一种基于人体通信的路径损耗模型

随着智能可穿戴设备的发展,人体通信(Human Body Communication,HBC)为体域网智能传感器及传感器网络在医疗领域的发展提供了新的思路。针对体域网发展的实际应用,对人体周围的信道特性进行完整的研究十分必要。在采用完整人体模型的基础上,应用时域有限差分法,对HBC频段人体信道特性进行了仿真,得出频率和距离对路径损耗特性的关系。同时针对颈部、背部非直射链路进行了仿真研究。结果表明,人体表面5条主要链路中左胸-右胸链路通信性能最佳。在整个HBC频段,路径损耗特性与频率及距离密切相关,随着频率增加,路径损耗逐渐降低,而路径损耗特性与距离间具有定量的数学关系。在体表的非直视链路,路径损耗和相同表面距离的直射链路路径损耗相同,路径损耗仍与体表距离存在定性的数学关系,同时信号的到达前后也与体表距离密切相关。     

基于人体通信的信息交互系统设计

针对穿戴式设备之间的互联互通问题,研究并实现了基于人体通信技术的信息交互系统.考虑到穿戴式设备的应用场景,设计了人体通信双向通信的MAC协议;为了提高系统的通信效率,定制了人体通信传输帧结构;为了降低系统功耗,设计了系统的3种工作模型.实验结果表明,该系统能够快速完成信息交互,其实时数据率达到200 kbit/s,误码率亦趋近10-8.为IEEE 802.15.6标准MAC协议的实现奠定了良好基础,将进一步推动人体通信技术的发展与应用.     

基于微多普勒特征的人体目标雷达回波信号分析

基于雷达的人体微动研究是近年发展起来的新技术, 雷达对人体的探测有着其他传感器不具备的优势.雷达不受天气和光线的影响,可实施全天候的探测,雷达可穿透障碍物,对隐藏在障碍物后的人员实施搜索.通过信号处理手段可获取人体走动时手和腿的摆动激励的多普勒频移,用于人体生命特征的探测与识别.本文首先通过人体运动模型,对人体的雷达回波进行了建模,给出了人体各部分回波的详细表达式,分析了各部分的多普勒频移,指出了其多普勒频率调制特性与人体结构和运动参数之间的关系,最后通过魏格纳分布和W-V分布峰值检测法提取微多普勒特性,最后通过仿真实验和国外实测数据的对比,证明本文对于人体雷达回波分析方法的合理性.     

人体阻抗模型与人体域通信信道特性分析

基于人体柱体模型分析了输入阻抗与人体形状大小的关系,就人体信道的频率传输特性进行了讨论,在3～5GHz 的频率范围内,人体对传输信号具有良好的响应。考虑到多径传输环境下的信噪比和误码率,采用二相相移键控(BPSK)的调制方式,对人体域无线传输信道具有更好的性能。     

人体介质通信双模输入宽频接收前端电路

面向人体介质通信领域,设计了一种基于0.18 μm CMOS工艺的接收模拟前端电路。采用有源电感零极点补偿技术,在保证电路噪声性能与增益的同时,有效拓展了电路线性带宽;通过在调整型共源共栅结构中引入高阻输入晶体管及负载管,使电路不仅具有良好的电流模信号放大能力,还具有电压模信号接收放大功能。芯片核心尺寸为379.3 μm×118.9 μm。后仿真结果表明,在电流输入模式下,电流等效输入噪声为8.36 pA/Hz@50 MHz,－3 dB带宽为0.26～114 MHz,跨阻增益为70.3～112.5 dBΩ;在电压输入模式下,电压等效输入噪声为4.43 nV/Hz@50 MHz,－3 dB带宽为0.45～112 MHz,电压增益为44～83.18 dB。对比人体通信接收机前端相关文献,该设计在带宽、噪声及兼容性方面具有应用优势。     

基于波导耦合型无线人体通信技术研究

为了研究无线人体通信中信道的特征及其影响因素,建立了五层组织手臂通信模型,并据此设计了两种基于空气介质和FR-4介质的收发器。采用基于FDTD算法的CST软件进行了仿真分析和实验测试。结果表明,两种通信模型中适于人体通信的频段均在630MHz~1200MHz范围内,且在700MHz附近人体通信信道损耗最小;通过改变收发机的结构参数会引起人体通信信道内损耗的变化。     

人体通信技术研究

人体通信是近年来兴起的一门新兴通信技术,主要用以解决人体互联局域网的通信问题。人体通信利用人体作为无线通信的传输介质,能有效地减少外界电磁噪音的影响,同时去除了设备相互连接时的众多导线。本文从人体通信基本原理的角度对人体通信的3种方式进行了介绍,分析了人体通信中的关键技术,对人体通信未来的发展前景进行了展望。     

人体脂肪和肌肉组织光学特性的活体检测

本文首先通过使用3层组织模型的蒙特卡罗模拟计算分析了各层组织的光学特性对表面反射光时间分辨信号的影响,提出了由表面反射光时间分辨波形推算各层组织光学特性的基本思路,其次,利用ps和时间扫描旬系统实际测试了前臂及大腿处的反射光时间分辨信号,进而确定了活体状态下的人体脂肪和肌肉组织的光学特性。     

人体心脏运动信号的微波检测方法研究

文章对人体心脏运动信号的微波检测方法进行了研究,提出了几种微波遥测人体心脏运动信号的测量方案,并对几种人体心脏运动信号的提取方案进行比较分析。实验表明,利用本文提出的测量方案,可以在距人体1m以内提取到心脏运动的时域信号和频域信号。     

应用于无线人体局域网的小型超宽带天线

文章设计了一种应用于无线人体局域网的超宽带单极天线,使用高频结构仿真软件HFSS13.0对天线尺寸进行仿真和优化,对天线的阻抗特性、方向图进行了研究.仿真和测试结果表明,该天线在3.1GHz～ 3.3GHz、4.2GHz ～ 4.9GHz和6GHz ～ 10.6GHz的工作频段内电压驻波比均小于2,且具有稳定的方向图,十分适用于无线人体局域网.     

无线激光通信光发射模块的研究

为了提高现代武器系统在恶劣电磁环境中的通信和信息交换能力,充分利用激光的天然保密性,减少对无线电频率资源的占用,对无线激光通信系统中的光发射模块进行了设计。在信标光发射模块的设计中采用驱动电路与温度控制电路分离的设计方案;在信号光发射模块中采用掺银铒光纤放大器(EDFA)作为功率放大器的设计方案,并采用DS90LV001芯片完成PECL信号与LVDS信号转换。试验结果表明,信标光的最高输出功率为1.53 W,最高频率大于10 kHz;信号光的输出功率大于19.8 dBm,误码率低于10-7,消光比为10.2 dBm,完全满足设计需求。     

一种高精度的毫米波稀疏平面阵列频域类成像算法

本文以手持式毫米波人体安检设备为研究背景,设计了一种工作于90~94GHz频段的稀疏十字阵列,并采用时域相关算法与改进距离徙动算法（Range Migration Algorithm,RMA）对目标进行成像.针对改进RMA算法在推导过程中存在球面波展开为平面波近似和复杂的插值问题,本文提出一种高精度的无需球面波展开和复杂插值运算的基于（Fast Fourier Transform,FFT）的成像算法,在实现过程中不会引入近似误差和插值误差.采用电磁仿真软件建立目标回波模型,进行测试分辨率和噪声鲁棒性的实验.系统方位分辨率达到5mm,满足系统设计指标要求,验证了所提算法的正确性.综合实验结果得出所提算法的计算效率优于时域相关算法并且噪声鲁棒性优于改进RMA算法,在手持式毫米波人体安检设备实时成像的应用中,所提算法的适用性更好.     

植入式人体通信中电磁波在不同组织分界面上的传播特性研究

通过计算电磁波在不同人体组织分界面的入射情况,研究人体信道电磁波跨越不同组织分界面时的传播特性.文章首先利用电磁场边界条件推导均匀平面电磁波向单层与多层导电媒质入射时的反射系数、透射系数及电磁波表达式;然后以人体手臂为研究对象,采用4阶Cole-Cole模型获取10 Hz~100 GHz人体组织介电参数,计算向单层、多层组织入射时各个分界面上的最大入射角、反射系数、透射系数与平均能流密度,结果显示,垂直入射是电磁波透射多层人体组织的主要路径,皮肤与空气分界面的反射系数最大,频率小于1 MHz或大于10 GHz的电磁波能量比较难在人体内外传播,电磁波平均能流密度传播随频率呈带通特性,带宽及中心频率与器件植入位置有关等;最后采用COMSOL Multiphysics建立电磁波向3层人体组织垂直入射的有限元仿真模型,仿真结果与理论计算结果相比误差小于0.000 08,验证了理论推导与计算的正确性.     

无人机通信干扰电磁环境半实物仿真系统

针对战场环境下复杂传播环境及敌方干扰对无人机通信系统性能的影响,提出了综合信道衰落和干扰共同作用下的无人机通信信道理论模型。在此基础上,基于微波暗室设计实现了无人机通信干扰电磁环境半实物仿真系统。该系统利用硬件现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)实时模拟无人机通信信道和干扰信号,利用微波暗室模拟外场的无线传播环境,并通过天线位置和角度调节装置模拟发射机、干扰机和接收机之间的空间位置特性。实测结果表明,该半实物仿真系统能够真实复现无人机通信干扰电磁环境,可用于无人机数据链抗干扰性能的测试和评估。     

基于超材料构建的PCB通信信道芯片无线互连通信研究

提出了一种基于蘑菇型电磁超材料构建的PCB(Printed Circuit Board)的芯片间/芯片内射频通信设计模型.该设计用单极子天线模拟芯片管脚,利用PCB介质作为通信信道,并填充一层超材料吸收多径传播中部分电磁波,降低天线回波损耗和改善天线之间相关度.分析电磁波在PCB介质内传播途径及超材料对其影响.对发射天线输入频率为20GHz不归零伪随机二进制信号,接收天线输出信号的眼图清晰端正.从频域和时域结果分析表明芯片-PCB无线互连可行,而且超材料能够明显改善通信信道而提高信号传输质量.     

BAN电磁辐射比吸收率SAR的研究

体域网（BAN）的研究在远程医疗及远程医疗服务方面起着重要的作用,由于无线传感器节点附着在人体表面,人体不可避免地会吸收可能有害的电磁波,因此,对人体处于BAN网络下的SAR值的研究变得格外重要.而由于BAN中通信距离很短,电磁波沿身体表面传播的通道与普通的无线信道不同,需要建立适用于BAN网络环境的计算模型.以FDTD有限时域差分法为依托,建立三维矩形人体组织网格模型以及三维站立式人体网格模型,采用半波偶极子天线在贴近人体皮肤表面处对矩形人体组织模型与站立式人体模型在不同频率下的SAR值进行仿真,得到了在0.9 GHz,2.4 GHz,5 GHz 3种频率下人体SAR值.     

Transceiver for Human Body Communication Using Frequency Selective Digital Transmission

This paper presents a transceiver module for human body communications whereby a spread signal with a group of 64 Walsh codes is directly transferred through a human body at a chip rate of 32 Mcps. Frequency selective digital transmission moves the signal spectrum over 5 MHz without continuous frequency modulation and increases the immunity to induced interference by the processing gain. A simple receiver structure with no additional analog circuitry for the transmitter has been developed and has a sensitivity of 250 µV_pp. The high sensitivity of the receiver makes it possible to communicate between mobile devices using a human body as the transmission medium. It enables half‐duplex communication of 2 Mbps within an operating range of up to 170 cm between the ultra‐mobile PCs held between fingertips of each hand with a packet error rate of lower than 10^?6. The transceiver module consumes 59 mA with a 3.3 V power supply.     

超低频天线最优波束成形设计研究

针对现有超低频天线发射端单一化缺陷和通信距离受限瓶颈,为实现超低频电磁发信系统的小型化和远距离传输,该文对旋转式永磁体机械天线的超低频电磁发信技术进行了理论创新和工程实践。探究多输入单输出(MISO)场景下超低频多机械天线电磁辐射理论,建立了基于三相感应电机的多机械天线阵列的空间磁场分布模型。仿真结果表明：利用三相感应电机组成的2元机械天线阵列可使磁感应强度在近场提高3 dB。该文还提出了多天线超低频近场最优波束成型技术。仿真结果表明：当天线之间的初始相位相等时径向接收磁场分量场强最大。设计高精度同步技术并搭建原理样机进行测试,实验结果表明：发送端采用2元天线组阵,信号功率提高6 dBm,传输距离可达50 m。     

通信电台个体识别技术研究

本文研究了基于通信电台短时频率稳定度特征的通信电台个体识别技术.在论证通信电台短时频率波动可以作为电台个体细微特征的基础上,提出了一种利用该特征进行电台识别的有效方法.首先通过采样抽取的方法将频率波动信息转变到伪调制的包络波形中,并对极大值点之间用三次样条插值拟合的方法精确提取包络特征,然后计算包络信号分形的盒维和信息维特征,最后采用最近邻的分类方法达到对通信电台的个体识别.仿真和实际电台实验结果都验证了方法的有效性.     

Numerical analysis of bodyworn UHF antenna systems

Bodyworn antennas are found in a wide range of medical, military and personal communication applications, yet reliable communication from the surface of the human body still presents a range of engineering challenges. At UHF and microwave frequencies, bodyworn antennas can suffer from reduced efficiency due to electromagnetic absorption in tissue, radiation pattern fragmentation and variations in feed-point impedance. The significance and nature of these effects are system specific and depend on the operating frequency, propagation environment and physical constraints on the antenna itself. This paper describes how numerical electromagnetic modelling techniques such as FDTD (finite-difference time-domain) can be used in the design of bodyworn antennas. Examples are presented for 418 MHz, 916·5 MHz and 2·45 GHz, in the context of both biomedical signalling and wireless personal-area networking applications such as the Bluetooth^TM wireless technology