躯体耦合通信设备的制作方法

文档序号:11142833阅读:240来源:国知局
躯体耦合通信设备的制造方法与工艺

本发明涉及布置为经由躯体传送信道接收信号的躯体耦合通信设备。



背景技术:

已经提出躯体耦合通信(BCC)或者基于躯体的通信作为对于射频(RF)通信的有前景的可替换方案,例如作为用于躯体区域网络(BAN)的基础;示例是电气与电子工程师协会(IEEE)的802.15.6任务组的标准。BCC允许在人类或动物的躯体处或其极近距离内的多个设备之间交换信息。这可以通过低能电场向躯体表面上的电容或电流耦合被实现。

在电容躯体耦合通信(BCC)系统中,在用户躯体之上经由电容耦合信号从传送设备向接收器设备传送信息。躯体耦合通信利用电场而不是电磁场来传送信息。通过从小的躯体佩戴的标签向你的躯体电容耦合信号,生成微小但可检测的电场,其从你的皮肤的整个表面向外延伸几厘米。

躯体耦合通信(BCC)使用人类躯体作为通信信道。其使得能够实现与人类躯体接触的设备之间的通过该人类躯体的无线通信。信号通过躯体而不是通过空气被传递。因此,相比于其中覆盖大得多的区域的RF通信而言,通信局限到接近躯体的区域。因此,在位于躯体上、连接到躯体或者接近躯体放置的设备之间的通信是可能的。此外,由于可以应用在基于RF的低范围通信中典型的较低频率,所以其打开了通往BAN或个人区域网络(PAN)的低成本和低功率实现的大门。因而,将人类躯体用作通信信道,使得相比于在通常用于BAN的标准无线电系统(例如,ZigBee或蓝牙系统)中而言,通信可以以低得多的功耗发生。由于BCC通常应用在躯体的极近距离内,所以其可以用于基于接触或接近而实现新的并且直观的躯体-设备接口。这创建了针对在标识和安全领域中的许多应用的可能性。

BCC在技术上可以通过由小的躯体佩戴的标签生成的电场而实现,小的躯体佩戴的标签例如集成到信用卡或者附连到躯体或在躯体的极近距离内佩戴的另一个适当的设备。该标签将低功率信号电容地或电流地耦合到躯体。有时候,该躯体耦合通信被称为“近场躯体内通信”。BCC是允许人类躯体上和附近的电子设备通过电容或电流耦合经由人类躯体本身而交换电子信息的无线技术。通过调制电场并且将细小电流电容地或电流地耦合到躯体上而传送信息。躯体将细小信号传导到躯体安装的接收器。环境(空气和/或地面地)提供用于所传送的信号的返回路径。

图1示出了示例性躯体通信系统结构,其中经由放置在躯体上或附近的耦合器来传送数据信号。这些耦合器以电流或电容方式向躯体转移数据信号。在图1的示例中,一个耦合器或电极提供地电势GND并且另一个耦合器或电极用于传送/接收信号S。更具体地,描绘了通过人类手臂从传送器(TX)100向接收器(RX)200的传送。一般地,每一个节点原则上可以充当传送器和接收器二者,即作为收发器(TRX),并且通信可以从躯体上的任何地方发生。

躯体耦合通信系统的这种电容性质使其与常规无线电通信系统不同。在后一系统中,天线具有50,75欧姆或类似的实数值电阻阻抗,而不是在躯体耦合通信中使用的耦合器的非常高的以欧姆测定的电容负载。改进特别地用于BCC的通信的解决方案已经例如在Joonsung Bae等人的论文“An Energy-Efficient Body Channel Communication based on Maxwell's Equations Analysis of On-Body Transmission Mechanism”中探索,该论文公开了一种收发器架构。该收发器架构与电容耦合器串联地放置电感器。



技术实现要素:

提供了躯体耦合通信设备。躯体耦合通信设备被布置为经由躯体传送信道接收信号。躯体耦合通信设备包括两个耦合器、接收器放大器和电感。

两个耦合器被布置为从躯体传送信道接收躯体耦合信号,躯体传送信道在躯体处于耦合器的直接邻域中时由用户的躯体形成。

接收器放大器的输入端耦合到两个耦合器中的第一耦合器。电感用于匹配接收器放大器的阻抗,电感被与耦合器并联地布置。接收器放大器可以包括差分输入级;在该情况下,差分输入级的两个输入端可以耦合到两个耦合器。如果接收器传送器的输入级不是差分的,则两个耦合器中的第二耦合器可以耦合到地。

耦合器的电容阻抗相对大。匹配电感器被与换能器并联地放置以缓解由耦合器之间的电容引起的衰减。如在背景部分中引用的论文中那样,使电感器与电容换能器串联将补偿传播路径的电容性质。然而,通过将电感器与接收器并联地放置,补偿了接收器处的两个耦合器之间的电容。匹配的L然后增强了接收器灵敏性。

在实施例中,躯体耦合通信设备布置为经由躯体传送信道接收和传送信号。两个耦合器均用于通过躯体传送信道接收和传送躯体耦合信号。设备包括与接收器放大器不同的传送器放大器。传送器放大器耦合到两个耦合器中的第一耦合器。电感被耦合在传送器放大器和第一耦合器之间。

在该位置中,电感器与接收器放大器并联,但是与传送器放大器串联。这意味着电感器适用于关于接收器放大器的高阻抗并且关于传送器放大器的低输出阻抗而匹配电感。在该解决方案中,不需要双工开关。

相应地,一种电路被提供以将传送器和接收器连接到相同换能器,其提供传送器的低输出阻抗的匹配、接收器的高输入阻抗的匹配,并且避免对于在接收时断开传送器的双工开关的需要。

在实施例中,电感器被选取使得由电感器和电容所形成的谐振滤波器形成的通带包括载波频率。特别地,电感可以通过针对L而求解LC滤波器方程(例如,2πf=1/)被选取。在本文中,L是电感器值,C是耦合器的电容,f是载波频率。

躯体耦合通信设备可以应用在各种应用中。例如,医生和医务人员可以佩戴bcc设备,一旦他们触碰医疗器械,bcc设备就向医疗器械标识他们。患者可以佩戴BCC设备以用于使用一个或多个生物传感器来监控例如温度、心率等;通过使用BCC,可以将数据上载到智能电话或其它器械。BCC还可以应用于例如金融交易、公共交通、访问控制、躯体区域网络以及去往或者来自智能电话的媒体流传送。

附图说明

本发明的这些和其它方面从在此之后描述的实施例是明显的并且将参照在此之后描述的实施例进行阐述。在附图中:

图1示出了BCC系统的示意性电极布置,

图2a示出了躯体耦合通信系统190,

图2b示出了具有双工开关的躯体耦合通信设备,

图3示意性示出了躯体耦合通信设备201的实施例,

图4示意性示出了躯体耦合通信设备400的实施例,

图5示意性示出了躯体耦合通信设备500的实施例。

在不同图中具有相同参考标号的项目具有相同结构特征和相同功能,或者是相同信号。在已经解释了这样的项目的功能和/或结构的情况下,不必要在详细描述中重复对其的解释。

参考标号列表:

100,200 躯体耦合通信设备

201,400,500

150 用户的躯体

190 躯体耦合通信系统

202,204 耦合器

206 接收器放大器

209 传送器放大器

210 经放大的所接收的信号

220 电感

260 躯体传送信道

410 传送器放大器

510 第一可控开关

511 第一输出端

520 第二可控开关

521 第二输出端

530 参考电压。

具体实施方式

尽管该发明容许许多不同形式的实施例,但是在附图中示出并且将在本文中详细描述一个或多个具体实施例,其中理解到本公开要被视为本发明的原理的示例并且不意图将本发明限于所示出和描述的具体实施例。

图1示出了如上文讨论的BCC系统的示意性电极布置。平板可以彼此平行地并且与在其中应用平板的躯体的皮肤平行地被取向;该布置在图中被示出。该布置不是必要的;平板也可以与皮肤平行但是并排地被布置,两个平板处于皮肤的直接邻域中。要指出,在图1中,平板中的一个被标记为针对地的“GND”。尽管这是一种选项,但这不是必要的。

在BCC中,经由耦合器传送信号,耦合器放置在躯体上或附近。这些耦合器以电流或电容方式向躯体转移数据信号。躯体信道的转移特性对于从大约100kHz直到大约100MHz的频率是最佳的。100kHz以下的频率受到躯体信道中的显著静电干扰的影响。在100MHz以上的频率处,波长(即,<3m)处于人类躯体(的部分)的长度的范围中,并且人类躯体开始充当天线;作为结果,可能的是,位于不同躯体上的BCC节点可以使用“人类躯体天线”与彼此通信。对于甚至更高的频率,甚至耦合器开始充当天线。因而,通信还可以在(人类)躯体不作为通信介质而存在时发生。两个效果都是不想要的,因为仅放置在相同(人类)躯体上或附近的设备应该进行通信。

图2a公开了躯体耦合通信系统190,其中可以应用本发明。图2a示意性示出了包括第一躯体耦合通信设备100和第二躯体耦合通信设备200的躯体耦合通信系统190的实施例。第一躯体耦合通信设备100和第二躯体耦合通信设备200配置为经由用户的躯体150形成的躯体传送信道260而传达信号和数据。当相应设备的耦合器处于用户的躯体的直接邻域中时,第一躯体耦合通信设备100和第二躯体耦合通信设备200能够经由躯体传送信道进行通信。用户的躯体的直接邻域意味着耦合器和躯体处于彼此的允许经由用户的躯体交换信号的最大距离内。可选地,(直接邻域的)最大距离比10cm更近,或者比5cm更近。可选地,最大距离比2cm更近。在本发明的可选实施例中,直接邻域意味着用户触碰第一躯体耦合通信设备100和第二躯体耦合通信设备200的相应耦合器。要指出的是,通信仅在两个设备同时处于用户的躯体的直接邻域中时是可能的。

第一躯体耦合通信设备100能够经由躯体传送信道260接收信号、数据和信息。例如,设备100可以包括耦合器202和204以用于在躯体处于耦合器的直接邻域中时从躯体传送信道接收信号。在实施例中,耦合器包括形成耦合器的两极的两个平板。平板是导电的,例如由金属制成。第一躯体耦合通信设备100还包括耦合到耦合器的接收器放大器206以及同样耦合到耦合器的传送器放大器209。在本文中示出了接收器放大器206、传送器放大器209以及耦合器202和204之间的连接的实施例。

接收器放大器是所谓的“低噪声放大器”(LNA)。低噪声放大器(LNA)是用来放大由耦合器捕获的信号的电子放大器。传送器放大器是所谓的“功率放大器”。低噪声放大器典型地比功率放大器具有更低的功率输出以及更低的噪声系数。LNA是接收器路径中的第一增益级。

例如,从第一躯体耦合通信设备100到第二躯体耦合通信设备200的正常数据通信可以例如在10MHz的单个载波频率下执行,或者例如在从1MHz到50HMz的范围中的多个载波频率下执行。

接收器放大器的示例性实施例可以在文档WO2010/049842中找到。

图2b示意性示出了不是根据本发明的连接接收器放大器(RX)、传送器放大器(TX)以及耦合器202和204的一种方式。设备包括双工开关230,其将接收器放大器(RX)或传送器放大器(TX)选择性地连接到耦合器。尽管设备可以包括线圈(LT),但是其没有与耦合器并联地被布置。

这样的双工开关之前由于传送器的低输出阻抗和接收器的高输入阻抗而被视为必要的。如果接收器和传送器二者直接连接到耦合器,则接收器将不会看到信号;传送器强加固定电压(其甚至可以为0)使得每一个所接收的信号太弱并且短路。双工开关使得能够实现双向通信并且避免了传送器对微弱信号的接收的负面影响。

避免双工开关的需要的以下电路被示出。

图3示意性示出了躯体耦合通信设备201的实施例。

躯体耦合通信设备201包括

- 耦合器202和204。耦合器被布置为从躯体传送信道260接收躯体耦合信号。耦合器202和204还将被称为换能器。

躯体耦合通信设备201包括

- 耦合到两个耦合器中的至少一个的接收器放大器206,以及用于匹配接收器放大器的阻抗的电感220,电感被与耦合器并联地布置。

在躯体耦合通信中,信号作为从电容换能器所传送的电场(E-Field)而传播并且其经由电容换能器被接收。这样的换能器在电学上表现为小电容器,通常比pF小得多。耦合器的电容阻抗相对大。匹配电感器被与耦合器并联地放置以缓解在其接收信号时由平板之间的电容引起的衰减。

如图3中所示,接收器放大器206包括差分输入级,差分输入级的两个输入端耦合到两个耦合器。这不是必要的,例如接收器放大器的负输入端可以对于设备是接地的。因而,单输入放大器可以应用在躯体耦合设备中。

返回到图3中所示的躯体耦合设备:

第一耦合器202连接到电感202的第一端;第二耦合器204连接到电感220的第二端。电感220的第一端连接到差分接收器放大器206的第一输入端;电感220的第二端连接到差分接收器放大器206的第二输入端。电感220因而并联连接到差分接收器放大器206的两个输入端。

接收器放大器产生经放大的所接收的信号210。信号210可以是另外的电路(比方说,解调制器)的输入。

在图3中,电感器被与换能器并联地定位以缓解由换能器的平板之间的电容引起的衰减,而在Joonsung Bae等人中,电感器被与换能器串联地放置以缓解传送器和接收器之间的传播的电容性质。根据图3的解决方案更好,因为平板的电容(Cp)是相对小的电容,其拉低接收器放大器的输入端处的电压,这可以由与Cp并联的电感器220补偿。

电感220可以实现为线圈。

图4示意性示出了躯体耦合通信设备400的实施例。

除设备201的组件之外,设备400还包括传送器放大器410。电感220和传送器放大器410一起与耦合器202和204并联。

传送器放大器410耦合到第一耦合器202。电感220耦合在传送器放大器410和两个耦合器中的第一耦合器202之间。以该方式,电感220改进了用于传送以及用于接收二者的匹配。

在如图4中所示的实施例中,传送器放大器410包括具有两个输出端的差分输出级。电感220耦合在差分输出级的第一输出端和两个耦合器中的第一耦合器202之间。两个耦合器中的第二耦合器204耦合到差分输出级的第二输出端。

更加详细地,这可以实现如下:第一耦合器202连接到差分放大器206的第一输入端和电感器220的第一端。电感器220的第二端连接到传送器放大器410的第一输出端。传送器放大器410的第二输出端连接到第二耦合器204。第二耦合器204还连接到接收器放大器206的第二输入端。传送器放大器410充当电压源。

相对于接收放大器206来说,电感器220被并联地布置,而相对于传送放大器410来说,电感器220被串联地布置。相应地,低输出阻抗在传送期间被匹配,并且高输入阻抗在接收期间被匹配。

电感器充当接收路径中的并联阻抗。在接收期间,电感器充当谐振并联匹配阻抗,其增强了所接收的信号。该效果对于高阻抗LNA输入很好地工作。

电感器充当针对传送路径的串联阻抗。对于具有输出电压Vout的传送功率放大器,电感器和换能器电容的串联连接形成非常低的联合阻抗。因而,传送器可以递送大量功率。电容平板上的电压通过电感器+电容器被放大。

传送器和接收器放大器耦合到相同耦合器,而不需要在接收时断开传送器的双工开关。电感器可以实现为线圈。

要指出,耦合器202和204均用于传送和接收。有趣的是,电感器220在传送期间和在接收期间均是有益的。因而,针对躯体耦合通信获得阻抗匹配的双工前端。

感兴趣的是比较关于图4所解释的解决方案与实现双工通信的可替换方式。例如,双工通信可以使用分离的传送和接收耦合器被实现。图4的解决方案更好,因为其仅需要单组耦合器,比方说平板。例如,双工通信可以使用所谓的双工开关被实现,所谓的双工开关即是将耦合器连接到传送器或接收器放大器的开关。图4的解决方案不要求双工开关。

当传送器放大器没有传送时,如果传送器放大器410的电感为低,则电感220的双重效果更好。这将一般地是功率传送器用于传送器放大器410时的情况。在实施例中,甚至在传送器放大器没有传送时,接收器放大器的输入阻抗高于传送器放大器的输出阻抗。在后一实施例中,接收器放大器的输入阻抗和传送器放大器的输出阻抗之间的比率小于1;在另外的实施例中,该比率小于0.5,或者甚至小于0.1。

图5示意性示出了躯体耦合通信设备500的实施例。除了已经示出了传送器放大器的适当输出级之外,设备500与设备400相同。所示出的设计是在没有传送时具有低阻抗的传送器放大器的示例。

传送器放大器的输出级包括第一可控开关510,T1和第二可控开关520,T2。第一和第二可控开关至少在导通状态和非导通状态之间可控。

第二可控开关520,T2布置为在第二可控开关520,T2导通时将电感220耦合到参考电压530。第二可控开关510,T1布置为在第一可控开关510处于导通状态中时将输出级的第二输出端521耦合到输出级的第一输出端511。

第一可控开关510和第二可控开关520可以是晶体管。参考电压可以是比方说从电池获得的正电压。

传送器放大器的输出级包括两个晶体管,其将输出电压拉到正电压530或参考低电压,比方说零电压或设备地。当设备500处于接收模式中时,可控开关510,T1被设定成导通,而520,T2没有导通:阻抗220,L然后充当增强接收器灵敏性的并联电容。此外,如果开关510导通,则输出阻抗非常低。输出级可以是所谓的推拉输出级。

在更加详细的实施例中,传送器放大器可以包括差分输出级,差分输出级包括连接到参考电压530的第二晶体管520,以及第一晶体管510。在两个晶体管连接到彼此的地方,限定了晶体管放大器的第二输出端521。在晶体管510的另一侧(不是基极侧)处,限定了第一输出端511。第一晶体管510连接到第二耦合器204。晶体管520和510的基极连接到传送器放大器的另外元件。如果晶体管520和510是互补或者准互补设备,则可能的是将晶体管510和520的基极连接到彼此。第二输出端521连接到电感220。

关于参照图3-5讨论的实施例,用于电感的良好选择可以进一步改进接收和传送。例如,躯体耦合信号可以是经解调制的载波信号。电感可以通过选取其值而进一步优化,使得载波频率位于由电感(L)和耦合器(C)形成的LC滤波器的通带中。这意味着L被选取使得L和C谐振。

为了确定用于电感L的良好值,我们可以使用公式,其中

- f是载波频率,比方说8MHz,

- 平板的电容是;

- 电介质常数

- A是耦合器平板的尺寸,比方说2x3厘米

- d是平板之间的距离,比方说5mm

对于以上给定的示例值,我们获得线圈L=0.37毫亨(mH)。

躯体耦合通信设备可以包含以上示出的附加组件。例如,躯体耦合设备可以包括唤醒电路、一个或多个传感器,比方说生物传感器,比方说心率传感器。典型地,设备包括微处理器(未示出),其执行存储在设备处的适当软件。设备可以部分地或者整体地以可编程逻辑实现,例如实现为现场可编程门阵列(FPGA)。设备可以部分地或者整体地实现为所谓的专用集成电路(ASIC),即经定制以用于其特定用途的集成电路(IC)。

应当指出的是,以上提及的实施例说明而非限制本发明,并且本领域技术人员将能够设计许多可替换实施例。

在权利要求中,放置在括号之间的任何参考标号不应当解释为限制权利要求。动词“包括”及其词形变化的使用不排除权利要求中陈述的那些之外的元素或步骤的存在。元素前面的冠词“一”或“一个”不排除多个这样的元素的存在。本发明可以借助于包括若干分立元件的硬件以及借助于适当编程的计算机被实现。在枚举若干装置的设备权利要求中,这些装置中的若干可以由同一个硬件项目体现。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能用于获益。

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