专利名称：身体耦合的通信系统的电极多样性的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种耦合器设备、处理多个身体耦合的通信信号的处理装置和方法。
背景技术：
已经提出了将身体耦合的通信(BCC)或基于身体的通信作为用于体域网(body area networks)基础的射频(RF)通信的一个有前景的替代方案。BCC允许在人或动物身体 处或紧邻人或动物身体的多个设备之间进行信息交换。这可以通过将低能电场电容或电流 耦合到所述身体表面上来实现。因此，人身体被用作通信信道，使得与常用于体域网(BAN， 例如ZigBee或蓝牙系统)的标准无线电系统相比，可以以低得多的能耗进行通信。由于BCC 通常紧邻身体而应用，所以它可以用于基于接触或邻近来实现新的且直观的身体-设备接BCC可以在技术上通过由小的身体-穿戴的标签生成的电场实现，该标签例如被 集成到信用卡或附在身体上或紧邻身体穿戴的另一个合适设备。该标签电容地或电流地将 低功率信号耦合到身体。有时，该身体耦合的通信被称为“近场体内通信”。BCC是一种无 线技术，其允许人身体上和附近的电子设备通过电容或电流耦合交换数字信息。通过调制 电场并电容地或电流地将处于微微安范围内的微小电流耦合到身体上来传输信息。所述身 体将微小电流(例如，50pA)传导到安装在身体上的接收器。环境(空气和/或大地)为被 传输的信号提供了返回路径。图IA和IB示出电容BCC的通用发送器-接收器模型，如在1995年9月Thomas Guthrie Zimmerman Master of thesis,MassachusettsInstitute of Technology 上发 表的 Personal Area Networks (PAN) :Near_Field Intra-Body Communication 中所描述。 TX和RX元件都是电子电池供电的设备，是电绝缘的并且具有一对电极A和B，其充当参考 电极和信号电极。所述发送器和接收器电极A、B可以被模型化为电容器板。这种电容BCC 可以用于在所谓的个人局域网(PAN)或体域网(BAN)中的设备之间进行数据交换。开发了 以330kHz工作的PAN原型(prototype)以演示通过身体进行的数据的数字交换。例如在 US6992565, US6777992, US6223018 和 US5914701 中公开了这种通信系统的实例。所述电极A、B可以由普通的具有铜表面的印刷电路板(PCB)材料制成。其尺寸可 以近似为3CmX5CmXlCm。测量已经显示在整个人体上的可靠通信，而不管TX和RX设备这 两者的位置。尽管图IA和IB中的设备具有良好的灵敏度并且给出强信号，甚至当TX和RX设 备远离身体时也是如此，但是RX/TX设备相对于人体的取向是关键性的并且很大程度地影 响通信性能。对于电容BCC，理想地，TX和RX设备平坦地位于身体表面上，一个电极紧密接 触身体而另一个电极具有对周围环境的“自由视野”。情况是这样的，这是因为电容BCC的性能受到发送器(TX)和接收器(RX)设备与 人体和所有周围导体之间的电容耦合的影响。在该情况下，最关键的方面由所述设备相对 于身体的取向来代表。信号衰减强烈地依赖于信号电极的到人体的电容耦合与参考电极的
4到人体的电容耦合之间的比率。所述耦合值越接近，接收的/发送的信号越弱。该问题的 一种解决方案是至关重要的，以便在未固定到人体但在大多数可能情况中也可以松弛地放 置在其周围的BCC设备之间具有可靠的通信。在图IA中，TX和RX设备这两者相对于人体成平角。因此，电极B对身体的电容 C2b比对周围环境(电容Clb)强得多，而电极A更好地耦合到周围环境(电容Cla)并且仅小 程度地耦合到身体(电容C2a)。这样，在TX电极之间应用的信号将生成接收器中电极之间 的电压差，从而实现数据传送。然而，在图IB中，RX设备被旋转90°，这意味着RX设备的电极A和B这两者具有 到身体(电容C2a = C2b)和周围环境(电容Cla = Clb)的相同耦合。结果，由身体传导的任 何信号(例如由TX设备生成的信号)对于RX设备中的电极A和B来说是共模的(common mode) 0换言之，电极A和B 二者看到(see)相同的电势并且没有电压差。对于其中TX设 备被旋转90度的情形，情况一样。在这种情况下，没有信号被提供给身体并且信号传输是 不可能的。当然，90度角是极限情形，但是应当清楚，任何其他旋转(相对于理想平角)将 导致所接收的信号功率减小。为了提供对于人体的紧密接触和平角，已经提出将电极固定到身体上(例如借 助粘附物或橡皮筋)，但是这对可能的应用带来了很大的限制，因为在大多数情况中，期望 TX/RX设备仅仅接近身体并且松弛地耦合到身体(例如，可以放置在衣袋中的任何设备(比 如移动电话)或集成在纺织品中的任何设备)。而且，还在可以缝到人体的设备(例如，医 学传感器)的情况下，用户在正常生活期间的活动可能以不能保证可靠通信的方式影响发 送/接收设备的电容配置。因此，使用BCC的通信对耦合器相对于身体的取向是敏感的。由于这个对耦合器 的取向的敏感性，要求用户将BCC设备放置并保持在定义明确的取向上。这造成了用户的 不方便和不期望的传输。因此，期望的是，使得可被放置在身体的某处的设备之间的BCC通 信可靠，从而使得这些设备的通信范围是整个身体。
发明内容
本发明的目的是提高身体耦合的或基于身体的通信系统中的鲁棒性和用户便利 性。该目的是通过如权利要求1所述的耦合器设备、如权利要求5所述的装置和如权 利要求16所述的方法实现的。因此，提供一种自适应配置系统，从而使得在一组电极内，可以选择最适合充当信 号电极的电极(例如比平均情况更好地耦合到人体的那些电极)和最适合充当参考电极的 电极(例如比平均情况更弱地耦合到人体的那些电极)。以此方式，可以明显改善所述通信 系统操作的条件，而不管发送/接收设备相对于人体的位置或取向。因此可以减小身体耦 合的通信的取向敏感性并且可以增加鲁棒性和用户便利性。具有相互间取向差异的多个或 分段电极在身体上或靠近身体提供。随后，该电极多样性(diversity)可以应用于或者选 择用于传输的电极或组合来自不同耦合器的信号。在一个特定实施例中，可以使用加权和 来组合来自不同耦合器的信号。因此，可以提供电极多样性的构思、用于组合或选择来自不同电极的信号的技术、用于确定选择或组合参数的不同方法以及用于允许联合发送和接收耦合器多样性的信号 发送方法。所述电极可以以任意数量、任意形状配置，或者可以设置成任意几何形态。由此， 所述系统能够选择将被用作信号电极或用作参考电极的一组期望的电极。相似地，所述组 合参数可以被确定以组合来自不同电极的信号。因此，在这些方式中，可以针对给定的相对 于身体的位置和取向获得具有增强的接收功率或质量的电极配置，从而使得可以实现最优 的且可靠的通信。可以根据应用情况静态地(仅仅在启动时)或动态地(连续地或周期性地)选择 所述电极配置。所述配置的选择可以基于例如电容估计并且可以由硬件或软件控制。随后， 所述系统和通信少得多地受到相对于人或动物身体的位置、取向或活动的影响。此外，用作参考耦合器或信号耦合器的电极的数量可被最优化。例如，如果少量的 电极足以实现信号到身体的合适耦合，则所有其他电极可被选择作为参考电极。这提供了 进一步的最优化，因为参考电极(一个或多个)到周围环境导体(大地)的电容耦合是确 定信号强度的参数之一。电容耦合越多，信号越强。所述电极布置的多个电极或电极段可被设置为在所述身体耦合的通信期间提供 以下至少之一信号电极和参考电极或电极段之间相对于人或动物身体的表面的水平取 向、信号电极和参考电极或电极段之间相对于人或动物身体的表面的垂直取向以及仅信号 取向(在该取向上，所述电极布置仅由信号电极构成)，并且其中所述多个电极或电极段在 取向和位置中的至少一个方面不同，不同的程度足以实现所述耦合器多样性。由此，可以提 供各个电极或电极段的很多种取向，从而接收至少一个强信号的可能性很高。在一个特定实例中，所述多个电极或电极段可以以三维布置来设置，这可以进一 步提高多样性收获。而且，所述多个电极或电极段可以包括具有第一传导区的第一电极和具有第二传 导区的第二电极，所述第一传导区具有比所述传导区更大的尺寸。利用该布置，具有较小传 导区的电极可以用作电容器测量电极。根据第一选项，可以通过确定耦合器电极(已经通过该耦合器电极接收了身体耦 合的通信信号)之间的电容或电阻的至少一个来本地地执行所述估计。根据第二选项，可以基于经由身体耦合的通信信号接收的训练序列(training sequence)执行所述估计。在一个特定实例中，所述估计可以适于接收在身体耦合的通信信 号包的前导(preamble)中的训练序列。根据第三选项，可以基于所接收的身体耦合的通信信号的数据信号执行所述估 计，更特别地，所述估计器可以适于基于所接收的数据信号的误差检验来估计发送参数、选 择参数或加权参数。所述发送参数可以通过使用所述选择处理依次地适于多个身体耦合的通信信号 的每一个。而且，可以提供用于存储身体耦合的设备(已经从中接收了所述多个身体耦合的 通信信号)的被估计的发送参数的查找表。此外，所估计的发送信号可被向回发送到身体耦合的设备(已经从中接收了所述 多个身体耦合的通信信号)。
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上述装置的信号处理单元可以包括多个乘法器(multiplier)，其用于选择性地 加权所述多个接收的身体耦合的通信信号；和加法器，其用于将被加权的身体耦合的通信 信号相加。可替换地，所述信号处理单元可以包括多个比较器，其用于比较所述多个身体耦 合的通信信号的每一个的强度和平均强度或其他阈值水平；和多个开关，其用于选择那些 信号强度高于平均强度或其他阈值的身体耦合的通信信号以将其组合以生成输出信号。下面定义其他有利实施例。
现在将以举例方式基于参照附图的实施例来描述本发明，在附图中图IA和IB示出示意性的人体和设备取向对耦合电容器的影响；图2A-2C示出具有不同的参考和信号电极取向的电极耦合设置；图3示出根据实施例的具有电极多样性的电极布置；图4示出根据实施例的多样性组合器(diversity combiner)的功能实现方式；图5示出用于加权参数的基于训练的估计的示意性数据包；图6示出根据实施例的估计程序的流程图；图7示出根据实施例的多电极布置的实例；图8A和8B示出根据实施例的分开的电极的实例；图9示出根据实施例的用于控制电极布置的控制电流的示意图。
具体实施例方式现在将基于作为PAN和BAN的射频(RF)通信的替代的BCC系统来描述本发明的 各种实施例。如上所述，BCC信号在身体上传输而不是通过空气传输。同样，所述通信被限 于靠近身体的区域，这与其中覆盖大得多的区域的RF通信形成对比。因此，TX和RX设备 位于身体上、连接到身体或靠近身体放置。这为识别和安全领域中的许多应用创建了可能 性。而且，由于与RF通信相比可以使用更低的频率，所以向BAN/PAN的低成本和低功率实 施敞开了大门。数据信号不是通过天线发送的，而是使用由例如电极组成的“耦合器”发送 的。这些耦合器被配置为将数据信号(例如电流或电容)耦合到身体。图2A-2C示出用于TX设备与RX设备之间的BCC通信的可能的电极配置。更特别 地，示出了手臂上的通信设置(setup)，其中信息从TX设备发送到RX设备。图2A示出第一耦合设置，其中信号电平(S)和参考或地电平(GND)这两者都被靠 近身体放置或放置在身体上并且都以此方式耦合到身体。所述耦合器的相应电极被配置为 获得水平场取向并且最常见地用于电流耦合。图2B示出第二耦合设置，其中信号电平(S) 或参考或地电平(GND)被耦合到身体，而相应的另一个电平被耦合到“空气”、“周围环境”或 “大地”。该第二耦合设置提供了垂直场取向并且最常见地用于电容耦合。连接到身体的所 述结构由两个隔离的耦合电极组成，其中一个电极必须被导向身体，而另一个电极被平行 于第一电极堆叠。图2C示出第三耦合设置，其中仅一个耦合器被连接到身体或靠近身体放 置，但是其中RX/TX设备的PCB的接地板(GND)充当参考或接地电极。后一种配置最常见 地用于电容BCC。
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取代对于通信系统仅仅使用两个电极(例如一个将信号耦合到身体，而另一个被 用作参考)，其在图IA和IB中被示为一对板或一对电极A和B，在各种实施例中提供一组 板或电极(其可以为任意数量或形状)。所述一组电极被连接到动态(active)配置装置或 系统，该装置或系统选择哪些电极耦合到人身体以便使用它们中的至少一些作为信号电极 (例如并行地)，而剩余电极中的至少一些于是被用作参考电极(例如也是并行地)。根据下面所描述的实施例，建议通过应用电极多样性来提高BCC系统的可靠性、 鲁棒性和使用的便利性，所述多样性具有电极的不同取向、用于或组合不同电极处的信号 或将它们分组和/或选择它们(中的子集)来创建电极多样性的不同技术、以及用于确定 期望的多样性设置(即标准或参数，可以基于该标准或参数来控制多样性设置(例如耦合 器的选择))的不同程序中的至少一个。作为附加选项，从接收器(RX设备)到发送器(TX 设备)的特定信号发送可以被应用以允许发送器基于在接收器处的测量或确定应用或控 制其多样性设置。图2A-2C中呈现的耦合配置的缺陷在于，它们的性能对耦合器的取向敏 感。在 K. Fujii 等人于 IEICE Trans Commun E88-B，pp. 2401-2410 发表的 “Study on the Transmission Mechanism for Wearable DeviceUsing the Human Body as a Transmission Channel ”中，指示了图2A中示出的取向与当电极被旋转90度相比具有高出 20dB的损失。针对图2B和2C示出的耦合配置，指示了相似的情况。对于图2B，指示了当 耦合器(即电极对)相对于身体倾斜时，所接收到的信号电平大幅度降低，如图I.B.的上 述讨论中所解释的。它还显示出当GND参考电极面对地时所述性能是最佳的。根据本发明的实施例，通过将电极细分成更小的、独立的电极或与图2A至2C中呈 现的设置相似地提供附加的电极来降低取向敏感性。随后以这样的方式组合和/或选择不 同电极上的信号使得对于电极配置或身体的给定取向，获得顶峰性能。图3示出针对图2A的水平取向的可能的多样性设置。在该设置中，与原始设置相 比，接收器(RX) 10包括三个附加信号电极40 (例如板或类似物)，其中信号电极40和参考 电极42 (颜色为黑色并提供GND信号)被连接到选择和/或组合单元30 (其可以是硬件 电路或元件或软件程序，并且其可以被设置为一个单独的单元或是接收器10的一部分)。 基于对性能或参数的一些已获得的测量(稍后描述)，接收器10决定哪些电极(一个或多 个)40用于接收数据信号(即选择)和/或如何组合源自发送器(TX) 20的且被不同电极 40接收的信号(即组合)，并且基于其决定控制选择和/或组合单元30。应当注意，在图3 中为了图解说明的目的，参考电极42被选择作为固定的。然而，在所述选择多样性的情况 下，也可以选择一对电极。于是，5个电极40的本示范性情况产生10个可能的组合，而不是 具有所述固定GND参考电极42的4个组合。可替换地，使用该设置还可以实现对作为参考 的一组电极和作为信号电极的另一组电极的不同分组。而且，所述发送器20不必是图2中的固定的电极布置。而是，它也可以装配有与 接收器10相似的多样性设置。在这种情况下，可以在数据信号发送之前，基于一些性能或 参数测量来选择一对发送器电极。在一些耦合器配置中，对发送器20和接收器10的设置 进行联合优化可能是有益的。对于图2B和2C中的其他耦合器配置，可以制造不同的多样性设置，其具有与图3 中的设置相似的属性。对于图2B中的垂直取向，信号和GND电极40、42这两者可以在多个单独地连接到选择和/或组合单元30的单独电极中被分开(split)。而且，这种电极可 以放置在不同角度上，这减少了整个设备的特定取向的影响。一个实例可以是分段的手镯 (bracelet)，其由不同电极对组成。在这种配置中总是至少一个GND电极面对周围环境或 地并且可以被选择。 下文中，为了清楚起见，为了图解的目的将考虑图3的耦合器设置，尽管所述测量 和特征也适用于其他情况。图4示出选择和/或组合单元30的可能实现方式的示意性功能图。在组合和/ 或选择单元30的输出端处获得的接收的信号y可表达为 其中Xi和α i分别表示第i个电极的电压和加权值。变量g表示GND参考电压， 而相应的权重α g将具有与其他电极相反的符号。针对所述选择组合方法，对于所选的信 号电极isele。t而言α i等于1，而对其他信号电极等于0并且因此ag = -l。还注意到，可 以通过对于集合(iwd^Uku，...)设置、=1和Cig = -1来选择子集。信号\和8 被相应的乘法器44加权并且随后用加法器46求和以获得输出y。在图3中，提供了 4个信号电极40和一个GND电极或参考耦合器42。应当注意， 对于选择组合，可以由开关取代至少乘法器44中的一些。对于也选择了参考电极42的情 况，用于所接收的信号的表达式变为 其中对于所选的信号电极a i等于“1”，而对于所选的参考电极α ,等于“_1”，且 对于所有其他电极、等于“0”。针对选择确定i的程序基于最大化所接收的电压，即， 类似地，对于可以从一组电极中选择信号电极40和参考电极42这两者的情况，其 中所述集合索引等于
^、另一种方法可以基于例如通过估计在没有消息发送的时间期间所接收的功率而 对来自不同信号电极40的信号的干扰电平的选择决定。当然，当目的是最大化所提出的方案的通信范围时，出于隐私和安全的原因，可以 选择产生期望的或目标信号质量(例如信噪比(SNR))的电极或电极对，而不选择具有最高 可能信号质量的电极或电极对。而且，取代选择信号电极40中的一个(或两个)，可以选择来自不同板的信号，这 提供以下优点所述电极设置的整个区域得以应用。在这种情况下，等式(1)和(2)中的权 重是不同电压贡献的相对权重。一种实现起来简单的解决方案是将所有信号以相等的权重 相加，即对于所有的i，α i = 1。一个更优化的方案是α i = 1/SNRi，其中SNRi表示第i个 电极连接的瞬时信噪比。当复信号(I和Q)用于身体耦合的发送时，在第i个电极上接收的信号可被写作Xi = β ^xpH θ ^t, (5)
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其中j表示复单元，t表示发送的(复)信号，而1和θ 别表示TX电极与第 i个RX电极之间的信道的幅度和相位。在这种情况下，一种确定权重的好方法是基于最大 比组合，即CIi= βiexp(Jθi)。一个不那么复杂的方法是基于等增益组合，其得出αi = exp (j θi)，即来自不同电极40,42的信号被相干地相加(coherently added)。上面已经描述了组合和选择来自不同电极40、42的信号(电压)的不同方法。下 面，给出用于估计加权参数、或其他参数的方法。这些方法包括例如离线估计、基于训练 的估计以及数据辅助参数估计。对于离线估计，可以在发送器和/或接收器中本地地估计参数以确定加权系数的 集合l>J。不需要发送数据或训练信号(一个或多个)。稍后描述离线估计的若干方法， 其中对于到身体的电容耦合情况，电极对之间的有效电容实验地被确定。可替换地，在其中 所述电极电流地耦合到身体的情况下，可以确定所述电极之间的电阻。对于选择组合，设置Ci,j = 1，其中所述电容最低而所述电阻最高，这与等式(1) 和(2)相似。对于其他多样性方案，存在f(.)函数，其将电容和电阻值Cq和Rq映射到 加权值α μ，即Qi j = f (Cijj, Rijj) (6)一个实例可以是Cii,J = Ci,广或ay = Ri,j^n，其中n = 1或2。离线估计的优点在于，它可以在所述系统不在发送或接收数据并且因此处理能力 (power)可用期间应用。而且，它可以甚至在发送器和接收器不在通信范围中时应用。对于基于训练的估计，一个已知的序列或训练列率(sequency)被发送以使得 能够估计加权参数。这可以是被发送以评估身体信道的单独的包，其也被称为“探测 (sounding)包”。然而，也可以使用包发送的前导部分。图5示出用于基于训练地估计所述加权或选择参数的示意性数据包。前导50和 数据部分52—起包含在包发送中，无论如何(anyway)以实现同步，并且同样该前导50不 会强加(impose)附加的开销。前导50通常可以由重复的符号组成并且可以用在该实施例 中以传输训练序列。将在这种程序中被估计的典型参数是β” 9i*SNRi。图6示出根据一个实施例的用于估计RX参数的程序的流程图。在步骤SllO中，所述接收器10使用前导50的第一符号来进入同步。随后，在步 骤S120，在不同电极40上(例如逐个地)测量性能参数，以获得估计的性能参数。这可以 通过针对仅仅一个i设置α i = 1来实现。在所述符号边界处，接收器10通过设置α i+1 = 1和Cii = O切换到下一个电极。同样，对应于不同电极的参数被相继地估计。在步骤S130 中，就在数据被接收之前，所述估计的参数(例如β θ》被用于针对数据的接收将加权 参数、设置为正确的值。应当注意，对于许多i值或大量的(i，j)，需要大的开销(即，长前导)来估计所 有参数。然而，可以通过存储在前包的参数明显地减少该开销。随后，当与包重复率相比所 述信道的时间常数较小时，仅须估计每包的RX电极40的子集的参数。对于数据辅助参数估计，被接收的和/或被检测的数据信号用于估计所述参数。 基于检测的符号，可以例如基于下面的等式确定所述信道的幅度Pi和相位Qi βiexp(-jθ^i) = t^-1xi(7)其中t是对从检测的数据导出的发送信号的估计。另一个方法可以是基于在所述包的循环冗余校验(CRC)上所选的电极(一个或多个)。当该校验示出所述包被错误地检 测时，接收器10可以切换到另一个电极。该方法的一个优点是，不需要额外的开销。在发送器侧处的耦合多样性的情况下，两个信号发送方法可以单独地或组合地应 用，即使用身体信道的互易性(reciprocity)或使用上述信道参数的反馈。在第一信号发送方法中，所有BCC设备充当收发器，即具有发送器和接收器这二 者的功能。而且，所述身体信道的互易性被使用，这意味着从第一设备到第二设备的信道等 同于从第二设备到第一设备的信道。因此，所述发送器可以使用在接收阶段期间(从相同 设备)估计的参数(例如I、θ i和SNRi)以确定加权参数α i的值。这些参数可以基于 上述估计方法中的任意一个。对于这第一信号发送方法，所述收发器可以装配有存储用于所有其他设备的在前 估计的参数的查找表。然而，该数量对于BAN将是小的，因为人或动物身体上的节点的数量 将是有限的。在第二信号发送方法中，所述接收器估计所述信道参数，并且在检测所述包的数 据部分之后，它将这些估计的值向后发送到源(即，发送器侧)，其可以将它们应用于下面 的发送。可替换地，所述接收器可以确定用于发送器的、值并且将它们反馈回去。以此 方式，所述接收器可以针对TX和RX联合地最优化，这将导致性能的改善。为了针对不同TX 布置实现该估计过程，所述发送器可以在前导周期内在耦合器板之间切换，例如每个前导 符号被另一个电极发送。因此，所提出的发送系统能够选择一组电极用作信号电极或用作参考电极。所提 出的系统可以由一组应当连接到BCC设备的电极、遵循不同原理提供关于一个单个电极与 剩余部分之间电容的信息的感测电路或功能、基于由所述感测单元或功能提供的信息决定 哪些电极应当被视为到人身体的耦合器而哪些电极应当被视为发送电极(到外部环境例 如大地的耦合)的配置控制器或功能组成。在图3的示范性布置中，所述感测和配置功能 可以由选择和/或组合单元30提供。图7示出根据一个实施例的多电极布置的实例。一般地，所述电极可以是任何形 状、任何尺寸，并且可以设置在任何几何形态配置中。然而，提供电极的三维(3D)分布的几 何形态(比如图7中的布置)提供选择两组具有很大差异的到人身体的总电容的电极的高 可能性，这有益于基于电容的BCC。一种发现最优布置的解决方案可以是简单地尝试所有(或一组)不同电极布置并 且确定哪一个是最佳的。如上所述，这可以通过与另一个接收器或发送器通信或通过在发 送模式中切换设备并测量输出驱动缓冲器中的电流消耗来实现。给出最低电流消耗的电 极配置是最优的一个配置，因为它确保具有到身体的大电容的所有电极一起被分组，从而 提供到身体的良好耦合。所有其他电极显然具有到身体的小电容，这意味着它们必须具有 到周围环境的“自由视野”，从而使得它们能够被一起分组为组合的发送表面。当情况改变 时，例如当设备的取向改变时，甚至当发送丢失(lost)时，可以使用旧配置，直到完成对所 有不同电极布置的新扫描。这样的扫描因此可以有规律地进行。图8A和8B示出根据其他实施例的电极布置的实例，其中每个电极A1-A4被分成 两个导体，例如一个大导体，将用作用于BCC通信的BCC电极40，和一个小导体，将用作用于 电容测量的测量节点43。所述导体可以是任何形状和尺寸。
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根据该设置，BCC电极40和其相应的感测或测量电极43之间的电容耦合强烈受到 环境中导体表面的存在的影响。如果孤立的传导表面(如人身体)靠近电极，则BCC电极 40与测量电极43之间的电容增加。该差异可以容易地通过将已知信号应用到BCC电极40 并且评价测量电极43处的信号的幅度。该操作可以针对所有属于BCC信号的电极并行或 串行地执行。而且，所述测量可以在标准操作期间通过使用不同于用于发送信号的频带的 频带来执行，或者可以在发送或接收阶段开始之前执行，或者可以以周期为基础执行(由 期望的应用确定)。一旦所述电容测量被执行，容易将所述电极分类为若干组，例如示出到外部导体 的更高电容的那些电极是被选择作为到人身体的耦合器的电极，即信号电极，并且其他电 极是被选择作为参考电极的电极。利用该拓扑结构，也容易调适属于各组的电极的数量。到身体的平均电容值可以 被估计并且例如每个示出大于平均值的电容的电极可被选择作为到人身体的电极，而其他 电极(一个或多个)应当被选择作为到环境的电极。在这种情况下，仅仅为电容耦合到人 身体做出主要贡献的电极被选择作为信号电极，即使它们的数量小。图9示出根据实施例的用于控制电极布置的控制电路拓扑结构的示意图。BCC电极和其相应测量电极之间的电容是电极220和传导(例如人)身体之间距 离的度量(measure)。所述电容可以通过将已知信号应用到电极并且测量在具有预定负荷 的测量电极处所得信号的幅度来测量。在图9中，该负荷被示为到公共电压V。的电阻器， 但是原则上，可以使用任何阻抗，例如电容器、线圈或其组合。同样，在来自图9的实施例 中，已知的信号直接从提供给具有非反相输出端和反相输出端的缓冲放大器210的经调制 输入发送信号导出。这是可能的，这是因为以下事实在反相输出端处经反相的发送信号的 幅度等于原始发送信号的幅度，这意味着每个幅度检测器230的输出与对应的输入开关Si 的位置不相关。当然，也可以使用频带外频率的额外的独立信号源来提供已知的测量信号。 每个幅度检测器230的输出在缓冲器240处被缓冲以获得DC电压Vi,其表示信号强度并且 其经由相同的电阻器Ri到Ri+n连接到求和节点，从而给出所有各个Vi电压的平均电SVavg。 每个分支具有比较器250，其确定各个电压Vi是高于还是低于平均电压Vavg，并且基于该决 定，对应的电极经由开关Si连接到发送信号或经反相的发送信号。由此，表现出高于平均 电容的所有电极(接近身体)将被分组并连接到发送信号的一个相位，而所有其他电极将 连接到发送信号的相反相位。然而，应当注意，图9的配置仅仅是可以如何建立系统的实例。也可以利用不同的 构件(building block)获得等效设置，或者在模数(A/D)转换后，在数字域且因此也基于 软件程序而获得等效设置。在发送期间，当条件(例如设备的取向)改变时，所提出的配置将立即且连续地被 改变。在接收模式期间，可以使用现有发送模式的最后配置，或者可以将频带外信号应用到 所有电极，这应当不影响频带内接收的信号但是允许连续地调适电极布置。上面的实施例可以在许多领域中被实现为自适应身体耦合的或基于身体的系统。 在消费电子领域，无线连接可以更容易地建立。随着可用电子设备的数量的增加(家庭计 算机、膝上型计算机、掌上型计算机、移动电话.· ·)，这些设备之间的交互对于普通用户来 说变得越来越难以建立。作为便利性工具，BCC系统可以帮助使用不同种类的平台和协议
12连接若干不同的设备。例如，利用BCC，可以通过膝上型计算机和移动电话这两个设备的简 单接触来建立它们之间的蓝牙连接，从而允许例如照片交换应用。BCC也可以用于实现在汽车领域中提供更多便利的应用。实例是汽车进入，其 中可以通过仅仅触摸汽车来开启它；防盗，其仅仅允许穿戴识别标签的指定用户操作汽车； 汽车配置/个性化，其解除了用户按照他/她的个人偏好调整汽车设置的负担，用户在进入 该汽车时立刻被认出。而且，在医学应用中越来越需要自动识别，以提高患者的安全和工作流程效率这 两者。基于身体耦合的通信的患者标识符允许在医学检查期间自动识别患者、设备的安全 和自动关联，对各个患者的传感器和无线测量。在上述所有应用领域中，上述实施例中描述的解决方案明显提高了身体信道通信 的可靠性。总之，已经描述了一种耦合器设备、用于处理多个身体耦合的通信信号的处理装 置和方法，所述信号已经通过使用具有多个电极或电极段的电极布置检测。所述身体耦合 的通信信号的相应发送参数被估计并且选择、分组和加权处理中至少一个基于所估计的发 送参数而被应用于检测的身体耦合的通信信号。随后，将被处理的身体耦合的通信信号组 合以生成多样性输出信号。尽管，在附图和前面的说明书中详细示出并描述了本发明，但是这些图示和描述 被认为是说明性或示范性的而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人 员通过阅读本公开将清楚其他修改。这样的修改可以涉及在本领域中已知的且可以代替或 补充本文已经描述的特征而使用的其他特征。本领域技术人员通过研究附图、公开和所附权利要求，能够理解并实现对所公开 的实施例的改变。在权利要求中，文字“包括”不排除其他元件或步骤，且不定冠词“一”不 排除多个元件或步骤。单个处理器或其他单元可以基于相应的软件程序实现如结合图4和 图6描述的选择和/或组合的单元30的功能。所述计算机程序可以存储/发布在合适的 介质上，如光学存储介质或与其他硬件一起提供或作为其一部分的固态介质，但是也可以 以其他形式发布，例如经由因特网或其他有线或无线电信系统分布。在相互不同的从属权 利要求中叙述某些措施这个起码事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要 求中的任何附图标记不应当被解释为限制其范围。
1权利要求
一种用于身体耦合的通信的耦合器设备，所述耦合器设备被配置为放置在人或动物身体处或紧靠人或动物身体放置并且包括由多个电极或电极段(40，42；40，43)组成的电极布置，所述多个电极或电极段可单独连接以实现电极多样性。
2.根据权利要求1的耦合器设备，其中所述多个电极或电极段(40，42；40,43)被设置 为在所述身体耦合的通信期间提供信号电极和参考电极或电极段之间相对于所述人或动 物身体的表面的水平取向、在信号电极和参考电极或电极段之间相对于人或动物身体表面 的垂直取向以及其中所述电极布置仅仅由信号电极组成的仅信号取向中的至少一个，并且 其中所述多个电极或电极段(40，42;40，43)在取向和位置中的至少一个方面不同，不同的 程度足以实现所述电极多样性。
3.根据权利要求1或2的耦合器设备，其中所述多个电极或电极段(40，42;40，43)以 三维布置来设置。
4.根据权利要求1的耦合器设备，其中所述多个电极或电极段(40，43)包括具有第一 传导区的第一电极(40)和具有第二传导区的第二电极(43)，所述第一传导区具有比所述 传导区更大的尺寸。
5. 一种用于处理多个身体耦合的通信信号的装置，所述装置(30)包括a)多个输入端子，用于接收所述多个身体耦合的通信信号；b)估计器，用于估计所述身体耦合的通信信号的各个发送参数；以及c)信号处理器，用于将选择和加权处理中至少一个应用到所述接收的身体耦合的通信 信号并且用于组合经处理的身体耦合的通信信号以生成多样性输出信号，其中所述选择和 加权处理基于所述估计的发送参数来控制。
6.根据权利要求5的装置，其中所述估计器适于通过确定通过其所述身体耦合的通信 信号已经被接收的耦合器电极之间的电容或电阻中至少一个来本地地估计所述发送参数。
7.根据权利要求5的装置，其中所述估计器适于基于经由身体耦合的通信信号接收的 训练序列估计所述发送参数。
8.根据权利要求7的装置，其中所述估计器适于接收在所述身体耦合的通信信号包的 前导中的所述训练序列。
9.根据权利要求5的装置，其中所述估计器适于基于所接收的所述身体耦合的通信信 号的数据信号估计所述发送参数。
10.根据权利要求9的装置，其中所述估计器适于基于所述接收的数据信号的误差校 验来估计所述发送参数。
11.根据权利要求5的装置，其中所述估计器适于通过使用所述选择处理相继地针对 所述多个身体耦合的通信信号的每一个估计所述发送参数。
12.根据权利要求5的装置，其中所述装置包括用于存储所述多个身体耦合的通信信 号已经从中被接收的身体耦合的设备的被估计发送参数的查找表。
13.根据权利要求5的装置，其中所述装置包括一种发送器，其用于将估计的发送参数 向后发送到所述多个身体耦合的通信信号已经从中被接收的身体耦合的设备。
14.根据权利要求5的装置，其中所述信号处理单元包括多个乘法器(44)，其用于选 择性地加权所述多个接收的身体耦合的通信信号；和加法器(46)，其用于将被加权的身体 耦合的通信信号相加。
15.根据权利要求5的装置，其中所述信号处理单元包括多个比较器(250)，其用于比 较所述多个身体耦合的通信信号的每一个的强度与预定的阈值；和多个开关(Si),其用于 选择那些信号强度高于所述预定阈值的身体耦合的通信信号以将其组合以生成所述输出信号。
16.一种处理多个身体耦合的通信信号的方法，所述方法包括a)通过使用具有多个电极或电极段(40，42；40,43)的电极布置来检测身体耦合的通信信号；b)估计所述身体耦合的通信信号的各个发送参数；以及c)基于所述估计的发送参数将选择和加权处理中至少一个应用到所述接收的身体耦 合的通信信号并且组合所处理的身体耦合的通信信号以生成多样性输出信号。
17.根据权利要求16的方法，进一步包括通过确定所述耦合器电极或电极段的相应的 一些之间的电容或电阻中至少一个来本地地执行所述估计，所述身体耦合的通信信号已经 通过所述耦合器电极或电极段被接收。
18.根据权利要求16的方法，进一步包括基于经由身体耦合的通信信号接收的训练序 列估计所述发送参数。
19.根据权利要求16的方法，进一步包括基于所述身体耦合的通信信号的所接收的数 据信号估计所述发送参数。
20.根据权利要求16的方法，进一步包括通过使用所述选择处理相继地针对所述多个 身体耦合的通信信号的每一个估计所述发送参数。
21.根据权利要求16的方法，进一步包括以信号形式向后发送估计的发送参数到身体 耦合的设备，从中所述多个身体耦合的通信信号已经被接收。
22.—种计算机程序产品，包括用于执行如权利要求16至21之一中所述方法的步骤的 代码方法。
全文摘要
本发明涉及耦合器设备、处理多个身体耦合的通信信号的处理装置和方法，所述信号已经通过使用具有多个电极或电极段(40，42；40，43)的电极布置而被检测。所述身体耦合的通信信号的相应发送参数被估计，并且基于所估计的发送参数将选择和加权处理中至少一个应用到所检测的身体耦合的通信信号。随后，所处理的身体耦合的通信信号被组合以产生多样性输出信号。由此，在身体耦合的或基于身体的通信系统中增加了抗耦合器错位的鲁棒性和用户的方便性。
文档编号H04B13/00GK101904118SQ200880121478
公开日2010年12月1日 申请日期2008年12月18日 优先权日2007年12月20日
发明者A·法齐, J·范登霍姆伯格, T·C·W·申克 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司