Беспроводные приемопередатчики диапазона 400 МГц, отвечающие требованиям международных стандартов, могут применяться в медицинских приложениях для контроля жизненно важных показателей пациентов, а также в отраслях сельского хозяйства и животноводства, в системах мониторинга общественной инфраструктуры и окружающей среды
Компания Fujitsu Laboratories в сотрудничестве с исследовательским центром Imec Holst Centre разработала схему беспроводного приемопередатчика для использования в технологии мониторинга тела Body Area Network и медицинских приложениях, отвечающую международным стандартам для диапазона 400 МГц.
Как известно, очень важные для медицинских приложений системы беспроводного мониторинга мозговых волн и других жизненно важных показателей в прошлом требовали десятков милливатт электрической энергии. Теперь, благодаря оптимизации архитектур и схем, Fujitsu Laboratories в сотрудничестве с исследовательским центром imec Holst Centre удалось сниить энергопотребление беспроводного интерфейсного приемопередатчика до 1.6 мВт в режиме приема, и до 1.8 мВт в режиме передачи.
Эта технология позволит увеличить в 10 раз срок службы батарей в обычных системах с датчиками для мониторинга состояния пациента, что, в свою очередь, сокращает частоту замены или подзарядки батареек и повышает эффективность работы врачей.
На основе этих совместных исследований в области технологий беспроводных приемопередатчиков, Fujitsu Laboratories в дальнейшем планирует применить такие беспроводные приемопередатчики для немедицинских целей, например, для контроля общественной инфраструктуры и окружающей среды.
В области медицины и здравоохранения технология BAN привлекла внимание потенциальной возможностью применения в устройствах сбора информации о жизненных показателях пациента посредством сети беспроводных датчиков, расположенных на теле пациента (Рисунок 1). Для различных датчиков, составляющих сеть BAN, требуется источник питания, и чтобы сделать систему удобной как для пациента, так и для медицинского персонала, существует острая необходимость в увеличении срока службы источника питания и минимизации частоты замены элементов питания или их подзарядки.
Рисунок 1.
Типовая топология сети Body Area Network: EEG – электроэнцефалограмма, ECG – электрокардиограмма, SPO2 – насыщение артериальной крови кислородом, пульсоксиметрия.
Технологическая задача
Каждый узел датчика в сети BAN снабжен беспроводным приемопередатчиком, который потребляет наибольшую мощность, поэтому для продления срока службы батареи, необходимо снизить его энергопотребление. Основная задача состояла в разработке миниатюрного беспроводного приемопередатчика с низким энергопотреблением, который поддерживал бы различные скорости обмена данными, как требует медицинские системы, без введения каких-либо новых схем и узлов.
Ключевые особенности новой технологии
Этот исследовательский проект предусматривает совместимость со спецификацией диапазона 400 МГц IEEE 802.15.6, международного стандарта для сетей BAN, и поддерживает два независимых режима работы:
высокоскоростной режим работы (4.5 Мбит/с) для передачи мозговых волн, изображений и других медицинский данных;
низкоскоростной режим (11.7 Кбит/с) с низким энергопотреблением, который может использоваться, когда беспроводные датчики находятся в режиме ожидания.
Можно отметить два ключевых момента представленной технологии (Рисунок 2).
Рисунок 2.
Архитектура беспроводного приемопередатчика.
1. Приемопередатчик полностью с цифровым управлением.
Упрощение архитектуры схемы приемопередатчика, насколько это возможно, привело к снижению энергопотребления. Цифровое управление приемопередатчиком подразумевает использование некоторой программируемой структуры, которая может изменять характеристики схемы с целью поддержки различных типов фазовой и частотной модуляции в соответствии с международными стандартами BAN. Приемник состоит из малошумящего усилителя, смесителя, фильтра нижних частот и АЦП, и использует способ прямого преобразования, подразумевающий выделение исходного сигнала непосредственно из входного сигнала. Использование этого способа наряду с минимизацией энергопотребления составляющих схем позволило значительно снизить общую потребляемую мощность. При выборе высокоскоростного режима работы (5.4 Мбит/с) цифровой схемой управления оптимизируются частотные характеристики фильтра нижних частот и АЦП. В низкоскоростном режиме работы с низким энергопотреблением чувствительность малошумящего усилителя снижается (и снижается потребляемая мощность усилителя), однако это компенсируется цифровыми процессами.
2. Технология цифровой высокоскоростной трехкомпонентной модуляции
Использование передающего смесителя в передатчике позволяет упростить реализацию высокоскоростного режима, но смесители и их схемы управления, как известно, потребляют значительную мощность. Сочетание трех следующих методов привело к снижению энергопотребления в режиме передачи:
Вместо передающего смесителя в передатчике используется схема трехкомпонентной цифровой модуляции, в которой на вход узла ФАПЧ (PLL), генерирующего радиосигнал с помощью цифровой схемы, подаются низкочастотный и высокочастотный сигналы, и, далее, сформированный сигнал поступает на усилитель мощности;
Для реализации высокоскоростного режима, используя цифровую трехкомпонентную модуляцию, была разработана схема на двух параметрических диодах (варакторах). В высокоскоростном режиме увеличивается диапазон изменения емкости варактора ГУН (VCO), на вход которого подается высокочастотный модулированный сигнал;
Для низкоскоростного режима была разработана специальная технология, позволяющая снизить энергопотребление схемы модуляции ГУН на 90% при сохранении полной ее работоспособности.
Благодаря этой технологии приемопередатчики поддерживают и низкоскоростной, и высокоскоростной режим работы, при котором скорость обмена данными в 300 раз выше, но максимальное энергопотребление не превышает 1.6 мВт в режиме приема и 1.8 мВт в режиме передачи.
Подобные беспроводные приемопередатчики найдут применение не только в области здравоохранения и систем мониторинга здоровья пациентов, но и в интерфейсных схемах управления медицинскими приборами.
Беспроводные приемопередатчики диапазона 400 МГц, отвечающие требованиям международных стандартов, могут применяться в медицинских приложениях для контроля жизненно важных показателей пациентов, а также в отраслях сельского хозяйства и животноводства, в системах мониторинга общественной инфраструктуры и окружающей среды
Компания Fujitsu Laboratories в сотрудничестве с исследовательским центром Imec Holst Centre разработала схему беспроводного приемопередатчика для использования в технологии мониторинга тела Body Area Network и медицинских приложениях, отвечающую международным стандартам для диапазона 400 МГц.
Как известно, очень важные для медицинских приложений системы беспроводного мониторинга мозговых волн и других жизненно важных показателей в прошлом требовали десятков милливатт электрической энергии. Теперь, благодаря оптимизации архитектур и схем, Fujitsu Laboratories в сотрудничестве с исследовательским центром imec Holst Centre удалось сниить энергопотребление беспроводного интерфейсного приемопередатчика до 1.6 мВт в режиме приема, и до 1.8 мВт в режиме передачи.
Эта технология позволит увеличить в 10 раз срок службы батарей в обычных системах с датчиками для мониторинга состояния пациента, что, в свою очередь, сокращает частоту замены или подзарядки батареек и повышает эффективность работы врачей.
На основе этих совместных исследований в области технологий беспроводных приемопередатчиков, Fujitsu Laboratories в дальнейшем планирует применить такие беспроводные приемопередатчики для немедицинских целей, например, для контроля общественной инфраструктуры и окружающей среды.
В области медицины и здравоохранения технология BAN привлекла внимание потенциальной возможностью применения в устройствах сбора информации о жизненных показателях пациента посредством сети беспроводных датчиков, расположенных на теле пациента (Рисунок 1). Для различных датчиков, составляющих сеть BAN, требуется источник питания, и чтобы сделать систему удобной как для пациента, так и для медицинского персонала, существует острая необходимость в увеличении срока службы источника питания и минимизации частоты замены элементов питания или их подзарядки.
Технологическая задача
Каждый узел датчика в сети BAN снабжен беспроводным приемопередатчиком, который потребляет наибольшую мощность, поэтому для продления срока службы батареи, необходимо снизить его энергопотребление. Основная задача состояла в разработке миниатюрного беспроводного приемопередатчика с низким энергопотреблением, который поддерживал бы различные скорости обмена данными, как требует медицинские системы, без введения каких-либо новых схем и узлов.
Ключевые особенности новой технологии
Этот исследовательский проект предусматривает совместимость со спецификацией диапазона 400 МГц IEEE 802.15.6, международного стандарта для сетей BAN, и поддерживает два независимых режима работы:
Можно отметить два ключевых момента представленной технологии (Рисунок 2).
1. Приемопередатчик полностью с цифровым управлением.
Упрощение архитектуры схемы приемопередатчика, насколько это возможно, привело к снижению энергопотребления. Цифровое управление приемопередатчиком подразумевает использование некоторой программируемой структуры, которая может изменять характеристики схемы с целью поддержки различных типов фазовой и частотной модуляции в соответствии с международными стандартами BAN. Приемник состоит из малошумящего усилителя, смесителя, фильтра нижних частот и АЦП, и использует способ прямого преобразования, подразумевающий выделение исходного сигнала непосредственно из входного сигнала. Использование этого способа наряду с минимизацией энергопотребления составляющих схем позволило значительно снизить общую потребляемую мощность. При выборе высокоскоростного режима работы (5.4 Мбит/с) цифровой схемой управления оптимизируются частотные характеристики фильтра нижних частот и АЦП. В низкоскоростном режиме работы с низким энергопотреблением чувствительность малошумящего усилителя снижается (и снижается потребляемая мощность усилителя), однако это компенсируется цифровыми процессами.
2. Технология цифровой высокоскоростной трехкомпонентной модуляции
Использование передающего смесителя в передатчике позволяет упростить реализацию высокоскоростного режима, но смесители и их схемы управления, как известно, потребляют значительную мощность. Сочетание трех следующих методов привело к снижению энергопотребления в режиме передачи:
Благодаря этой технологии приемопередатчики поддерживают и низкоскоростной, и высокоскоростной режим работы, при котором скорость обмена данными в 300 раз выше, но максимальное энергопотребление не превышает 1.6 мВт в режиме приема и 1.8 мВт в режиме передачи.
Подобные беспроводные приемопередатчики найдут применение не только в области здравоохранения и систем мониторинга здоровья пациентов, но и в интерфейсных схемах управления медицинскими приборами.
imec.be