脉冲信号发射装置、通信装置及信号处理装置的制作方法

本实用新型涉及人体介质通信技术领域，特别是涉及一种脉冲信号发射装置、通信装置及信号处理装置。

背景技术：

在现有的通信系统中，发射机普遍采用非脉冲式的2PSK、2ASK、2FSK等信号调制方式。相比之下，2PSK具有较好的误码率性能，但是在2PSK信号传输系统中存在相位不确定性，并将造成接收码元“0”和“1”的颠倒，产生误码。为了保持2PSK优点，降低误码率，把2PSK调制改进为二进制差分相移键控调制。2DPSK调制技术具有传输效率高、抗干扰能力强、误比特率性能优良等优势。然而，现有的用于人体通信的2DPSK通信基于窄带调制，系统功耗大、峰值功率高，上述缺陷限制了2DPSK方式在实际场景中的应用。

以人体介质通信等体域网应用环境为例，人体介质通信技术通俗地说是一种将人体作为信道进行数据传输的新型通信方式，通过该技术，人体将成为网络的一部分，人们只需要通过触摸便可进行信息的收发。在体域网应用环境下，对穿戴式特别是植入式设备的体积和功耗都有严格的限制，2DPSK方式的这些缺陷很大的局限了人体介质通信系统的实用性和产品化。

综上所述，现有技术功耗大、峰值功率高。

技术实现要素：

基于此，有必要针对现有技术功耗高、复杂度高的问题，提供一种信号发射装置、通信装置及信号处理装置。

一种信号发射装置，包括：

脉冲产生电路、调制电路和信号选择电路；

所述脉冲产生电路的输入端连接到时钟发生器，所述脉冲产生电路的输出端连接至所述调制电路的输入端，所述调制电路的双路输出端连接至所述信号 选择电路的输入端，所述信号选择电路的控制端连接到信号发生装置，所述信号选择电路的输出端连接到信号接收装置。

一种通信装置，包括：

信号发射装置，第一传感器，第二传感器，以及信号接收装置；

所述信号发射装置中的信号选择电路的输出端与所述第一传感器的输入端相连接，所述第一传感器的输出端与所述第二传感器的输入端通过传输介质相连接，所述第二传感器的输出端与所述信号接收装置的输入端相连接。

一种信号处理装置，包括：

信号发生装置；

通信装置；以及

计算机；

所述信号发生装置的输出端与所述通信装置的输入端相连接，所述通信装置的输出端与所述计算机的输入端相连接。

上述信号发射装置、通信装置及信号处理装置，通过脉冲产生电路生成窄脉冲时钟信号，通过调制电路获取双路调制信号，并通过信号选择电路选择性地输出所述双路调制信号中的一者，从而产生发射信号，系统工作在全数字触发式状态，在实现上具有低功耗、低复杂度的优点，从而使系统的单位比特能耗显著降低，且装置结构简单，硬件成本低。

附图说明

图1为一个实施例的信号发射装置的结构示意图；

图2为一个实施例的调制电路的结构示意图；

图3为系统的时序图；

图4为延迟时间大于时钟信号的周期与脉冲宽度之差时的时序图；

图5为一个实施例的通信装置的结构示意图；

图6为一个实施例的信号处理装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的信号发射装置、通信装置及信号处理装置的实施例进行说明。

图1为一个实施例的信号发射装置100的结构示意图。如图1所示，所述信号发射装置100可包括：

脉冲产生电路10、调制电路20和信号选择电路30；

所述脉冲产生电路10的输入端连接到时钟发生器40，所述脉冲产生电路10的输出端连接至所述调制电路20的输入端，所述调制电路20的双路输出端连接至所述信号选择电路30的输入端，所述信号选择电路30的控制端连接到信号发生装置50，所述信号选择电路30的输出端连接到信号接收装置60。

其中，所述脉冲产生电路10可接收时钟发生器40产生的时钟信号CLK，并根据所述时钟信号GLK生成窄脉冲时钟信号GCLK，并将所述窄脉冲时钟信号GCLK输出到所述调制电路20；所述调制电路20可对所述窄脉冲时钟信号GCLK进行双相调制，获取相位互为相反的第一调制信号T0和第二调制信号T180，并将所述第一调制信号T0和第二调制信号T180输出到所述信号选择电路30；所述信号选择电路30可接收信号发生装置50产生的基带相对码数据D，并在所述基带相对码数据D为高电平时，选择输出所述第一调制信号T0进行发射，在所述基带相对码数据D为低电平时，选择输出所述第二调制信号T180进行发射，最终得到发射信号m(t)。

所述脉冲产生电路10可以根据所述第一调制信号T0和第二调制信号T180的频带宽度调整所述窄脉冲时钟信号GCLK的脉冲宽度G。

在一个实施例中，信号发生装置50产生的原始信号可能是基带绝对码数据B，如果直接把基带绝对码数据B输入到后续电路中，最终产生的是2BPSK信号。因此，可以在所述信号发生装置50与所述信号选择电路30之间设置一个转换电路70，将所述信号发生装置50产生的基带绝对码数据B转化为基带相对码数据D，从而最终产生2DPSK信号。

在一个实施例中，还可以在所述信号发生装置50与所述时钟发生器40之间设置一个同步装置80，用于将所述基带相对码数据D与所述时钟信号CLK进行边沿对齐。

如图2所示，所述调制电路20可包括：

第一反向器201、直流负反馈电路202、传输门电路203、第一延迟单元204、第二延迟单元205以及偶数个级联反向器组成的级联串206；

所述级联串206的输入端连接至所述第一反向器201的输出端，所述级联串206的输出端连接至传输门电路203的输入端；所述传输门电路203的输出端连接至所述第一反向器201的输入端；所述直流负反馈电路202跨接在所述第一反向器201的两端；所述第一反向器201的输出端和所述传输门电路203的输出端均连接到所述信号选择电路的信号输入端；所述传输门电路203的控制端连接到所述脉冲产生电路10的输出端。

在一个实施例中，所述传输门电路203可包括第一MOS晶体管203a、第二MOS晶体管203b和第二反向器203c；所述第一MOS晶体管203a的漏极和第二MOS晶体管203b的源极连接所述级联串206的输出端和所述第一延迟单元204的漏极，所述第一MOS晶体管203a的源极和第二MOS晶体管203b的漏极连接所述第一反向器201的输入端，并连接所述信号选择电路30的输入端，所述第一MOS晶体管203a的栅极和所述第二MOS晶体管203b的栅极分别连接所述第二反向器203c的输出端和输入端。

在一个实施例中，所述第一延时单元204可包括第三MOS晶体管204a和第一电容204b；所述第三MOS晶体管204a的漏极连接所述级联串206的输出端，所述第三MOS晶体管204a的栅极连接外部电源V_b2，所述第三MOS晶体管204a的源极连接所述第一电容204b的一端，所述第一电容204b的另一端接地。

所述第二延时单元205可包括第四MOS晶体管205a和第二电容205b；所述第四MOS晶体管205a的漏极连接所述第一反向器201的输入端，所述第四MOS晶体管205a的栅极连接外部电源V_b3，所述第四MOS晶体管205a的源极连接所述第二电容205b的一端，所述第二电容205b的另一端接地。

在一个实施例中，可以采用MOS晶体管作为所述直流反馈电路，该MOS晶体管的漏极连接第一反向器的输出端，源极连接第一反向器的输入端，栅极连接外部电源V_b1。

所述第一反向器201、传输门电路203和级联串206可构成完整的受控振荡环路，所述第一延迟单元204和第二延迟单元205根据实际延迟的需要可接入受控振荡环路中的任意节点。所述第一延迟单元204和第二延迟单元205可以调节所述受控振荡环路的总体传输延迟，从而改变所述调制电路20输出信号的中心频率。当所述窄脉冲时钟信号GCLK使所述传输门电路203导通时，所述受控振荡环路导通振荡发生，并在所述第一反向器201的输入及输出端分别产生第一调制信号T0和第二调制信号T180；当所述窄脉冲时钟信号GCLK使所述传输门电路203截止时，所述受控振荡环路断开振荡停止。

当所述传输门电路203截止时，可将所述第一调制信号T0和第二调制信号T180的电平设置为供电双轨电平差的一半。通过该设置，可以使输出信号均值为零，从而滤除输出信号中的基波成分以及直流成分，仅保留设计所需的信号频率成分，防止这些额外频率成分占用有线的信道频带宽度，破坏信号功率谱，从而提高频谱利用率，同时降低后续电路的功耗。

可以通过调节所述调制电路20的总体传输延迟，从而调节最终输出调制信号的中心角频率。

在一个实施例中，所述信号发射装置100还可包括延迟装置90，所述延迟装置90的输入端与所述调制电路20的双路输出端相连接，所述延迟装置90的输出端与所述信号选择电路30的输入端相连接；所述延迟装置90根据预设的延迟时间对所述第一调制信号T0和第二调制信号T180进行延迟操作，得到延迟的第一调制信号T0’和延迟的第二调制信号T180’，并输出到所述信号选择电路30。

延迟的目的是为了保证调制输出信号的完整性，可将所述预设的延迟时间设为小于所述时钟信号CLK的周期与所述窄脉冲时钟信号GCLK的脉冲宽度G之差的值。如图3所示，由于T0及T180振荡脉冲宽度为G，且必须落在基带数据对应的1或者0时间宽度(CLK的周期)以内，若延迟大于了CLK的周期与所述脉冲宽度G之差，则可能出现图4所示的情形，当这种情况发生时(TD大于所述同步时钟CLK的周期与所述脉冲宽度G之差)，后续“双路选择单元”最终输出为错乱的信号。T0与T180为上述受控振荡环路输出的两路反相脉冲 调制信号，这两路调制信号的中心频率可对应受控振荡环路传输延迟时间的倒数。通过嵌入延迟单元，可以调节受控振荡环路的延迟，从而达到调节输出信号T0与T180中心频率的作用。

上述信号发射装置100中的脉冲产生电路10可产生脉冲宽度为G的窄脉冲时钟信号GCLK(脉冲宽度G的倒数，对应最终系统输出信号的频带宽度)，上述受控振荡环路的振荡频率(环路传输延迟时间的倒数)对应最终系统输出信号的中心频率。通过这种方式，可以对输入的基带数据进行一种扩频调制，将传统窄带通信手段扩频为宽带通信手段，从而达到降低信号功率谱、提高抗噪声性能、提高传输速率的目的。

假设信道带宽为0.1M～150MHz，传统窄带通信技术只能利用其中一段频率，比如10M～20M。本实用新型通过调节输出信号的频带宽度以及中心频率，可以实现对信道的灵活覆盖，比如实现25.5MHz～125.5MHz(中心频率为75.5MHz，频带宽度为100MHz)。

所述脉冲产生电路10、调制电路20和信号选择电路30均可集成在SOC芯片中。

假设所述脉冲产生电路10输出的窄脉冲时钟信号GCLK表示为GCLK(t)，基带相对码数据D表示为D(t)，那么调制电路20获得的第一调制信号T0和第二调制信号T180可分别表示为：

T0＝GCLK(t)·COS(ωt)及T180＝GCLK(t)·COS(ωt+π)，

其中，ω为所述第一调制信号T0和第二调制信号T180的角频率。

可将信号T0及T180延时后和基带数据D(t)分别送入所述信号选择电路30的双路信号输入端、选通控制输入端，当基带相对码数据D(t)为“逻辑0”时，信号选择电路30可选通输出T0，当D(t)为“逻辑1”时，信号选择电路30可选通输出T180；则所述信号选择电路30输出的发射信号可以合并为：

m(t)＝GCLK(t)·COS[ωt+D(t)π]，

其中，发射信号m(t)的中心角频率可以表示为：

$\mathrm{\ω}=2\mathrm{\π}f=2\mathrm{\π}\·\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{total}},$

其中τ_total＝τ_TD1+τ_TD2+τ_INO+τ_TG+τ₁，τ_total表示受控振荡环路的总体传输延迟时间，τ_TD1表示第一延迟单元204的传输延迟时间，τ_TD2表示第二延迟单元205的传输延迟时间，τ_INO表示第一反向器201的传输延迟时间，τ_TG表示传输门电路203的传输延迟时间，τ₁表示级联串206的传输延迟时间，通过调节所述第一延迟单元204和第二延迟单元205的传输延迟时间τ_TD1和τ_TD2，进而可以调节所述受控振荡环路的总体传输延迟τ_total，从而改变调制电路20输出调制信号的中心频率ω，最终改变发射系统输出的调制信号的中心频率。

图5为一个实施例的通信装置400的结构示意图。所述通信装置400可包括：

信号发射装置100，第一传感器200，第二传感器300，以及信号接收装置60；

所述信号发射装置100中的信号选择电路30与所述第一传感器200的输入端相连接，所述第一传感器200的输出端与所述第二传感器300的输入端通过人体信道相连接，所述第二传感器300的输出端与所述信号接收装置60的输入端相连接；

所述信号选择电路30将所述第一调制信号T0和第二调制信号T180发射至所述第一传感器200，所述第一传感器200将所述第一调制信号T0和第二调制信号T180加载到信号传输介质，所述第二传感器300从所述信号传输介质提取所述第一调制信号T0和第二调制信号T180，并传输到所述信号接收装置60。

参照图5，可将信号发生装置50产生的信号u_i送入所述信号发射装置100的输入端，所述信号发射装置100可对u_i进行宽带脉冲触发式2DPSK调制，并向第一传感器200发射宽带脉冲式2DPSK信号u_n，信号u_n可通过通信介质传输至第二传感器300，由第二传感器300输出宽带脉冲式2DPSK信号u'_n，接着由信号接收装置60对信号u'_n进行接收与解调，输出基带数据。

其中，所述第一传感器200和第二传感器300可以分别安装在不同用户所携带的可穿戴设备中，例如穿戴于指尖的血氧传感器、腕表型血糖传感器、植入式心电监测传感器、植入式脑电信号采集传感器等。在这种情况下，所述通信介质可以是人体介质。在将宽带脉冲触发式2DPSK调制与发射技术用于人体 介质通信领域时，不需要基带数据归零码产生、双路反向基带数据窄脉冲调制产生、基波消除等操作及相应电路，并以窄脉冲触发式间歇性的发射方式降低功耗，最大限度利用有限的人体介质信道带宽，提高传输速率，而且所发射调制信号的频带宽度及中心角频率灵活可调具有良好的应用价值。

上述通信装置400中的信号发射装置100的实施例与上述信号发射装置100相同，此处不再赘述。

如图6所示，本实用新型还提供一种信号处理装置，可包括信号发生装置50，通信装置400，以及计算机500；所述信号发生装置50的输出端与所述通信装置400中的信号发射装置100的输入端相连接，所述通信装置400中的信号接收装置60的输出端与所述计算机500的输入端相连接。

上述信号处理装置中通信装置400的实施例与上述通信装置400相同，此处不再赘述。

本实用新型的信号发射装置、通信装置及信号处理装置具有低复杂度、低功耗及易于集成特点，适用于宽带通信、通信集成电路、射频电子电路、生物医用微电子学等领域。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和效果：本实用新型提高了信道的频带利用率，提高了信号发送速率，系统工作在全数字触发式状态，在实现上能以低功耗、低复杂度、高速的优点换来系统的单位比特能耗显著降低，并可完全采用CMOS集成电路工艺实现，且不存在大面积的集成电阻及电容整形电路，适合集成于SOC芯片，易于推广。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。