[00994490]可穿戴式无线体域网用UWB健康监护与遥测系统芯片研究

本课题来源于国家自然科学基金地区基金项目。课题背景是针对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。该项目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。内容包括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；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。）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。本课题的相关研究属于集成电路基础理论及其应用研究，就技术成熟程度而言，属于前沿性课题的理论与仿真及其实验测试验证研究，可以作为产品研究与开发的参考和重要基础，适用范围是可穿戴式健康监护系统集成电路，安全性良好。在课题执行期间，团队成员共计在国内外期刊和重要的国际学术会议上发表论文31篇，其中EI共计10篇。此外，有12项成果获得国家发明专利或者实用新型专利。本课题暂未实现成果转让和成果应用，暂未获得相关奖励。但课题组将继续推进已获得的成果的技术转让和应用。本课题考察了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。