数字传输，包括AFE块，在基带域中操作。HBC收发器使用FS扩展器和解扩展器来获取接收信号的处理增益，而不是在Tx中使用FSK调制器和在本节的其余部分讨论了数字传输的实现及其在简单实现方面优于其他方案的优点。M（ k）Pi zk+i（5）T. Kang等人/ICT Express 2（2016）180185×图五.（a）自适应跳频FSK HBC收发器的简化框图，（b）具有数字传输的HBC收发器。4.2. HBC数字传输收发器的总体结构图6示出了使用数字传输的收发器的整体框图[18]。这是上一节中提出的数字传输的其他实现[3，15-收发器主要由HBC Tx、HBC Rx和AFE组成。对于全双工通信，在该实现中采用时分双工（TDD），其中Tx或Rx在它们自己分配的时隙期间操作以共享人体的公共Tx EN信号通过启用或禁用Tx驱动器和AFE来控制发送和接收时隙。在Tx中存在若干数字构建块，其包括用于TDD通信的发送数据帧。发送数据帧主要由报头、前导码和基带数据组成。由于在基带域中执行具有数字传输的HBC收发器中的数据传输，因此不需要诸如FSK调制器的调制块为了增加对发送数据的处理增益，在数据加扰器之后实现FS扩展器块。FS-吊具的详细结构如图6所示。来自基带块的原始数据由1- 4S 2 P块并行化，用于将输入的4比特码映射到16个WC集合中的特定64码片宽度的WC。如图6中的查找表所示，4比特符号直接映射到64码片WC。因此，如果基带数据的原始比特率为NMbps，则Tx驱动器处的码片速率为N16 Mcps。当TX EN为“高”时，发射数字信号直接传送到电极。尽管在图6中仅描绘了表2中的直接WC映射，但是可以通过简单地添加用于FSC的扩展器来实现使用FSC的FS扩展器[3]。类似地，如果代码组合器[16]被添加在三个并行见图6。具有FSDT和频率选择性扩展器的HBC收发器的总体框图。WC，也可以实现具有多扩频器的FSDT发射机。在HBC Rx中，还存在若干数字构建块和AFE以成功地恢复来自Tx的传输数据。 在恢复数据和时钟信号之后，在 AFE 中 ， 使 用 Rx 输 入 FIFO 、 报 头 循 环 冗 余 校 验（CRC）和报头处理器对发送的帧进行解封装。由于在HBC Tx处使用FS扩展器来扩展所发送的数据，因此所接收的数据被递送到FS解扩器和并行到串行（P2S）以解码扩展数据。与Tx的查找表相同的查找表用于正确的解扩。根据Tx中的FS扩展器的变化，例如添加使用FSC [3]或多扩展方案[15，16]的扩展器，在Rx中也配备相应的对应物。在解扰器和数据CRC之后，来自HBC Tx的原始基带数据被恢复。收发器仅在基带域中工作;它不需要RF组件。因此，它有足够的空间来实现较低的功耗和较小的管芯占用面积，并且对其他制造工艺的设计迁移的负担较小。4.3. HBC数字传输图7示出了使用数字传输的HBC收发器的AFE和CDR的详细框图。AFE的主要工作是恢复传输的数字数据和时钟。由于Rx使用通常具有与Tx的频率略微不同的频率的独立时钟源，因此Rx连续地提取并跟踪时钟信息186T. Kang等人/ICT Express 2（2016）180见图7。 HBC AFE和CDR的框图。用于连续数字块的数据处理。AFE主要由低频噪声去耦器、可变增益放大器（VGA）、使用运算放大器的有源滤波器、比较器（COMP）和CDR组成。为了放大接收到的小信号并将信号电平恢复到CDR输入的逻辑电平，使用VGA和COMP。低频噪声去耦合器阻断来自AC电源线或荧光灯的低频噪声。这些频率的振幅可以是几十伏。由于人体对环境噪声的天线效应[27]，这些低频和高振幅噪声会导致模拟放大器输入端的信号饱和。 位于VGA之后的带通滤波器有效地滤除残留的环境噪声，并提取具有与发送信号相同的基频的信号分量由于信号的基频由WC集确定在此设计中，使用具有平坦群延迟的贝塞尔滤波器来保持接收波的形状，以最小化由群延迟失配引起的抖动代替通过级联低通滤波器和高通滤波器来实现带通滤波器，仅使用OP-AMP实现具有8 MHz截止频率的四阶有源高通通过选择具有适当高频截止带宽的运算放大器和控制COMP的输入迟滞电平，可以有效地消除高频分量。CDR向Tx和Rx提供时钟信号在发射模式时，Tx EN是在接收模式下，当Tx EN为当时钟滞后于CDR IN时，VCTRL增加，使时钟相位快于当前相位。当时钟超前于CDR IN时，VCTRL降低，将时钟相位拉至比当前相位慢利用这种机制，时钟信息被有效地提取，并且接收机连续地跟踪接收信号的相位。5. 结论HBC使用人体作为传输通道，提供直观和简单的连接，无需复杂的布线或用于RF信号的额外天线。虽然HBC具有被采用为用于WBAN应用（诸如身体上的传感器网络设备）的领先通信方法的巨大潜力，但是应该先前执行关于性能增强以确保通信稳定性的研究，而不管由于不同身体姿势和环境引起的信道变化，以及低复杂度实现。在用于实现HBC系统的各种方法中，对于高数据速率和长距离传输，电容耦合在高频带中实现比电流耦合更好的性能此外，数字传输是HBC的定制传输方法，它降低了实现复杂度，而无需使用ADC、DAC或RF相关模块。本文从信道建模、数据传输和帧同步方法以及HBC收发器的实现方法等确认这项工作得到了韩国科学、信息通信技术和未来规划部的“跨部门千兆韩国项目”资助引用[1] M. Abolhasan，J. 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