摘要:感測器訊號人體通訊機理研究是通過生理感測器作為被測人體的生理資訊採集節點，以人體體表作為感測器輸出訊號的傳輸媒質，進行人體資訊監測的一種新型的技術手段及方法。通過對人體通道特性、訊號耦合方法的深入研究，設計了合理的感測器訊號處理鏈路、訊號調製方法，並通過試驗驗證了感測器訊號人體通訊的可行性。
關鍵詞:人體通訊;感測器;訊號鏈
0引言
以感測器獲取人體的生理資訊正被廣泛地應用於健康監測、醫療診斷、健身娛樂、單兵作戰等領域。目前，研究的熱點之一是將人體本身作為生理資訊的傳輸媒質來實現生理感測器輸出訊號的傳輸。要完成生理資訊的實時監測，實現從訊號採集、資料傳輸到資訊識別與提取的整個訊號迴路的閉合，就需要通過感測器技術、訊號處理技術、微功耗技術、通訊技術作為其技術支撐與保障。如何將這些技術有機地結合起來，應用於人體通訊感測器訊號的採集、傳輸與識別，實現生理訊號的實時監測正是本文的主要研究內容。通過建立以生理感測器為測試節點，以人體本身作為各點訊號與接收機之間的傳輸媒質，建立起基於人體通訊的人體資訊的實時監測系統。影響感測器訊號人體通訊的主要引數包括訊號耦合方式、訊號電壓、訊號電流、載波頻率、編碼方式、傳輸速率等引數特徵。下文將對這些因素對感測器訊號人體通訊的影響進行詳細研究和分析。
1通訊通道特性
1．1人體通道電磁特性
人體組織和其他導電介質一樣都遵循電磁波傳輸理論，當在人體載入電場時，電磁場在人體內部有一定的趨膚深度，人體組織可看作電導率很小的介質，其趨膚深度為［1－2］:δ=2σ槡εμ(1)式中:σ是電導率，ε是相對介電常數，μ是磁導率，由於人體組織是非磁性材料，因此這裡的磁導率為真空磁導率1。當σ/ωε1時，人體組織可看作電導率很大的介質，其趨膚深度為:δ=ε槡πμσf(2)式中:f是外加電磁場頻率。為了減小感測器訊號通過人體進行訊號傳輸時對人體內部組織的影響，應有效利用趨膚效應，使感測器訊號沿人體體表進行傳輸。
1．2人體通道安全性要求
在考慮採用人體作為訊號傳輸通道的場合，需要考慮其所能承受的安全電流等相關特性。外露於電、磁時變效應的安全限制，基於建立的健康效應的電磁場(EMF)參見國際委員會的電離輻射防護(ICNIＲP)。如圖1所示，根據頻率的領域，物理量用來指定外露在EMF的基本限制如下:頻率範圍1Hz～10MHz的電流密度(J);指定頻率範圍100kHz～10GHz的能量吸收率(SAＲ);頻率範圍10～300GHz的功率密度(S)。在設計基於人體通訊的生理感測器時，考慮到其低發射功率、低能耗、長期使用的要求。選擇了1kHz～10MHz作為訊號的傳輸頻段，並根據該頻段對電流密度的要求，結合表1將感測器輸出訊號的電流控制在如表所示的頻率範圍與之對應的電流範圍以內。
2感測器訊號人體耦合方法及對比
基於本文第一部分對以人體作為通訊通道的通道特性的分析後，要想穩定可靠地完成感測器訊號在人體通道中的`傳輸，需要選擇合理的訊號耦合方式。同無線通訊通過空氣進行資料傳輸不同，人體通訊通道是電磁特性複雜的人體組織結構。如何採取有效方式將訊號耦合，進人體通道並實現訊號在人體通道中的高效傳輸是實現人體通訊最為關鍵的問題。目前主要認為人體通訊系統通過三種方式將訊號耦合到人體通道:電流耦合、電容耦合、天線耦合［3－4］。電流耦合將人體當作導體，需要從人體接導線引出訊號，不適於高頻傳輸;電容耦合即通過靜電場耦合，不需要導線，卻易受外界環境的干擾;天線耦合即通過電磁波耦合，利用波導效應將電磁訊號耦合到人體，利用人體完成電磁訊號的傳導。根據生理訊號感測器輸出訊號具有低發射功率、低能耗、長期使用的特點，選擇電場耦合作為感測器輸出訊號的耦合方式。
3感測訊號處理方法
3．1感測器訊號鏈路設計
3．1．1發射訊號鏈路
感測器節點作為感測器訊號的發射端，通過將採集到的具有生理資訊的模擬訊號進行數字調製的方式將其載入到用於人體通訊的載波訊號中。訊號發射過程為:將採集到的微弱的生理電訊號進行放大，經過濾波濾除噪聲分量，將原始的模擬訊號轉換為方波形式的數字訊號，對得到的數字訊號進行訊號編碼，將編碼後的數字訊號調製到指定頻率的正弦波交流載波頻段，對調製後的訊號進行功率放大並進行傳送。
3．1．2接收訊號鏈路
採用多點感測器發射訊號、一點接收機接收訊號的模式，通過佩戴在手腕或腰部的訊號接收機，對多人體通訊載波中的多路感測器訊號進行識別和處理。接收機訊號接收過程為:先通過帶通濾波器得到全部感測器所發射的有用訊號，通過取樣電路將通過電流耦合進接收機的人體通訊訊號轉化為電壓訊號，通過低通濾波去掉訊號中的載波分量，通過帶通濾波得到指定感測器發射的訊號，對該訊號進行低噪聲放大，然後進行訊號整形去除尖峰脈衝等干擾，最終通過與編碼對應的解碼方式對訊號進行解碼還原出原始的生理電資訊。
3．2感測器微功耗設計
由於採用的是基於mA級電流傳輸的正弦波交流訊號作為人體通訊載波訊號，則可將載波訊號本身作為感測器供電能量的來源，根據電磁耦合的基本原理，將載波訊號中攜帶的電能耦合到感測器電路中實現通過載波為生理感測器進行供電的功能。因此可以簡化感測器電路，減小感測器功耗，減小感測器的體積，降低感測器的成本，保證生理感測器可以長期穩定有效的進行工作。
3．3多訊號調製解調方法
由於所建立的人體生理資訊監測系統，對位於身體不同部位的多個生理引數進行資訊採集，所以輸出感測訊號的調製解調方式適應同時對多點測量資訊實現收發的功能。採用頻分複用的方法將多感測器節點輸出的訊號載入到用於人體通訊的載波訊號上。
4實驗資料及分析
以訊號發生器在指定頻率點產生峰峰值為3．3V的正弦波波訊號時不同頻率下訊號的衰減程度隨著頻率的增高，其訊號衰減程度也逐漸升高。但作為其接收值幾百mV的電壓值，相對於接收端電路仍是一個相對較大的可以識別並便於訊號處理的電壓值。當訊號的調製頻率過高時，訊號向人體體表以外的空間進行輻射。但訊號頻率過低時，其訊號波長將逐步增加，導致訊號並非沿體表傳輸而是在體內進行傳輸。所以需要權衡以上因素，選擇100kHz、200kHz兩個頻率作為編碼後的資料訊號的調製頻率。
5結論
感測訊號人體通訊技術是一項全新生理狀態監測技術，其以生理感測器為資訊採集節點，以人體作為訊號傳輸媒質，實現快速的資料交換。目前，隨著可穿戴智慧裝置的大力發展，以人體作為訊號傳輸媒質的訊號傳輸方式有了更廣泛的應用空間和更大的商業價值。以人體作為感測器訊號通訊介質，與其他無線體域網訊號傳輸方式相比，有效地避免了通過無線電波輻射進行訊號傳輸時，對周圍無線電環境產生的干擾;同時也抑制了環境噪聲對感測器訊號傳輸產生的影響。在一些對電磁環境有特殊要求的應用場合，該技術體現出其獨有的價值。
參考文獻:
［1］呂英華．計算電磁學的數值方法［M］．北京:清華大學出版社，2006．
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