植入式人體容性信道的建模與測試

李興紅，吉 人

(1. 成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614007；2. 核工業(yè)西南物理研究院，四川 成都 610000；3. 峨眉旅游股份有限公司金頂索道分公司，四川 峨眉 614200)

1 前言

HBC技術(shù)以其功耗低、通信可靠、傳輸率高、數(shù)據(jù)安全性高等優(yōu)勢成為近年來人們關(guān)注的熱點之一，它的出現(xiàn)讓人們重新定義了觸摸方式。在HBC中，人體自身被當(dāng)作信號傳輸?shù)闹饕獋鬏斀橘|(zhì)，即利用發(fā)射端和接收端之間的通信裝置進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)傳輸。發(fā)射端一側(cè)的發(fā)射器信號不再通過天線，而是通過電極與人體進(jìn)行電耦合，同樣使用電極的接收器在另一側(cè)接收端接收信號，通常的工作頻率范圍100MHz>f>0.1MHz，以避免電磁干擾和減少信號輻射出人體。與現(xiàn)有的無線方法相比，HBC具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、可提供更好的通信安全性，并具有更高的頻譜效率等優(yōu)點。由于信號可以通過基帶數(shù)字和模擬低功率電路進(jìn)行處理，因此可以在低頻下消除射頻前端的電路損耗[1]。HBC耦合到人體可以通過電流和電容兩種方法，如圖1所示的手臂前端模型圖。在圖1(1)所示的電流耦合中，一對電極在發(fā)送端與人體皮膚接觸，并將信號耦合到人體，從而產(chǎn)生引起電流的差分信號，在接收端與皮膚接觸的另一對電極接收該信號。由于所有電極都在人體皮膚上，與外部大地沒有構(gòu)成回路，因此該方法不受外界環(huán)境影響，適合于可穿戴和可植入式設(shè)備，但它的數(shù)據(jù)的傳輸速率限制在收發(fā)端距離d<20cm和頻率f<1MHz的條件下；在圖1(2)所示的電容耦合中，發(fā)射器有一對電極，其中一個電極在人體皮膚上，而另一個電極在人體皮膚外側(cè)保持浮動，此時發(fā)射器產(chǎn)生電動勢，并在體內(nèi)產(chǎn)生電場，此電場被以同樣方式布置的接收器電極感應(yīng)。收發(fā)端在皮膚外側(cè)的浮動電極通過空氣與地面形成回路，而與體膚接觸的電極形成信號的前向路徑。由于此方式存在外部路徑，意味著對外部環(huán)境比較敏感，因此只適用于弱耦合器件，但該方法具有更高的增益和相對較高的工作頻率范圍(100MHz>f>1MHz)，因此比圖1(1)的電流耦合具有更高的傳輸速率。本系統(tǒng)以電容耦合為基礎(chǔ)建立擴(kuò)展模型并進(jìn)行實驗測試。

圖1 人體手臂前端模型的HBC耦合方法

(1)手臂前端的電流耦合

(2)手臂前端的電容耦合

系統(tǒng)主要是要建立有助于收發(fā)器設(shè)計、滿足低功耗要求的模型，因此必須掌握HBC的信道特性，而且收發(fā)器的輸出功率和輸入靈敏度都與信道頻率響應(yīng)有關(guān)，在確定系統(tǒng)功耗中具有重要意義。HBC建模之所以受關(guān)注主要是由于測量結(jié)果取決于使用的方法以及在人體內(nèi)保持正確的通道路徑。文獻(xiàn)[2]提出基于皮膚阻抗和由皮膚細(xì)胞尺寸及電特性建立的HBC通道模型，但它沒有對返回路徑和泄漏電容進(jìn)行建模，因此信道模型并不完整；文獻(xiàn)[3]根據(jù)距離和頻率描述了路徑損耗所建立的HBC通道模型，分析中沒有明確地包含返回路徑通道，同時在測量中沒有進(jìn)行測試夾具的補(bǔ)償；文獻(xiàn)[4]根據(jù)不同人體結(jié)構(gòu)的三維有限元電磁(3D-FEM)仿真結(jié)果建立了HBC信道模型，模擬了前向和返回路徑，其中包括一些泄漏和間接信號路徑，但在測量設(shè)置中也沒有對夾具進(jìn)行補(bǔ)償，同時也沒有對真實的HBC信道進(jìn)行實驗測試。以上文獻(xiàn)有些缺乏完整的通道模型，或者有些沒有對測試夾具的影響進(jìn)行實質(zhì)性的測試，導(dǎo)致不同的模型結(jié)果，并不能完全描述信道測量結(jié)果。因此，系統(tǒng)在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上提出擴(kuò)展模型，改進(jìn)利用實驗設(shè)備進(jìn)行了測試通道預(yù)測。系統(tǒng)中的HBC信道作為主信道劃分成內(nèi)部和外部兩部分，這有利于信道識別和建模過程?；谥魍ǖ离娐凡考蜏y試夾具，在擴(kuò)展模型中對測量裝置及各組成部分進(jìn)行分析。最后，將擴(kuò)展模型的主信道模型和信道的實際特性結(jié)果進(jìn)行了比較，表明擴(kuò)展模型表達(dá)信道測量的能力。通過測試得出，在描述信道特性和實際的HBC信道預(yù)期衰減曲線時，應(yīng)適當(dāng)考慮測試夾具的影響。

2 主通道建模

系統(tǒng)主通道的建模要考慮正確的主信道識別和測量設(shè)置對結(jié)果的影響這兩方面。在通道識別時，HBC通道作為主通道的基本部分，系統(tǒng)將容性HBC主通道分為內(nèi)、外兩部分，如圖2所示。內(nèi)部通道是信號電極之間穿過人體的直接路徑(圖中C5為信號電極與人體間的耦合電容)，根據(jù)人體組織的電特性建模。由于內(nèi)部通道不隨外界環(huán)境的變化而變化，只取決于在人體的收發(fā)傳輸距離，因此可以認(rèn)為是靜態(tài)的。外部通道是通過空氣在接地平面和收發(fā)器的接地電極之間的返回路徑(圖中C1為人體與大地之間的耦合，C2為收發(fā)器的接地電極與大地之間的耦合，C3為收發(fā)器接地電極之間的耦合，CR4為信號電極與接地電極之間的阻抗)，包括實際信道中可能作為信號從人體泄漏到電極或接地平面的替代信號路徑。收發(fā)器和人體之間的界面也是外部通道的一部分。外部通道主要取決于環(huán)境、與地面的距離、返回通道中物體的存在、電極以及電極與皮膚的接觸等。

圖2 手臂前端模型的主通道劃分

表達(dá)HBC信道的理想模型是等效電路模型，它比三維仿真模型能夠更直觀實用地表現(xiàn)信道響應(yīng)。圖3電路給出了容性主信道建模的基本組件，其中內(nèi)部通道由電容C0和電阻R0表示，外部通道由模擬電極間的電容CC、模擬電極間的阻抗CR4和RC4、模擬收發(fā)器接地電極與地間的耦合C2、模擬收發(fā)器接地電極間的耦合C3、每個單位長度的人體耦合到外部接地的泄漏電容CL部件構(gòu)成。

圖3 容性HBC主通道電路模型

2.1 內(nèi)部通道建模

傳統(tǒng)的人體組織通道電路模型需要捕捉細(xì)胞膜的電容行為和細(xì)胞內(nèi)外液體傳導(dǎo)頻率，最簡單的一個并聯(lián)的RC電路模型能夠表示組織的電頻率特性[5]，如圖4(1)虛框所示，其值取決于人體各組織的橫截面積、長度和介電特性。為了表示組織的橫向和縱向信號的傳輸路徑，因此必須正確連接每個并聯(lián)RC電路并且建立成為一個網(wǎng)絡(luò)。由于人體內(nèi)存在許多組織層，這樣就會產(chǎn)生復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)，為了避免這種復(fù)雜的表示，系統(tǒng)將人體分割成單位長度的單元塊，利用3D-FEM模擬仿真，可以為每個單元塊提取單個RC塊。在主信道模型中，內(nèi)部信道通過手臂和軀干的單位長度RC電路塊的級聯(lián)來建模，如圖4(2)和圖4(3)所示。

圖4 人體各組織單元塊的電路模型注：(1)內(nèi)部通道模型；(2)人體手臂(10cm)單元塊 ；(3)人體軀干(40cm)單元塊

圖4的三個圖中的電阻和電容構(gòu)成人體組織各部分復(fù)合作用的等效模型，由于身體的每段對地都會產(chǎn)生泄漏，因此單元塊中還包括泄漏電容CL。表1給出了各單元塊組成部件的數(shù)值[6]，該模型考慮了人體內(nèi)多個組織的共同作用，因此能夠更好地預(yù)測和表達(dá)內(nèi)部通道。此外，該模型能夠表示一般的體測，不需要改變組織參數(shù)來適應(yīng)不同的受試者，但該電路模型是在有限的頻率范圍內(nèi)有效(當(dāng)波長接近人體尺寸，并且人體開始輻射信號時，就不能再次出現(xiàn)高頻信號)。

表1 人體各組織單元塊的部件值

2.2 外部通道建模

由圖3所示的外部通道的模型包括回路電容、與電極相關(guān)的模型以及人體到電極或接地的泄漏，所有部件的建模必須是在主通道的測試條件下進(jìn)行。在返回路徑上有三種電容需要建模，包括接地電極到接地平面間的耦合C2、接地電極間的直接交叉耦合C3、人體到接地平面的耦合CL。

系統(tǒng)將邊長L=2cm及L=5cm、板間距離d1、距地距離h可變的兩個正方形銅電極分別進(jìn)行測試，其中C2的極板電容可以利用經(jīng)驗表達(dá)式估算[7]。當(dāng)兩個電極的L>h時，利用經(jīng)驗估算得到的電容值與利用3D-FEM模擬半無限地平面上得到的電容值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看到，邊長較大的接地電極具有較高的電容值，同時，對于邊長較大的電極，估算電容的最大誤差約為20%，而對于邊長較小的電極，估計的最大誤差約為16%，并且該誤差隨著h的增大而減小。盡管邊長較大的電極有增加通道耦合的能力，但考慮到返回路徑中存在較低的阻抗，因此邊長較小的電極更適合可穿戴，該尺寸的電極在距地平面h>50cm時，C2≈870fF，系統(tǒng)采用該尺寸的電極進(jìn)行測試。

圖5 C2的經(jīng)驗估算與FEM模擬的比較

地電極到地平面間的耦合建模，但短距離收發(fā)器間的耦合也應(yīng)當(dāng)考慮，因為收發(fā)器的接地電極間通過空氣有直接交叉耦合C3。當(dāng)收發(fā)器接地電極C3的水平傳輸距離150cm>d>5cm，距面高度h≈75cm時，C3對信道響應(yīng)仍然不可忽視，并且收發(fā)器電極間距大于5cm時，從圖6得到C3

圖6 收發(fā)器的接地電極間的不同距離下對應(yīng)的C3值

在容性HBC通道中，每個收發(fā)器各使用一對電極，電極對由與皮膚接觸的信號電極和保持漂浮形成空氣返回路徑的接地電極組成，系統(tǒng)對與這些電極相關(guān)的信號-接地對阻抗、每個單獨的電極阻抗和電極-體膚阻抗進(jìn)行建模，如圖7所示。對于信號-接地對阻抗取決于電極的排列，圖7中的電極對由電介質(zhì)分開且垂直排列，即在電極之間產(chǎn)生一個電容CC，該電容可以被建模為一個普通的平行板電容器，對于邊長2cm、電介質(zhì)厚0.15cm的銅電極，電容CC≈11.3pf(容值取決于電極的材料和類型)；對于與體膚接觸的信號電極，模型取決于電極的類型，而不同電極類型的通道增益變化不大，因此，一個基本的電極-體膚模型可以通過以下原則建立：由于電極的導(dǎo)電特性，可以看作平行板電容器的一個板，另一個板是由表皮下更具導(dǎo)電性的體組織形成，該組織能有效地充當(dāng)電介質(zhì)，這種結(jié)構(gòu)在電極-體膚界面形成一個有損耗的電容。系統(tǒng)通過對電極-體膚界面阻抗的測量顯示，其阻抗值隨頻率的降低而降低，顯示出預(yù)期的容性。因此，電極-體膚阻抗的可以等效為CR4和RC4的并聯(lián)，它能夠模擬皮膚電導(dǎo)。

圖7 信號-接地對阻抗(CC)和電極-體膚阻抗(CR4∥RC4)模型

系統(tǒng)基于圖2和圖3所示的主通道模型，對收發(fā)器電極之間的不同傳輸距離d，以及每只手臂和40cm軀干的總體長70cm進(jìn)行了響應(yīng)模擬(使用表1數(shù)值)，結(jié)果如圖8所示。圖中的信道模型顯示出由于返回路徑中的接地耦合電容C2而產(chǎn)生的高通曲線。低頻時，接地電極之間的直接耦合電容C3為人體的不同傳輸距離提供不同的增益，而隨著頻率的增加，組織阻抗的重要性增加，即增益對傳輸距離依賴性的提高。

圖8 主信道模型在不同d下的響應(yīng)模擬

3 擴(kuò)展模型

若忽略測試夾具的影響，則圖8就是預(yù)期的通道響應(yīng)，但由于實驗裝置對HBC通道的影響很大，同時由于信道的動態(tài)特性，隨著頻率的增加和波長接近人體的尺寸，就會有更多的輻射信號泄漏，因此必須對該模型進(jìn)行擴(kuò)展以獲得從實際實驗設(shè)備上的通道測量結(jié)果。

3.1 測試裝置

系統(tǒng)的測試裝置主要分為三部分：夾具1和夾具2部分定義了主通道的外部部件，被測設(shè)備部分定義了主通道的外部和內(nèi)部部件，如圖9所示，1為同軸電纜。測試裝置利用一個雙端口向量網(wǎng)絡(luò)分析儀(300kHz～8GHz)進(jìn)行。圖中的巴倫模型是將主通道接地和分析儀VN端口(是內(nèi)部連接的)的接地解耦所需的模型，否則將繞過外部信道中的浮動返回路徑。信號通過1合適的電極輸入人體。在設(shè)置中，除了利用巴倫模型VN端口的接地外，另外的干擾是電纜和電極之間的過渡，以及巴倫變壓器本身。

圖9 擴(kuò)展模型的特性測試裝置

系統(tǒng)首先對同軸電纜和電極間的過渡進(jìn)行建模，以表達(dá)對測量結(jié)果的影響。電纜的衰減和相位偏差可以用傳輸電纜模型進(jìn)行測量和表達(dá)，同軸電纜到電極的過渡類似于同軸電纜到PCB的過渡，基本模型如圖10，由于電纜是焊接在沒有連接器的電極上，因此無法提取實驗?zāi)Ｐ停^渡電感近似為長1cm、直徑0.1cm的電感L=6nH。電容C與巴倫分布電容平行出現(xiàn)，并與之合并。

圖10 同軸電纜到電極的過渡模型

系統(tǒng)接著對巴倫平衡變壓器進(jìn)行建模。巴倫變壓器對HBC信道響應(yīng)的影響至今還沒有合適的解決方案，只是考慮了它的插入損耗并通過校準(zhǔn)消除，而巴倫變壓器繞組間電容C6在初級和次級繞組之間創(chuàng)建的路徑破壞了其隔離性能，導(dǎo)致直接通過VN內(nèi)部接地在收發(fā)器間形成額外的信號路徑，從而提高信道增益，并且巴倫的繞組分布電容C7對初級和次級繞組也會造成影響，如圖11所示，因此模型分別與漏磁電感L6、L7以及漏感串聯(lián)電阻R6有關(guān)，會對信道的頻率分布造成干擾。

圖11 巴倫變壓器模型

這些部件不容易通過分析估算獲取，但可以通過實驗提取[8]并歸入模型中：當(dāng)次級繞組短路時，電感L6及其串聯(lián)電阻R6可以通過初級繞組的阻抗測量得到；當(dāng)次級繞組開路時，電感L7和電容C7(在高頻下，開路阻抗發(fā)生共振并變成容性)可以通過測量初級阻抗測量得到；當(dāng)初級繞組和次級繞組均短路時，電感C6可以通過測量其之間的阻抗得到。表2給出了兩種類型的巴倫變壓器的結(jié)果。

表2 實驗獲取的巴倫變壓器模型部件值

3.2 模型分析

系統(tǒng)確定了主通道和測試夾具的影響，接著將其組合模型包含在擴(kuò)展通道模型中，如圖12所示。

圖12 HBC信道的擴(kuò)展模型(包括主信道、夾具模型)

系統(tǒng)利用所建的擴(kuò)展模型測試其信道響應(yīng)，其結(jié)果隨頻率和傳輸距離變化過程如圖13所示。為了形成對比，圖中將圖8的主信道的響應(yīng)也包括其中。巴倫1包含長約為70cm電纜、邊長2cm銅接地電極和信號電極。由擴(kuò)展模型的電路分析表明，主通道外部的耦合電容C2和夾具部分的繞組間電容C6控制通道的低頻響應(yīng)，即控制信號的衰減。由于C6的影響，即使在短距離內(nèi)C3電極的交叉電容也可以忽略不計。隨著頻率的增加，與這些部件相關(guān)的阻抗會大幅地下降，接近信道內(nèi)在部分的阻抗并增加增益。因此，必須考慮其綜合影響，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在人體的傳輸距離開始影響信號的增益在3MHz左右。此時，如果在擴(kuò)展模型中忽略其它分量，信道將成為高通濾波器。而并聯(lián)電容CC、C和C7及串聯(lián)電感L6和L的組合作用控制了截止頻率，使信道具有帶通特性。漏感串聯(lián)電阻R6控制帶通曲線的衰減。漏感L7只對低頻響應(yīng)有影響，但其影響被C6和C2削除。

圖13 不同d下巴倫1的主信道模型與擴(kuò)展模型的響應(yīng)

從圖13的對比中可以看到，圖3的主通道響應(yīng)，在30MHz以下的低通頻率范圍內(nèi)，主信道模型的增益比擴(kuò)展模型的增益低約42dB，并且只有內(nèi)部路徑繼續(xù)在高頻控制信號產(chǎn)生增益，信道在測試頻率范圍內(nèi)響應(yīng)為高通濾波器。從圖中還可以看出在不同傳輸距離下，擴(kuò)展信道模型的信號增益在低頻(3MHz以下)下與距離無關(guān)，但與主信道模型有關(guān)，這是因為C3模擬了接地電極之間的直接耦合；當(dāng)夾具通過C6向通道中注入大量電容時，其低頻時并不重要，但若忽略夾具，就變得重要了；在較高的頻率下，兩種模型的衰減都隨著距離的增加而增加。

4 擴(kuò)展模型的實驗驗證

系統(tǒng)將擴(kuò)展模型的仿真響應(yīng)與實際的通道測量進(jìn)行比較，從而驗證擴(kuò)展模型會極大地改變通道響應(yīng)。系統(tǒng)進(jìn)行測試的條件與建立外部通道模型部分一樣，利用實驗裝置測試巴倫1和巴倫2在不同傳輸距離下的信道響應(yīng)，如圖14所示。從圖中可以看出，兩組數(shù)據(jù)幾乎具有相同的響應(yīng)結(jié)果，即信道增益類似一個帶通濾波器，信道在5MHz以下的增益與傳輸距離幾乎無關(guān)，在27MHz時，巴倫1的峰值增益為-13dB，在42MHz時，巴倫2的峰值增益為-16dB，兩者的傳輸距離均為15cm，而增益的差異是由于使用不同的巴倫。信道在25MHz以下時，增益的差異可達(dá)15dB。巴侖2與巴侖1的情況一樣。

圖14 不同d下巴侖1和巴侖2的實驗測試信道響應(yīng)

通過對比圖13和圖14測試結(jié)果可以看出，擴(kuò)展模型的仿真和實驗測量結(jié)果顯示了相同的趨勢，響應(yīng)與頻率分布都保持了很好的一致性，巴侖1在70MHz以下時的信道增益差異約為2dB，在70MHz時的信號增益差異約4dB，即擴(kuò)展模型提供了高達(dá)70MHz良好的實驗相關(guān)性。

為了驗證模型對不同受試者特征變化的穩(wěn)定性，系統(tǒng)利用擴(kuò)展模型的預(yù)測，測試了兩個不同受試者(1號受試者：177cm，68kg；2號受試者：178cm，83kg)的信道頻率響應(yīng)，如圖15所示。測試裝置利用巴侖1，傳輸距離30cm。從測試結(jié)果可以看出，60MHz以下的兩個受試者的帶通曲線和峰值頻率在信道衰減方面的差異極小，可以忽略。擴(kuò)展模型與實測數(shù)據(jù)保持較好的一致性，準(zhǔn)確地呈現(xiàn)了70MHz以下的頻率分布和衰減率。

圖15 不同的受試者的實測和擴(kuò)展模型測試對比

5 結(jié)論

系統(tǒng)通過建立一個通用的信道模型，目的是有效地表達(dá)信道特性。系統(tǒng)在進(jìn)行信道建模中發(fā)現(xiàn)，由于忽略測試夾具對通道響應(yīng)的影響，因此利用通道電路、電磁方程或其它類型的模型來表達(dá)HBC信道模型與主信道模型本身無關(guān)。基于此，系統(tǒng)將主HBC通道分為內(nèi)、外部通道兩部分，方便使用電路對其中的基本信道組件進(jìn)行識別和建模，這提供了對預(yù)期主信道建模的方向。

通常，夾具校準(zhǔn)會導(dǎo)致通道特性中忽略一些重要的影響，如同軸電纜與裝置其它部分之間的過渡，或使用接地設(shè)備時存在的對信道返回路徑很重要的巴侖效應(yīng)，這些不能通過單純地校準(zhǔn)來完成。于是系統(tǒng)設(shè)置了一套通道的特性測量裝置，并對其各部分進(jìn)行分析和建模，利用原有的通道模型并將測試夾具歸入模型進(jìn)行擴(kuò)展，根據(jù)通道測量值進(jìn)行實驗測試。通過測試發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)展模型在信道增益和頻率特性方面取得了良好的效果，頻率在70MHz以下的信道增益差異約為2dB。在30MHz以下的低通頻率范圍內(nèi)，主信道模型的增益比擴(kuò)展模型的增益低約42dB，表明測試夾具對信道特性影響很大。由于擴(kuò)展模型是主通道中存在組件的表達(dá)，因此，擴(kuò)展模型有助于正確描述信道的特性測量，并為更好地取得與信道響應(yīng)相關(guān)的物理機(jī)制提供了有利的工具。