以下文章来源于类生命系统 ，作者CBSystems编辑部
在现代社会，不少人都佩戴智能手表。除了比手机更方便的交流功能，智能手表的另一大特色就是可以对部分生命体征或健康参数进行实时监测，比如心率、体脂率、含水量、体温、心电图等。随着智能传感器技术的发展和集成，未来我们也许可以把许多医学参数传感器集成到小小的手表里。
但还有一种可能性是：也许我们会穿戴越来越多的电子设备。比如我们可能把血氧仪集成进手套里，把血压计集成进袖带里，在洗完澡之后穿上贴附有表面肌电传感器的贴身内衣等等。在这种情况下，收集穿戴者各项体征参数，并发送给远程医疗AI进行计算分析，对于在健康层面实时监控、预测急性疾病等具有非常广泛的应用前景。
因此，如何实时收集各个穿戴式传感器的数据信息是首先需要解决的问题，而无线人体局域网络（WBAN)就是解决这个问题的一个新兴工具。
无线人体局域网
无线人体局域网络（WBAN)是一种有可能用于医学诊断或人机界面的新兴技术，可提供分布式、实时、长期和低成本的生命体征监测。随着规模的扩大，它需要在整个身体中传输大量数据。传统射频通信方法，比如蓝牙、ZigBee、UWB等，因为受到人体屏蔽效应的影响，需消耗更大功耗收发数据，限制节点的工作寿命。
采集各个穿戴式智能设备的数据需要考虑人体屏蔽效应
而体耦合通信（BCC）利用人体作为传输介质，有望化“壁垒”为“桥梁”，将传输损耗在特定场景显著降低，使传输能量效率提高1数量级以上。因此，它被认为是无线体域网中最有前景的发展方向之一。体耦合通信已经在许多前沿智能系统中成功应用，例如HiFi助听器、胶囊内窥镜、植入神经接口、人体身份识别（BCC-ID）等。
但是一个新的问题出现了：虽然在实验室环境中，体耦合通信技术已经展现出卓越的能量效率优势。然而，其通信路径中的体外静电耦合路径，与人体的姿态、环境等因素直接相关。在真实的可穿戴使用场景中，该体外路径将导致人体信道的传输特性时刻变化，系统更加难以维持在最佳能量效率的工作点上。进而引起不必要的能量损耗，使体耦合通信的优势难以充分发挥。
为解决这一问题，在一篇最近发表在中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊Cyborg and Bionic Systems的文章，上海交通大学的研究团队进行了深入研究，并提出利用一种“按需供电”（Power-on-demand）的体信道收发器（BCC-TRX），其功耗及性能可以根据当前信道状态进行自适应调节，使芯片时刻处于能量“刚好够用”的最佳状态。该技术的核心是带外可编程增益放大器（PGA），它巧妙令电路在常规带宽之外的一个特殊频段工作，该频段天然具有接收机增益和功率之间的近似线性折中规律，从而完美地支撑了“按需供电”理念的实现。
论文地址：https://spj.science.org/doi/10.34133/cbsystems.0030
工作原理
上文分析了，当人的姿态发生变化时，发送器和接收器之间的路径损耗会变化。那么，为了保证信号传输的质量，最简单的做法就是始终保持在高功率。确保在这个功率下，无论人处于何种姿态，信号质量都得到保证。但一个显而易见的问题就是高功率引起的更短的续航。
为了提高能量利用效率，需要针对于不同的姿态（不同的路径损耗），把功率调整到刚好能够传输高质量信号的最小功率，这就是本文的基本工作原理。
工作原理图示
本文提出的体信道收发器的整体架构
实验结果
这么一个功率自适应的体信道收发器的性能如何呢？
研究人员做了如下测试:
把TX（信号发射器）和RX（信号接收器）都固定在可穿戴的手套上，使用手持示波器测量和捕捉接受的信号波形。在测量过程中，TX和RX连接在双手上，直线距离记录为体外路径距离。当受试者的两只手越来越近时，体外路径距离减小，而身体路径距离基本保持不变。
测试场景
传输信号为5.25-Mbps OOK信号，在自适应增益/功率控制器（AGPC）分别处于关闭和打开时记录稳态波形。当自适应增益/功率控制器关闭时，增益放大器（PGA）在高增益状态下初始化。增益放大器输出处的采样OOK（开关键）信号具有大的摆动，其产生解调基带数据（DRX）并触发校准指示符信号（Dcal）。当AGPC开启时，AGPC根据Dcal降低PGA增益以动态调整功率，达到省电效果。最终，PGA增益和功率收敛到优化状态，其中PGA变小，使得Dcal信号接近上升边缘。同时，在波形捕获和数据记录过程中，将手持式示波器或逻辑分析仪（Kingst LA5016）连接到电池供电的笔记本电脑上。
在保证信号传输质量下的最优功率与体外路径距离的关系
根据测量的可编程增益放大（PGA）功率与体外路径距离的关系，本文所提的自适应功率信号收发器可节省60%功率。除此之外，该收发器的各项指标相较现有研究，总体上优势明显。
与现有研究的比较
总结与展望
基于该文提出的低功耗设计，该收发器能够在1.5米体外距离下实现高信号传输能量效率。此外，其还能随着人体姿势的变化动态节省功耗，极大提升人体耦合通信网络的续航时间，从而促进人体局域网的发展。
随着可穿戴设备续航时间的增加，以及能量回收和自然能利用技术的发展，未来低功耗可穿戴设备也许可以摆脱频繁的充电需求，实现超长续航。
转自：“蔻享学术”微信公众号
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