CN106487426B - 一种电容耦合型人体通信收发器辅助设计***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电容耦合型人体通信收发器辅助设计***及方法，包括上位机模块、数据采集卡、电源、隔离电路模块、人体信道，在所述人体信道的发送端和接收端分别采用单一电极进行传输；发送端与接收端的电极均与人体接触，地电极均处于浮空状态，发送端与接收端之间通过电极在人体表面及周围激发的电场进行信息的传输；电容耦合激发的电场回路由发送端、人体、空气、大地、接收端构成。本发明能为开发人员在产品开发中提供快速原型创建与仿真工作的便捷。

Description

一种电容耦合型人体通信收发器辅助设计***及方法
技术领域
本发明涉及人体通信收发器领域，特别是一种电容耦合型人体通信收发器辅助设计***及方法。
背景技术
现有的人体通信收发器样机主要是基于硬件实物，人体信道虽然存在共性特征，但在真实的人体信道中依然存在着个性化差异，基于硬件的人体通信收发器装置在实现对于不同的人体信道***做参数调整时,存在耗时长，不易达到硬件参数和信道个性化匹配的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种电容耦合型人体通信收发器辅助设计***及方法,能为开发人员在产品开发中提供快速原型创建与仿真工作的便捷。
本发明采用以下方案实现：一种电容耦合型人体通信收发器辅助设计***，包括上位机模块、数据采集卡、电源、隔离电路模块、人体信道；所述上位机模块包括信号调制器、信号解调器、参数设置控件以及数据显示模块，用于对基带发送信号、基带接收信号的调制解调与调理功能的动态参数设置以及显示控制；在所述人体信道的发送端和接收端分别采用单一电极进行传输；发送端与接收端的电极均与人体接触，地电极均处于浮空状态，发送端与接收端之间通过电极在人体表面及周围激发的电场进行信息的传输；电容耦合激发的电场回路由发送端、人体、空气、大地、接收端构成。
进一步地，所述隔离电路模块可包括光耦隔离电路、脉冲变压器隔离电路。
本发明还提供了一种基于上文所述的电容耦合型人体通信收发器辅助设计***的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：在不同场景下，测量人体信道特性，并在上位机模块中显示测量信道特性的内容；其中所述不同场景包括不同频率，不同收发距离、不同的人体部位，不同种类电极；所述人体信道特性包括信道容量与信道增益；
步骤S2：对信号调制器的参数进行设置，产生调制信号并在上位机中进行显示；其中，所述信号调制器的参数包括发送基带序列、载波频率、相位、发送端信号幅度；
步骤S3：上位机模块通过调用数据采集卡的驱动程序将信号写入数据采集卡的输出端；
步骤S4：数据采集卡输出的信号经过隔离电路模块后经电容耦合通过人体周围激发的电场从发送端通过人体信道耦合到接收端；
步骤S5：信号经接收端电极输入到数据采集卡接线盒的模拟输入端，信号再传输到上位机模块进行解调；
步骤S6：根据解调出的基带信号与原基带信号对比，调整所述信号解调器的参数用以恢复发送端电极的基带波形；其中，所述信号解调器的参数包括放大倍数、比较器判决门限、滤波器截止频率；
步骤S7：测量信号传输误码率，微调信号发送端的参数，所述信号发送端的参数包括基带波形参数。
进一步地，所述信道容量的计算方法采用下式：
C＝Blog2(1+SNR)；
其中，B表示信号带宽，SNR表示信噪比。
进一步地，所述信道增益的计算方法采用下式：
Figure BDA0001156838820000031
其中，UReceive是接收信号电压,UTransmit是发送信号电压。
较佳的，所述信道增益的计算方法还可采用下式：
Figure BDA0001156838820000032
其中，PReceiver是接收信号功率,PTransmitter是发送信号功率。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明提出个性化电容耦合型人体通信收发器辅助设计方法，能为开发人员在产品开发中提供快速原型创建与仿真工作的便捷。通过虚拟仪器个性化测量人体信道，并结合信道特性调整虚拟仪器上位机软件人体通信收发器的模块参数来实现人体通信的可靠传输，继而实现人体通信收发器与个性化人体信道的相互匹配，创建最佳的人体通信收发器***模型，达到最佳的人体通信传输效果。
附图说明
图1为本发明实施例的原理框图。
图2为本发明实施例的上位机模块的界面示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例提供了一种电容耦合型人体通信收发器辅助设计***，包括上位机模块、数据采集卡、电源、隔离电路模块、人体信道；所述上位机模块包括信号调制器、信号解调器、参数设置控件以及数据显示模块，用于对基带发送信号、基带接收信号的调制解调与调理功能的动态参数设置以及显示控制；在所述人体信道的发送端和接收端分别采用单一电极进行传输；发送端与接收端的电极均与人体接触，地电极均处于浮空状态，发送端与接收端之间通过电极在人体表面及周围激发的电场进行信息的传输；电容耦合激发的电场回路由发送端、人体、空气、大地、接收端构成。
在本实施例中，所述隔离电路模块可包括光耦隔离电路、脉冲变压器隔离电路。
本发明还提供了一种基于上文所述的电容耦合型人体通信收发器辅助设计***的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：在不同场景下，测量人体信道特性，并在上位机模块中显示测量信道特性的内容；其中所述不同场景包括不同频率，不同收发距离、不同的人体部位，不同种类电极；所述人体信道特性包括信道容量与信道增益；
步骤S2：对信号调制器的参数进行设置，产生调制信号并在上位机中进行显示；其中，所述信号调制器的参数包括发送基带序列、载波频率、相位、发送端信号幅度；
步骤S3：上位机模块通过调用数据采集卡的驱动程序将信号写入数据采集卡的输出端；
步骤S4：数据采集卡输出的信号经过隔离电路模块后经电容耦合通过人体周围激发的电场从发送端通过人体信道耦合到接收端；
步骤S5：信号经接收端电极输入到数据采集卡接线盒的模拟输入端，信号再传输到上位机模块进行解调；
步骤S6：根据解调出的基带信号与原基带信号对比，调整所述信号解调器的参数用以恢复发送端电极的基带波形；其中，所述信号解调器的参数包括放大倍数、比较器判决门限、滤波器截止频率；
步骤S7：测量信号传输误码率，微调信号发送端的参数，所述信号发送端的参数包括基带波形参数。
在本实施例中，所述信道容量的计算方法采用下式：
C＝Blog2(1+SNR)；
其中，B表示信号带宽，SNR表示信噪比。
在本实施例中，所述信道增益的计算方法采用下式：
Figure BDA0001156838820000061
其中，UReceive是接收信号电压,UTransmit是发送信号电压。
较佳的，在本实施例中，所述信道增益的计算方法还可采用下式：
Figure BDA0001156838820000062
其中，PReceiver是接收信号功率,PTransmitter是发送信号功率。
较佳的，在人体通信应用***中，信号发送与接收部分是相互隔离的。但是，当发送端与接收端都是通过采集卡的电源供电的时，发送和接收部分可能产生共地回路，导致实验测量结果有误。本方案采用光耦电路隔离模块能够隔离共地影响，使得测量结果更接近于真实人体通信全浮地供电的场景。在通过虚拟仪器进行人体信道参数测量后，根据测量的信道特性进行人体通信收发器的设计。
如图2所示，图2为本实施例的上位机模块的界面示意图。包含了信道参数测量设置，基带信号产生设置，调制解调的设置，以及各种波形上位机的显示。有ASK、FSK以及BPSK三种调制解调方式，以及每种方式的参数调整按键。三种人体通信调制解调单元均在上位机软件程序中，方便不同方式之间的切换。首先进行信道参数测量的设置，固定信道长度，设置固定的输出电压，测量输入电压，观察在不同的频率下信号的变化，并依据公式计算输出信道容量和信道衰减值。
基带信号的基本设置，根据个性化需求设置基带波形和基带码元速率，码元持续时间等基带参数。除此之外***可对调制单元(如发送载波类型、载波频率、相位、发送端信号幅度等)、解调单元(如放大倍数、比较器判决门限、滤波器截止频率、鉴频、鉴相等)多个参数进行设置。同时***对该信道的幅频特性、发送基带波形、采集卡输入波形、基带恢复波形等进行波形显示。
信道特性参数的测量，可通过采集卡模拟输出端设置相应的电压和频率作为测试信号在信道特性的研究过程中，采用信号增益(衰减率)来描述信号传输的质量，信号增益可描述为:
Figure BDA0001156838820000071
式中,UReceive是接收电压,UTransmit是发送电压。
信道容量是仪器通信***的至关重要的参数，信道容量描述为：
C＝Blog2(1+SNR)
人体通信发送端的基带信号发生器模块采用自定义波形模块设计实现。基带波形等参数都是可以调整设置的。基带信号发生器模块命名为二进制序列波形。基带序列显示采用波形重采样方式对基带波形进行重采样形成基带序列。该模块对发送波形或解调输出的恢复基带波形通过动态数据转换模块将动态数据转换为单一波形后对波形进行重采样，使用重采样波形模块需根据基带波形的码元速率设置采样起始时间及采样间隔。恢复的基带波形序列可通过写入电子表格控件将序列存储到电子表格供后面的误码计算单元计算误码率。
波形通过接口及数据采集卡传输到上位机软件处理需要数据采集卡参数的配置。发送端通过上位机软件产生的信号波形是数字化的波形，数字波形需通过硬件采集卡的驱动程序将数据通过接口传输给数据采集卡，再经数据采集卡的DA模块将数字信号转化为模拟信号输出。同理，接收端通过AD模块将接收到的模拟信号转化为数字波形，波形再通过接口及数据采集卡传输到上位机软件处理。
在本实施例中，***平台使用之前需先对人体信道特性进行参数测量(信道长度，信道衰减值，信道容量，信道传输频率)，根据测量参数对人体通信收发器***参数进行选择与设置。首先设置***基带波形序列，基带信号的码元速率，码元持续时间，基带波形插值的时间间隔，并且可以选择信号波形单次发送或循环发送模式。然后设置***调制部分参数，***可选择ASK、FSK、BPSK方式，载波信号的频率和幅度、设置载波类型等。***运行后可根据基带波形的恢复情况结合真实人体信道参数调整解调部分放大器的倍数和滤波器的截止频率等参数，来实现人体通信收发器与个性化人体信道的相互匹配，达到在该信道下的收发器与信道最佳匹配。
本实施例的***为参数可调的动态***，在电容耦合工作方式下，利用虚拟仪器的测量功能可在不同频率、不同传输距离，不同人体部位，不同的电极种类等不同场景下，测量人体信道特性，不断调整人体通信收发器模块参数来实现人体通信收发器与个性化人体信道的相互匹配。虚拟仪器由于具有强大的测量能力及功能参数便于修改等特点，能为开发人员在产品开发中进行快速原型创建与仿真工作，因此该平台可实现人体通信收发器高效及快速原型创建，***传输效果或性能评估，为***硬件实现提供指导与参考，从而提高设计效率以及减少硬件实验成本，为人体通信收发器设计的提供有效性与便捷性。该技术可应用于医疗保健与应用、残疾人辅助、消费电子产品及用户识别等领域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种电容耦合型人体通信收发器辅助设计***，其特征在于：包括上位机模块、数据采集卡、电源、隔离电路模块、人体信道；所述上位机模块包括信号调制器、信号解调器、参数设置控件以及数据显示模块；在所述人体信道的发送端和接收端分别采用单一电极进行传输；发送端与接收端的电极均与人体接触，地电极均处于浮空状态，发送端与接收端之间通过电极在人体表面及周围激发的电场进行信息的传输；电容耦合激发的电场回路由发送端、人体、空气、大地、接收端构成；
其设计方法包括以下步骤：
步骤S1：在不同场景下，测量人体信道特性，并在上位机模块中显示测量信道特性的内容；其中所述不同场景包括不同频率、不同收发距离、不同的人体部位、不同种类电极；所述人体信道特性包括信道容量与信道增益；
步骤S2：对信号调制器的参数进行设置，产生调制信号并在上位机中进行显示；其中，所述信号调制器的参数包括发送基带序列、载波频率、相位、发送端信号幅度；
步骤S3：上位机模块通过调用数据采集卡的驱动程序将信号写入数据采集卡的输出端；
步骤S4：数据采集卡输出的信号经过隔离电路模块后经电容耦合通过人体周围激发的电场从发送端通过人体信道耦合到接收端；
步骤S5：信号经接收端电极输入到数据采集卡接线盒的模拟输入端，信号再传输到上位机模块进行解调；
步骤S6：根据解调出的基带信号与原基带信号对比，调整所述信号解调器的参数用以恢复发送端电极的基带波形；其中，所述信号解调器的参数包括放大倍数、比较器判决门限、滤波器截止频率；
步骤S7：测量信号传输误码率，微调信号发送端的参数，所述信号发送端的参数包括基带波形参数。
2.根据权利要求1所述的一种电容耦合型人体通信收发器辅助设计***，其特征在于：所述隔离电路模块包括光耦隔离电路、脉冲变压器隔离电路。
3.根据权利要求1所述的一种电容耦合型人体通信收发器辅助设计***，其特征在于：所述信道容量的计算方法采用下式：
C＝Blog2(1+SNR)；
其中，B表示信号带宽，SNR表示信噪比。
4.根据权利要求1所述的一种电容耦合型人体通信收发器辅助设计***，其特征在于：所述信道增益的计算方法采用下式：
Figure FDA0003078406740000021
其中，UReceive是接收信号电压,UTransmit是发送信号电压。
5.根据权利要求1所述的一种电容耦合型人体通信收发器辅助设计***，其特征在于：所述信道增益的计算方法采用下式：
Figure FDA0003078406740000022
其中，PReceiver是接收信号功率,PTransmitter是发送信号功率。
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