电流耦合型人体通信收发系统的设计及其FPGA实现

论文摘要

人体通信（Intra-Body Communication, IBC）是一种新兴的短距离通信技术。其最大特点在于将人体作为信息的传输媒介，以实现人体表面、内部、周围等一切可与人体接触的电子装置之间的数据传输和共享。人体通信尤其适用于需要长期、连续开展人体医学信号检测的穿戴式/植入式医疗仪器之间的信息交互，是构建体域网的一种新型手段。电流耦合型人体通信的实现过程不易受到接地因素和周围环境的影响，具有更好的适应性和稳定性。而有关电流耦合型人体通信的研究尚处于起步阶段，大多数成果仅局限于仿真、模型探索和实验层面，硬件实现方面尚不深入。因此，本文在课题组前期针对电流耦合型人体通信电磁理论解析、数值仿真和硬件设计等相关研究基础上，设计一种可靠、稳定的电流耦合型人体通信收发系统。研究工作主要从以下几方面展开：根据课题组在前期开展的人体实验中得出的人体信道物理层的特点和规律，选取相应的载波频率，进而以FPGA为平台，采用相位连续的FSK调制和数字解调方式设计了一种电流耦合型人体通信收发系统。在发送器方面，采用直接频率合成器技术发送载波频率分别为50kHz和100kHz的正弦调制信号，并由V/I转换电路调理为适合于人体传输的交变电流信号。在接收器方面，采用非相干解调方式，并设计了相应的前端硬件电路和数字解调器等部分，正确地恢复了原数字基带信号。基于FPGA重点设计了全数字锁相环来实现人体通信中位同步信号的提取，并提出了相关指标。该锁相环可以从低码元传输速率的数字基带信号中较好地提取出位同步信号，准确地实现了码元的再生，且具有锁相时间短、锁相精度高和相位抖动小的特点，为人体通信系统的可靠性和稳定性提供了有效保证。最后，通过人体通信实验对收发系统进行调试，结果表明，在码元传输速率皆为5kbit/s时，该系统能够在人体不同部位、以及多人之间可靠、稳定地实现数据的传输。总之，本文关于电流耦合型人体通信收发系统的设计为人体通信技术的发展提供了成功经验。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题背景
• 1.2 人体通信概述
• 1.3 FPGA 和 Verilog HDL 的介绍
• 1.4 课题来源和主要研究工作
• 第二章 人体通信收发系统的设计
• 2.1 IBC 发送器的设计
• 2.1.1 调制方式的选择
• 2.1.2 2CPFSK 调制器的设计
• 2.1.2.1 跳变检测器
• 2.1.2.2 码速控制器
• 2.1.2.3 DDS 的设计
• 2.1.2.4 发送器的整体仿真
• 2.1.3 低通滤波器的设计
• 2.1.3.1 低通滤波器的选择
• 2.1.3.2 Elliptic LPF 的设计
• 2.1.4 V/I 转换电路的应用
• 2.2 IBC 接收器的设计
• 2.2.1 解调方式的选择
• 2.2.2 前端硬件电路的设计
• 2.2.3 2CPFSK 解调器的设计
• 2.3 收发器的整体仿真
• 2.4 本章小结
• 第三章 位同步提取电路的 ADPLL 设计
• 3.1 位同步技术的介绍
• 3.2 基于 FPGA 的 ADPLL 电路设计
• 3.2.1 数字鉴相器的设计
• 3.2.2 数字滤波器的设计
• 3.2.3 数控振荡器的设计
• 3.2.4 锁相检测器的设计
• 3.2.5 分频器的设计
• 3.3 ADPLL 的整体仿真
• 3.4 ADPLL 的主要性能分析
• 3.4.1 同步建立时间
• 3.4.2 相位误差
• 3.5 本章小结
• 第四章 人体通信收发系统的调试与实现
• 4.1 硬件开发平台
• 4.2 IBC 收发系统的调试
• 4.2.1 IBC 发送器的调试
• 4.2.2 IBC 接收器的调试
• 4.2.3 IBC 收发系统的实现
• 4.2.4 FPGA 资源整体使用情况
• 4.3 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 硕士学位期间发表的论文和研究项目情况
• 个人简历