基于載波頻率跟蹤技術(shù)的植入式uwb-bpsk發(fā)射系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信電路技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于載波頻率跟蹤技術(shù)的植入式 UWB-BPSK發(fā)射系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 以生物醫(yī)療為目的的生物醫(yī)學(xué)微電子技術(shù)的高速發(fā)展，加快了對于生物體腦電信 號采集、心電信號監(jiān)測、癲癇和脊柱損傷康復(fù)醫(yī)療、視覺修復(fù)等前沿技術(shù)領(lǐng)域的研究。為了 滿足大量神經(jīng)信號等生物電行為信號的長期實(shí)時(shí)監(jiān)測與記錄的客觀需求，滿足生物植入式 要求的低功耗、高數(shù)據(jù)率、大帶寬、高安全性的無線通信方式也成為了業(yè)界的追求目標(biāo)。
[0003] 目前，傳統(tǒng)的生物醫(yī)學(xué)研究一般采用有線連接的方式將微電極陣列所采集的生物 體內(nèi)電行為信號傳輸?shù)缴矬w外的監(jiān)測與記錄設(shè)備中，再進(jìn)行后續(xù)的信號處理及研究。這 種有線傳輸方式不僅導(dǎo)致生物體的檢測創(chuàng)口因長期保持開放而易受細(xì)菌感染，同時(shí)也無法 監(jiān)測與記錄到生物體在無束縛、無麻醉的日常條件下的多種生物電信號，而且微弱的生物 電信號在由體內(nèi)向體外進(jìn)行中短距離有線傳輸?shù)倪^程中極易受到外加自由空間的已有電 磁輻射的干擾，影響監(jiān)測與記錄的精度。因此，具有低功率譜密度、高能效、高數(shù)據(jù)率等優(yōu)勢 的超寬帶（UWB)技術(shù)被應(yīng)用在了多通道神經(jīng)電信號實(shí)時(shí)采集、無線監(jiān)測與記錄的生物醫(yī) 用通信領(lǐng)域中，滿足其對高數(shù)據(jù)率、高安全性、大帶寬、多信道、多地址傳輸?shù)膽?yīng)用需求。 [0004]目前，業(yè)界在植入式環(huán)境下對生物電信號的無線傳輸方面處于起步研究階段，已 有的植入式生物電信號無線傳輸設(shè)備受制于業(yè)界無線通信頻段和功率譜密度的規(guī)定，多在 單一頻段上采用一種通信方式來保證通信質(zhì)量和安全性，避免出現(xiàn)頻譜干擾等現(xiàn)象，這種 方式大大降低了頻譜的利用率。另外，這類植入式設(shè)備常使用植入式內(nèi)置電池進(jìn)行供電，使 植入式設(shè)備無法獲得長時(shí)間的使用壽命，而且在植入式設(shè)備體積、電池的化學(xué)污染、生物排 異等方面也存在問題。
[0005] BPSK，二進(jìn)制相移鍵控，把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)值的轉(zhuǎn)換方式之一，利用偏離相位 的復(fù)數(shù)波浪組合來表現(xiàn)信息鍵控移相方式。BPSK使用了基準(zhǔn)的正弦波和相位反轉(zhuǎn)的波浪， 使一方為〇,另一方為1，從而可以同時(shí)傳送接受2值（1比特）的信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種能滿足在生物醫(yī)用植入式環(huán)境 下對生物體內(nèi)芯片系統(tǒng)電源和控制數(shù)據(jù)恢復(fù)，確保生物體內(nèi)神經(jīng)信號等生物電行為信號的 無線傳輸、監(jiān)測與記錄的一種基于載波頻率跟蹤技術(shù)的植入式UWB-BPSK發(fā)射系統(tǒng)及方法。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0008] 基于載波頻率跟蹤技術(shù)的植入式UWB-BPSK發(fā)射系統(tǒng)，包括無線電源接收與恢復(fù) 單元、載波恢復(fù)單元、一階高斯脈沖產(chǎn)生單元、BPSK調(diào)制單元、數(shù)控增益功率放大器、ASK非 相關(guān)解調(diào)器以及信號衰減器，所述無線電源接收與恢復(fù)單元的輸出端分別連接至載波恢 復(fù)單元、一階高斯脈沖產(chǎn)生單元、BPSK調(diào)制單元、數(shù)控增益功率放大器和ASK非相關(guān)解調(diào)器 進(jìn)行供電，所述無線電源接收與恢復(fù)單元的輸入端和信號衰減器的輸入端均接入窄帶ASK 調(diào)制信號，所述信號衰減器的輸出端分別連接至載波恢復(fù)單元的輸入端和ASK非相關(guān)解調(diào) 器的輸入端，所述一階高斯脈沖產(chǎn)生單元的第一輸入端接入基帶信號uB，所述一階高斯脈 沖產(chǎn)生單元的第二輸入端接入片外時(shí)鐘信號，所述一階高斯脈沖產(chǎn)生單元的輸出端連接至 BPSK調(diào)制單元的輸入端，所述載波恢復(fù)單元輸出端連接至BPSK調(diào)制單元的信號輸入端，所 述BPSK調(diào)制單元的輸出端連接至數(shù)控增益功率放大器的輸入端，所述ASK非相關(guān)解調(diào)器的 輸出端輸出增益控制信號至數(shù)控增益功率放大器的增益控制輸入端，所述數(shù)控增益功率 放大器通過天線向空間進(jìn)行無線發(fā)射。
[0009] 作為所述的基于載波頻率跟蹤技術(shù)的植入式UWB-BPSK發(fā)射系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)， 所述載波恢復(fù)單元包括鑒相電路、環(huán)路濾波電路、壓控振蕩電路和緩沖電路，所述信號衰減 器的輸出端的參考信號u"f輸出至鑒相電路的第一輸入端，所述鑒相電路的輸出端連接至 環(huán)路濾波電路的輸入端，所述環(huán)路濾波電路的輸出端連接至壓控振蕩電路的輸入端，所述 壓控振蕩電路的輸出端分別連接至緩沖電路的輸入端和BPSK調(diào)制單元的信號輸入端，所 述緩沖電路的輸出端連接至鑒相電路的第二輸入端。
[0010] 作為所述的基于載波頻率跟蹤技術(shù)的植入式UWB-BPSK發(fā)射系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)， 所述一階高斯脈沖產(chǎn)生單元包括窄脈沖產(chǎn)生電路、時(shí)鐘信號極性翻轉(zhuǎn)電路、直流電平消除 電路、同步電路、合成電路和濾波整形電路，所述窄脈沖產(chǎn)生電路的輸入端連接至片外時(shí)鐘 信號u。，所述窄脈沖產(chǎn)生電路的輸出端連接至直流電平消除電路的窄脈沖信號輸入端，所 述時(shí)鐘信號極性翻轉(zhuǎn)電路的輸入端連接至片外時(shí)鐘信號u。，所述時(shí)鐘信號極性翻轉(zhuǎn)電路的 輸出端連接至所述直流電平消除電路的反相時(shí)鐘信號輸入端，所述直流電平消除電路的時(shí) 鐘信號輸入端連接至片外時(shí)鐘信號u。，所述直流電平消除電路的兩路輸出端分別連接至同 步電路的反相脈沖信號輸入端和同步電路的正相脈沖信號輸入端，所述基帶信號uB連接至 同步電路的基帶信號輸入端，所述同步電路的輸出端連接至所述合成電路的輸入端，所述 合成電路的輸出端連接至所述濾波整形電路的輸入端，所述濾波整形電路的輸出端輸出包 含基帶信息的雙極性一階高斯脈沖信號％至BPSK調(diào)制單元的輸入端。
[0011] 作為所述的基于載波頻率跟蹤技術(shù)的植入式UWB-BPSK發(fā)射系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)， 所述無線電源接收與恢復(fù)單元包括天線匹配網(wǎng)絡(luò)單元、升壓電路、限幅電路、泄放電路、穩(wěn) 壓電路、多路靜態(tài)偏置源和片外電容，所述天線匹配網(wǎng)絡(luò)單元通過體內(nèi)天線接入窄帶ASK 調(diào)制信號，所述天線匹配網(wǎng)絡(luò)單元的輸出端通過升壓電路進(jìn)而連接至所述限幅電路的輸入 端，所述限幅電路的第一輸出端連接至穩(wěn)壓電路的輸入端，所述穩(wěn)壓電路的第一輸出端分 別輸出標(biāo)準(zhǔn)直流電源電壓至載波恢復(fù)單元、一階高斯脈沖產(chǎn)生單元、BPSK調(diào)制單元、數(shù)控增 益功率放大器和ASK非相關(guān)解調(diào)器，所述穩(wěn)壓電路的第二輸出端連接至多路靜態(tài)偏置源 的輸入端，所述多路靜態(tài)偏置源分別輸出多路靜態(tài)偏置工作電壓至載波恢復(fù)單元、一階高 斯脈沖產(chǎn)生單元、BPSK調(diào)制單元、數(shù)控增益功率放大器和ASK非相關(guān)解調(diào)器，所述限幅電路 的第一輸出端通過片外電容與地連接，所述限幅電路的第二輸出端將接收到的過量的能量 信號通過泄放回路泄放至地。
[0012] 作為所述的基于載波頻率跟蹤技術(shù)的植入式UWB-BPSK發(fā)射系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)， 所述無線電源接收與恢復(fù)單元還包括有片外高頻扼流圈，所述穩(wěn)壓電路的第一輸出端通過 片外高頻扼流圈后分別輸出連接至載波恢復(fù)單元、一階高斯脈沖產(chǎn)生單元、BPSK調(diào)制單元、 數(shù)控增益功率放大器和ASK非相關(guān)解調(diào)器。
[0013] 本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是：
[0014] 基于載波頻率跟蹤技術(shù)的植入式UWB-BPSK發(fā)射方法，包括以下步驟：
[0015] A、將窄帶ASK調(diào)制信號uA通過信號衰減器進(jìn)行處理，輸出得到參考信號u
[0016] B、將參考信號Uraf分別輸出至載波恢復(fù)單元和ASK非相關(guān)解調(diào)器，所述參考信號 Uraf通過載波恢復(fù)單元處理得到載波信號ut。，并將載波信號ut。輸出至BPSK調(diào)制單元，所述 參考信號Uraf通過ASK非相關(guān)解調(diào)器進(jìn)行非相關(guān)解調(diào)處理得到增益控制信息VB，并將增益 控制信息vB輸出至數(shù)控增益功率放大電路；
[0017] C、根據(jù)輸入至一階高斯脈沖產(chǎn)生單元的基帶信號叫和片外時(shí)鐘信號u。，處理得出 包含有基帶信息的雙極性一階高斯脈沖信號％，并將其輸出至BPSK調(diào)制單元；
[0018] D、BPSK調(diào)制單元根據(jù)雙極性一階高斯脈沖信號ue和載波信號ut。，調(diào)制得到 UWB-BPSK調(diào)制信號1%，并將其輸出至數(shù)控增益功率放大電路；
[0019] E、根據(jù)增益控制信息vB，數(shù)控增益功率放大電路對UWB-BPSK調(diào)制信號uMS進(jìn)行功 率放大處理，輸出得到UWB-BPSK射頻信號u。，并將其通過天線輻射至空間，完成UWB-BPSK 調(diào)制信號發(fā)射。
[0020] 作為所述的基于載波頻率跟蹤技術(shù)的植入式UWB-BPSK發(fā)射方法的進(jìn)一步改進(jìn)， 所述步驟A還包括：
[0021] 將窄帶ASK調(diào)制信號uA通過無線電源接收與恢復(fù)單元接收并恢復(fù)處理成為植入 體內(nèi)的各電路模塊所需的標(biāo)準(zhǔn)直流電源電壓VCC，并輸出至植入體內(nèi)的各電路模塊提供穩(wěn) 定電源供電。
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