可穿戴式无线体域网用UWB健康监护与遥测系统芯片研究

Tranditional wireless communication systems are difficult to meet the requirements of miniaturization,low power and high-data rate at health monitoring system for portable and remote telemetry applications. Ultra wideband(UWB) technology has the advantages of low-power, high-data rate and the immunity to multi-path fading and spectrum-compatible with other communication systems.This subject intends to study a UWB health monitoring and telemetry system for wearable wireless body area network(WBAN) application.A new UWB communication system for wearable WBAN application will be established by channel modeling and system design. Then the system will be integrated into a chip using CMOS technology..(1)Research of near-field propagation and attenuation characteristics of UWB WBAN signal on human body will be fulfilled. A UWB wireless communications channel model suitable for WBAN will be established..(2)Sensor signal processing,UWB WBAN communication system transceiver structure and integration circuit theory will be researched.It will meet the detect requirements of the weak physiological signals of human body as well as the requirements of wireless health monitoring and telemetry system for multiple access, low power, high data rate application. .(3) The wearable health monitoring and telemetry systems will be integrated and implemented in CMOS chip by Fabless MPW.The performance of UWB communication chip will be measured and discussed at WBAN which have frequency-dependent dielectric characteristics and multi-path transmission.

在实现健康监护系统的便携化与远程化时，传统的无线通信方式难以满足其微型化、低功耗与高速率等要求。超宽带(UWB)通信在与其他现有通信共享频谱的同时具有低功耗高速率以及抗多径干扰的优点。本项目拟研究应用于无线体域网的UWB健康监护与遥测系统，通过信道建模与系统设计，建立一种新的可穿戴式无线体域网用UWB通信体制，并采用CMOS工艺将系统集成到芯片中。（1）研究人体可穿戴式体域网UWB信号的近场传播和衰减特性，建立适合于无线体域网的UWB无线通信信道模型；（2）研究传感信号的处理与适合于可穿戴式体域网用UWB通信系统的收发信机结构及其集成电路理论，满足微弱人体生理信号的检测要求以及多址、低功耗、高速率的无线监测系统的要求。（3）采用Fabless MPW方法，利用CMOS芯片来实现可穿戴式健康监护与遥测系统，考察在具有频变介质特性与多径效应的无线体域网中系统芯片的各项性能。

可穿戴式健康监护与遥测系统用以监测诸如心电、体温、呼吸等人体重要的生理信号，并将这些信号通过无线方式进行发射与接收，即以人体为中心的无线体域网(WBAN)。传统的无线通信信道媒介与WBAN并不相同，其模型也难以适合WBAN，而且也不能满足可穿戴式系统长时间实时监控时所要求的微型化、低功耗、低辐射与高速率等。项目立足于生物医学工程与微电子技术这一交叉学科，利用UWB通信在与其他现有通信共享频谱的同时具有低功耗高速率及抗多径干扰等优点，在信道分析的基础上建立了适合于可穿戴式设备的新的UWB无线通信系统模型，在系统模型的指导下研究适合的医学信号处理模块与UWB射频收发信机，并采用0.18um CMOS工艺研发出了一系列半导体芯片。第一，研究了可穿戴式体域网中UWB无线通信信道，建立了可穿戴式无线通信信道的模型并对其冲激响应、功率延迟分布、误码率和路径损耗等重要性能指标进行了研究。并利用所建立的改进型幂律函数信道模型研究了人体通信的平均功率密度和比吸收率等，证明了UWB人体无线通信是可行的和安全的。第二，针对可穿戴式UWB WBAN射频收发系统的小型化和便携式等要求，提出和测试成功了一种新颖的具有两块非对称接地面结构的紧凑型UWB天线；研究了UWB射频信号的产生与接收方法，提出了一种多用户环境下去多址干扰的TH-PPM UWB数字接收机及方法。第三，研究了适合于可穿戴式生物医学系统的IR-UWB发射机和接收机架构及其电路，并对所提出的一系列电路进行了流片测试验证。第四，针对可穿戴式WBAN健康监护信号所具有的低幅度、超低频率、低信噪比等特点，首先进行了构架研究，设计制作了无线远程多用户心电监护PCB板级系统；并在此基础上提出了一系列适合生物医学信号处理的模拟前端芯片，如差分差值斩波前置放大器、高线性范围低带内衰减nA级低功耗OTA-C滤波器、全差分低谐波失真可变增益放大器等，并进行了流片测试验证。第五，针对可穿戴式WBAN健康监护系统的能量管理和模数转换的需要，设计了相关的芯片并进行了仿真与流片测试验证。