總體系統架構
ZL70101工作于植入設備和外部基站(見圖2)?;景òl(fā)射2.45 GHz喚醒信號的附加電路。系統一旦通過2.45 GHz喚醒信號啟動,就通過402MHz到405MHz MICS頻帶收發(fā)器" title="收發(fā)器">收發(fā)器交換數據。
ZL70101 MICS芯片(見圖3)包含3個主要的子系統:一個400MHz收發(fā)器,一個2.45 GHz喚醒接收器及一個媒體存取控制器(MAC)。根據輸入引腳的狀態(tài)確定芯片用作植入醫(yī)療設備" title="醫(yī)療設備">醫(yī)療設備,或者基站編程器的收發(fā)器。
收發(fā)器采用一種中頻(IF)低的帶鏡像抑制混頻器" title="混頻器">混頻器的超外差架構。低的中頻可使濾波器和調制器功耗最小,沒有與高數據率、零中頻架構相關的閃爍噪聲和直流偏移問題。FSK調制方案降低了發(fā)射放大器線性要求,因而降低了功耗,并可以使用更簡單的限制接收器。
如圖3中標為半雙工RF發(fā)射器的400MHz發(fā)射子系統,包含有一個中頻調制器、一混頻器和一功率放大器。IF調制器將一個一位(兩個FSK)或兩位(4個FSK)異步數字輸入數據流轉換為中頻。上變頻混頻器將中頻轉換成RF頻率。注意,發(fā)射和接收模式的本振頻率相同,這樣就使接收和發(fā)射數據包之間的死區(qū)時間最短。
可通過寄存器自-4.5dBm~-17dBm(500 Ω負載),以小于3dB的步長編程發(fā)射功放的輸出功率。所有RF輸入的內部天線匹配電容組都可以細調匹配網絡,對給定的功率設置,實現輸出功率最大,接收器噪聲指數最佳。天線調諧為自動刻度,其中采用了一種與ADC耦合的峰值檢測器,同時帶一校準控制狀態(tài)機。
400MHz接收器子系統將MICS頻帶信號放大,將載波頻率下變換到中頻。低噪聲放大器(LNA)增益為9dB~35dB可編程。對植入醫(yī)療設備收發(fā)器,建議采用更高的增益設置,而相對低一些的增益設置可以用于選擇采用外部LNA的基站收發(fā)器。LNA和混頻器偏置電流的可編程性使優(yōu)化為理想的線性(IIP3)、功耗和噪聲指數的靈活性進一步提高。
采用多相IF濾波器抑制鏡像頻率和鄰近信道干擾,限制噪聲帶寬。多相濾波器之后接限制器和一接收器信號強度指示器(RSSI)模塊。RSSI測量由一個5位ADC轉換,可以通過工業(yè)標準SPI接口讀取。這對MICS無干擾信道評估程序有利。注意,首先必須通過MICS標準定義的一種無干擾信道評估程序,用一外部儀器確定一個合適的可用信道。
為此,還開發(fā)了一種為高可靠性醫(yī)療應用定制的專用協議由MAC處理,包括下列主要特征:
(1)采用Reed-Solomon前向誤差校正(FEC)和周期冗余碼(CRC)誤差檢測技術進行誤差校正和檢測。假設原無線電BER為10-3,則FEC和CRC之后的有效BER優(yōu)于1.5×10-10。
(2)故障情況下數據塊能夠自動再傳輸,并實現了流程控制以避免緩沖溢出。
(3)能夠發(fā)送MICS緊急命令和高優(yōu)先級信息。
(4)能處理鏈路" title="鏈路">鏈路看門狗,確保在通信沒有成功5秒之后斷開鏈路。
(5)提供鏈路質量診斷和自動校準控制。
超低功率" title="超低功率">超低功率喚醒接收器
由于儲存電池能量最重要,所以大多數植入應用都很少使用MICS RF鏈路。在極低功率應用中,大部分時間內,收發(fā)器處于一種電流極低的休眠狀態(tài)。除了在發(fā)送緊急命令外,采用MICS頻帶的系統必須在無干擾信道評估程序之后,等待基站啟動通訊。植入收發(fā)器應該周期性查詢基站是否要進行通訊。
喚醒系統采用一種工作在2.45GHz SRD頻帶的超低功率RF接收器,檢測并解碼一種專用數據包,該數據包由基站發(fā)射,然后接通芯片其余電源。芯片也可以由引腳控制直接啟動,如基站啟動、植入設備發(fā)送緊急命令或者采用選擇性喚醒系統的植入設備就需要這種方式。
本文小結
超低功率無線技術對許多植入醫(yī)療設備很關鍵,包括起搏器、除顫器、神經刺激器、藥物灌注系統、診斷傳感器和迅速增長的植入式糖尿病監(jiān)測器。然而,隨著植入通訊系統發(fā)展為支持高級診斷和治療,無線性能對植入醫(yī)療設備的電池壽命不產生影響很關鍵。