作者：張林華 中國科學技術大學

應用領域：射頻(RF)、信號采集與發生、嵌入式係統
 
挑戰：rentitongxinshimuqianganggangxingqibingyoubieyuchuantongwuxiantongxinheyouxiantongxindexintongxinjishu，tazuidadequbiezaiyuyirentizuzhizuoweishujuchuanshujiezhi
，bingshixianshujudekekaochuanshu。erjiyurentitongxindejidaixitongshejizhengshiweishixiangaimudedeyouxiaoshouduan，youyujidaichuliqishejixindaobianjiemahetiaozhijietiaoxiangguanjishu，erruhequedingmouzhongbianjiemayutiaozhijietiaoshiderentitongxinfahuizuijiaxiaoguozeshibenshejidezuizhongmude。
 
應用方案：該設計打破傳統的測試方案
，在傳統的基帶測試方案中大多采用 Agilent或者 Rohde & Schwarz等公司的矢量信號發生器及矢量信號分析儀進行基帶的信號發生和信號接收，並做出相關的分析；而采用 NI公司的 PXI 係列的矢量信號發生器及變頻器和數字化器進行信號發生與接收
，關鍵是借助 LabVIEW 軟件及 NI PXI 實(shi)現(xian)客(ke)戶(hu)定(ding)製(zhi)的(de)基(ji)帶(dai)信(xin)號(hao)
，完(wan)全(quan)可(ke)以(yi)由(you)客(ke)戶(hu)自(zi)己(ji)設(she)定(ding)編(bian)解(jie)碼(ma)與(yu)調(tiao)製(zhi)解(jie)調(tiao)方(fang)案(an)，不(bu)同(tong)的(de)組(zu)合(he)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)效(xiao)果(guo)不(bu)同(tong)。這(zhe)樣(yang)就(jiu)可(ke)以(yi)從(cong)中(zhong)找(zhao)到(dao)最(zui)佳(jia)適(shi)合(he)人(ren)體(ti)通(tong)信(xin)的(de)基(ji)帶(dai)係(xi)統(tong)，為(wei)人(ren)體(ti)通(tong)信(xin)的(de)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)達(da)到(dao)有(you)效(xiao)可(ke)靠(kao)。
 
使用的產品：
NI LabVIEW2009
調製工具包
NI PXI-5421任意信號發生器
NI PXI-5610上變頻
NI PXI-5600下變頻
NI PXI-5620數字化器
PXIe-5630 矢量網絡分析儀

介紹：
    人ren體ti通tong信xin是shi指zhi利li用yong人ren體ti組zu織zhi作zuo為wei數shu據ju傳chuan輸shu的de媒mei介jie和he通tong道dao，實shi現xian數shu據ju傳chuan輸shu的de有you效xiao技ji術shu。其qi相xiang對dui於yu傳chuan統tong的de傳chuan輸shu方fang式shi最zui大da的de區qu別bie在zai於yu傳chuan輸shu媒mei介jie的de不bu同tong，無wu線xian傳chuan輸shu大da多duo采cai用yong空kong氣qi或huo者zhe光guang作zuo為wei傳chuan輸shu介jie質zhi，而er有you線xian傳chuan輸shu更geng為wei明ming顯xian，通tong常chang采cai用yong導dao線xian將jiang設she備bei進jin行xing互hu聯lian實shi現xian通tong信xin。人ren體ti通tong信xin的de概gai念nian最zui早zao源yuan於yu美mei國guo麻ma省sheng理li工gong學xue院yuan（MIT）的T.G.Zimmerman在1996年發表的一篇論文[1]，內容是將人體作為可佩帶計算設備之間新的連接手段。
    由you於yu人ren體ti通tong信xin技ji術shu的de新xin穎ying性xing及ji其qi應ying用yong前qian景jing大da
，逐zhu漸jian受shou到dao各ge商shang家jia及ji單dan位wei的de重zhong視shi。無wu論lun在zai醫yi療liao還hai是shi在zai運yun動dong健jian康kang以yi及ji娛yu樂le方fang麵mian都dou有you著zhe其qi廣guang泛fan的de應ying用yong。在zai醫yi療liao方fang麵mian，比bi如ru有you醫yi院yuan給gei病bing人ren安an裝zhuang的de遠yuan程cheng血xue壓ya或huo者zhe心xin髒zang檢jian測ce器qi等deng，將jiang人ren體ti生sheng理li信xin號hao的de采cai集ji，傳chuan輸shu到dao醫yi療liao機ji構gou實shi現xian遠yuan程cheng醫yi療liao；在運動健康方麵，比如隨身攜帶的手表、手機
、傳感器等作為信元采集人體信息，識別人體的狀態，提示用戶運動的有效狀況及相關信息；zaiyuleshenghuofangmianyingyong，birudianziqianbao，zaichaoshigoumaidongxizhiyaoyongshoujiechuxiangguanchuanganqijiunengcongyonghudedianziqianbaokouchufeiyong，haiyoujiherentixinxideshujucaijiheyuqitashebeidetongxin，jiukeyiduigerenshenfenjinxingrenzhengdengdeng。kejianqiyingyongqianjingxiangdangkejia。rentitongxinheyibandedianhuahuowuxiantongxinbutong，buhuichanshengchuanxianhedaotingdexianxiang，jianglairenmentongguomenbashou、各種開關、zhuoyidengyenengchuanshutongxinxinhao，rentitongxinjishujianggeirenmendeshenghuodailaigengduodebianli。guoneiwaiyijingkaishiduirentitongxinjishulilunyouleyidingdeshenru。guowaiyouhaoxiejigoukaishizhefangbiandeyanjiu，yiribenhanguodengyanjiuxiangduiqianwei
，erguoneiqibubijiaowan
，yinciyirentitongxindejidaixitongdeshejijuyoujiaodadeyingxiang。rutu1為人體通信區域網絡。

圖1 人體通信區域網絡 

    為獲得人體通信信道在頻域和時域上的特性，分別搭建實驗驗證平台
，如圖2所(suo)示(shi)。該(gai)平(ping)台(tai)的(de)主(zhu)要(yao)功(gong)能(neng)是(shi)為(wei)了(le)對(dui)人(ren)體(ti)通(tong)信(xin)的(de)信(xin)道(dao)特(te)性(xing)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)
，左(zuo)圖(tu)顯(xian)示(shi)了(le)在(zai)頻(pin)域(yu)上(shang)的(de)測(ce)試(shi)人(ren)體(ti)通(tong)信(xin)新(xin)到(dao)特(te)性(xing)的(de)方(fang)案(an)，右(you)圖(tu)顯(xian)示(shi)了(le)在(zai)時(shi)域(yu)上(shang)測(ce)試(shi)人(ren)體(ti)通(tong)信(xin)信(xin)道(dao)特(te)性(xing)的(de)方(fang)法(fa)。兩(liang)種(zhong)測(ce)試(shi)方(fang)案(an)目(mu)的(de)不(bu)同(tong)，因(yin)此(ci)測(ce)試(shi)原(yuan)理(li)也(ye)不(bu)同(tong)。

圖2 測試信道特性平台 

    根據圖2左圖可知

，為驗證人體通信信道的頻域特性，采用PXIe-5630 矢量網絡分析儀搭建測試平台。我們對多樣本實驗數據進行彙總繪圖S21參數曲線如下：

圖4 不同測試個體在同一頻段S21曲線 

    從上圖3和圖4實(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)可(ke)知(zhi)，在(zai)同(tong)一(yi)頻(pin)段(duan)下(xia)，不(bu)同(tong)測(ce)試(shi)距(ju)離(li)對(dui)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)產(chan)生(sheng)不(bu)同(tong)的(de)衰(shuai)減(jian)程(cheng)度(du)。隨(sui)著(zhe)距(ju)離(li)增(zeng)大(da)
，經(jing)過(guo)人(ren)體(ti)傳(chuan)輸(shu)後(hou)信(xin)號(hao)衰(shuai)減(jian)也(ye)加(jia)大(da)。而(er)在(zai)頻(pin)段(duan)20MHz至30MHz衰減相對小些，這說明在該頻段人體通信信號傳輸效果最好，最合適人體通信信道的傳輸。在10個測試樣本中，每個人的體重身高也不相同

，但是從測試曲線可知，體重偏大（偏胖類型）的個體在信號傳輸過程中衰減值相對體重輕些的個體要大些。但從整體上看，雖然個體差異性比較大，但是S21曲線的大致形狀並未改變
，並且在10MHz至30MHzzhegepinduanshuaijianxiangduipingwen。zheshuomingrentitongxinjuyougongxing，bingbuhuiyinweigetidechayierdaozhixinhaochuanshuxiaoguozaochenghendadebutong。conggetichayixinghechuanshujulisuohuodeshujuzonghekezhi


，zaipinduan20MHz至30MHz時人體通信信號傳輸效果最佳。
    再zai者zhe根gen據ju人ren體ti信xin道dao在zai頻pin域yu上shang的de特te性xing，選xuan擇ze最zui佳jia頻pin段duan進jin行xing驗yan證zheng人ren體ti信xin道dao時shi域yu上shang的de特te性xing。在zai研yan究jiu人ren體ti通tong信xin其qi信xin道dao時shi域yu特te性xing時shi，主zhu要yao針zhen對dui調tiao製zhi解jie調tiao和he信xin道dao編bian碼ma實shi驗yan
，搭da建jian過guo兩liang種zhong實shi驗yan平ping台tai：一種是基於Agilen或者Rohde & Schwarz等公司的信號發射器及信號分析儀搭建平台來驗證數據；二種是基於NI公司的LabVIEW和PXI係列的矢量信號發生器及變頻器和數字化器進行信號發生與接收

，借助LabVIEWruanjianshixiankehudingzhidejidaixinhao。youyuwomenzairentixindaoshiyutexingshangdecanshubijiaokeke，diyizhongfanganyouyuyiqibenshentexingwufamanzushiyansuoxudeshezhi，biruwufaxuanzexindaobianjiemayijiyouxiandetiaozhijietiaofangfadengdeng，zhexieyinsujuedinglexuanzedierzhongshiyanfangan。
    根據圖2右圖可知
，本次人體信道時域特性驗證平台是基於NI公司的PXI係列的產品[2]，主要有PXI-5421
、PXI-5620、PXI-5610、PXI-5600。通過這些設備采用NI LabVIEW和NI PXI搭建出輸入輸出的基帶組件，其中PXI-5421、PXI-5620分別是100 MS/s的16位任意波形發生器、64 MS/s的14位頻域數字化儀。PXI-5421和PXI-5620是通信應用的理想選擇，因為它們結合高分辨率和大容量存儲，能夠方便地生成持續精準的非周期性波形及對其進行數字化。此外，NI 公司的PXI-5610和PXI  -  5600模塊別分對應上變頻和下變頻，可以產生高達2.7千qian兆zhao赫he基ji帶dai信xin號hao頻pin率lv。通tong過guo與yu變bian頻pin器qi相xiang結jie合he

，並bing與yu下xia變bian頻pin器qi數shu字zi化hua生sheng成cheng一yi個ge完wan整zheng的de軟ruan件jian定ding義yi的de收shou發fa器qi。為wei前qian麵mian所suo設she計ji的de基ji於yu人ren體ti通tong信xin基ji帶dai係xi統tong進jin行xing全quan麵mian的de設she計ji驗yan證zheng
，從cong而er節jie省sheng寶bao貴gui的de時shi間jian。根gen據ju[2]改進的人體通信基帶係統驗證平台見圖5所示。

圖5改進後的人體通信基帶係統 

    隨著LabVIEW的靈活性
，其包括信號分析、信號處理及可視化工具，可以用軟件精準地模擬在整個無線通信係統。NI LabVIEW的調製工具包
，可以用軟件對編碼和調製進行配置，同時還可以增加直流偏移以及IQ增益不平衡等參數。一旦完成設計，它可以針對硬件設備進行修改，用實驗數據來驗證人體通信的基帶係統。驗證平台實景見圖6所示。圖6 NI PXI 平台實景。

圖6 NI PXI 平台實景

    根據人體通信基帶係統測試平台，我們可以通過LabVIEW[3]選擇不同的調製方式和信道編碼方法
，並通過NI PXI產生所需的信號進行傳輸與處理。這次驗證人體通信基帶係統參數見表1。

結論
    通過上述的人體通信驗證平台
，分別對不同的調製方式及信道編碼進行有效的組合實現基帶數據傳輸

，由於數據相對繁多
，在這裏隻以FSK調製方式來進行說明。

    從圖7可知上變頻采用NI PXI的5672，PN31數據信號來自NI PXI的5442
，中心頻率為20MHz，采用2FSK調製作為發射端設計。圖7為接收端設計，下變頻為NI PXI 5661
，對載頻為20MHz的信號進行2FSK解調
，從而獲得原始數據。圖9為發射端信號圖，兩路信號分別為I和Q信號。圖10為接收端信號分析圖，分別從星座圖、IQ信號等進行分析
，同時在發射端中可以看到BER值的變化，通過不同的調製方式和信道編碼的組合得知哪種組合更合適人體通信。從圖8接收端實驗數據來看
，在載頻為20MHz時
，數據傳輸過程中BER為0，這說明數據傳輸非常可靠，並且結合星座圖和時域數據圖形可知BPSK與BCH編碼組合的數據傳輸，人體通信可獲得可靠高效的傳輸，符號率可達到10Msps。根據不同信道編碼也調製進行組合比較可見
，在低頻時BPSK和BCH信(xin)道(dao)編(bian)碼(ma)更(geng)加(jia)合(he)適(shi)人(ren)體(ti)通(tong)信(xin)
，采(cai)用(yong)該(gai)設(she)計(ji)的(de)人(ren)體(ti)通(tong)信(xin)基(ji)帶(dai)係(xi)統(tong)能(neng)夠(gou)保(bao)證(zheng)數(shu)據(ju)地(di)可(ke)靠(kao)高(gao)效(xiao)傳(chuan)輸(shu)。因(yin)此(ci)該(gai)設(she)計(ji)方(fang)案(an)具(ju)有(you)一(yi)定(ding)的(de)理(li)論(lun)與(yu)實(shi)踐(jian)指(zhi)導(dao)意(yi)義(yi)。
 
參考文獻
[1] T.G.Zimmerman.1995. Personal Area Networks (PAN): Near-Field Intra-Body Communication[R].in Media Art and Science. Master Thesis: Massachusetts Institute of Technology. 
[2] UC Berkeley Develops Communications Lab with NI
Tools.http://zone.ni.com/devzone/cda/pub/p/id/40. 
[3] 胡仁喜.王恒海.齊東明. 2005. LabVIEW8.2.1 虛擬儀器. 機械工業出版社. 2008William Stallings,何軍. 無線通信與網絡. 清華大學出版社.