תקשורת אלחוטית בהנדסה עוטה

מכשירים הנדסיים לבישים עבור בריאות ניטור סביבתי יש בשפע בעשור האחרון, מונע על ידי האינטרנט של דברים רפואיים (IoMT) ואת הצורך בזרימי נתונים רצופים, בזמן אמת, מצופים חכמים כי לעקוב אחר קצב הלב וחמצן לתושבגים סביבתיים כי ללבוש איכות אוויר, מכשירים אלה חייבים לתקשר באופן אלחוטי על פני מרחקים קצרים עד בינוניים תוך הפעלת תחת תקציבים הדוקים.

מה זה Frequency Shift Keying (FSK)?

Frequency Shift Keying היא טכניקה דיגיטלית מודולציה שבה נתונים בינאריים (או סמלים רב-דרגיים) מקודדים על ידי שינוי התדר המיידי של גל נושא בין תדרים preקבעed דיסקרטיים. בצורתו הפשוטה ביותר, בינארי FSK (BFSK) משתמש בשני תדרים: אחד לייצג לוגיקה 0 ועוד עבור לוגיקה 1.

(ב) [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(ב) ב[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]

תכונות מפתח של FSK כי היתרונות ללבוש

  • (ב) ל"הלאה" (ב"ב): לסימן המשודר יש אמפליטודה קבועה, המאפשרת למגבר הכוח לפעול באזור היעיל ביותר, הלא לינארי.
  • (FLT:0)Narrow רוחב פס עבור baudFLT:1: עם סטיית תדר נאותה, FSK יכול להשיג ספקטרום קומפקטי מאוד, המאפשר דו-קיום עם אותות אחרים בלהקות ISM הצפופות (868 MHz, 915 MHz, 2.4 GHz).
  • (ב) ,0) הדגמה של הדגמה (FLT:1: גלאי לא-מקובל (למשל, אפס-קרוס או PLL) מבטלים את הצורך בשיקום שלב של נושא, צמצום המורכבות המעגלית והעלות.
  • (FLT:0)Low Duty-cycle Support: FSK Transceivers יכול להיכנס למצב שינה ולתעורר במהירות, לצרוך רק מיקרו-מדגם בעמידה, וזה קריטי עבור חבולי סוללה.

יישום FSK במכשירי הנדסה לבישת

עיצוב מכשיר לביש המשתמש FSK כולל מספר תחומים הנדסיים: עיצוב מעגלים אנלוגי ודיגיטלי, קושחה עבור Modulation / Dimodulation, אינטגרציה אנטנה וניהול כוח.התתתות הבאות לשבור את השלבים הקריטיים של יישום.

עיצוב אוסוציאטור ותדירות גבוהה

הלב של כל משדר FSK הוא אווסטור שיוצר את תדרי המוביל.עבור מכשירים לבישים, ה-oscillator חייב להיות יציב על פני טמפרטורה, וריאציות מתח אספקה, והזדקנות רכיב.

  1. (FLT:0Crystal מבוסס oscillatorspherph 1:1 - השתמש חוזר קריסטל quartz להגדיר את תדירות הבסיס. תדירות שינוי יכול להיות מושג על ידי משיכת הקריסטל (העומס שלה) או על ידי חלוקת / ניצול של הפלט קריסטל.
  2. (FLT:0) oscillators FLT:1 - מעגלים פשוטים נגד קמצטור כי הם טונה באמצעות מתח בקרה. הם קטנים וזולים מאוד אבל סובלים מיציבות ירודה (±5 אחוזים) הם מתאימים רק עבור מערכות FSK רחב היקף שבו השגיאה היא גדולה.
  3. (FLT:0) לולאה נעולה (PLL) תדירות מסנתזת מספרים 1:1 - תקן התעשייה עבור SoCs אלחוטי מודרני. a מתח מבוקר אווסcillator (VCO) נעול גביש הפניה באמצעות PLL Modulation ישיר של מתח בקרת VCO (שני-pointulation) או sle-N synsis מאפשר שינוי מדויק, תדירות עם יציבות דומה למתח ההתייחסות.

עבור צגים בריאותיים שצריכים לציית לסטנדרטים רפואיים (למשל, ISO 13485), גישה מבוססת PLL עם TCXO יציב (מסמך זמני) מומלץ.הסטיית התדירות חייבת להיבחר בקפידה: סטיית קטנה מדי מעצימה את שיעור הטרור הקטן מדי תחת רעש; סטייה גדולה מדי רחבה של רוחב הפס הכבוש וייתכן שתפר את גבולות הרגולציה.

המונחים: c Implementation

לאחר שהנושא נוצר, מעגל המודולציה חייב לעבור בין תדרים בקצב הנתונים. . high-end Transceivers (למשל, Texas Instruments CC1101, Silicon Labs Si446x) לספק מודולציה מובנה-in FSK: הנתונים הדיגיטליים הבסיס ישירות מפתחי VCO או DDSKBLE מנוע DDS (באמצעות רכיבי דיסקרטיטיסה, גישה טיפוסית היא בעלת טווח Bluetooth) באמצעות פילטר נמוך (DS) באמצעות הפרעה דיגיטלית (DS) (DS) לשימוש ב-DS) באמצעות מנוע DCO-DS) (DVS) ו-DV-DS) המשמש ל-DVS) באמצעות מנוע DDS (DS) באמצעות מנוע DDSKDS) באמצעות מנוע DDS (DS) באמצעות מנוע DDS (DS) לשימוש ב-DS) באמצעות מנוע DDS (DS) באמצעות רכיב דיסקרטיקולארי (DS) לשימוש ב-DS) באמצעות הפרעה דיגיטלית באמצעות הפרעה דיגיטלית באמצעות הפרעה לשימוש ב-DS) לשימוש ב-DCO-DS) לשימוש ב-DCO-DS) באמצעות רכיב דיסקרטיקולארית-DS) לשימוש ב-DS) באמצעות מנוע DDS (DS

יעילות כוח במהלך המודולציה מושגת על ידי מתן אפשרות oscillator רק כאשר הנתונים מועברים (מחזור) מיקרובקרים כוח נמוך רבים תכונה רדיו מתעורר כי מקשיב עבור preamble באמצעות FSK. ברגע אות נכנס מזוהה, MCU הראשי ומודולציה מעגלים להתעורר, לשלוח את התגובה, ו- reenter עמוק שינה.

טכניקות ללבוש

בצד המקלט, יש לבצע את ההדגמה FSK עם צריכת חשמל מינימלית.שלוש שיטות נפוצות:

  • (FLT:0)Zero-crossing Detectioning Detectioning: 1) , המקלט מספר אפס-קרוס לתקופה מסוימת כדי לקבוע את התדירות.זה מאוד פשוט ונמוך, אך רגיש לרעש ולעיוות מחזורי חובה.
  • (ב) ,0) לולאה נעולה (PLL) מתפוררת הפליטור FLT:1 - A PLL לנעול על המוביל הנכנס; ההבדל בין מתח בקרת VCO ופנייה מצביע על תדירות מיידית.
  • (FLT:0) מסנן / קורטלטורלנדרלייט 1 (DSP) - האות המתקבל מוכפל על ידי העתקים מאוחסנים של ה- FSK הצפויה.זה מיושם לעתים קרובות במעבד בסיס דיגיטלי (DSP) ומציע את הביצועים הטובים ביותר אבל בעלות כוח גבוהה יותר. המודרנית גיאמטריה (28 nm, 22m FDSO) יש אפשרות ל-corator מבוסס מקלטים מ"מ"מ"מ.

עבור מכשירים לבישים הדרושים כדי לפעול במשך שבועות או חודשים על סוללה קטנה של תאי מטבע, דמול מבוסס PLL עם מצב שינה נמוך כוח נמוך הוא הבחירה הנפוצה ביותר. המקלט יכול לסרוק עבור טרום לידה, ולאחר מכן לפעול עבור חבילת הנתונים.

אינטגרציה אנטנה וגוף-Los Compensation

האנטנה היא עוד אלמנט קריטי.בלבושים, האנטנה ממוקמת לעתים קרובות קרוב לגוף האדם, אשר מעדנת את חוסר הסבלנות שלו ומפחית את היעילות. ביצועי FSK יכולים לדרג אם האנטנה משתנה עם מיקום גוף או זיעה. מעצבים משתמשים בטכניקות כגון: - מנדרטאנטנות FSK המונעות מ-F (IFA) כי הם קטנים ויש להם סובלנות כלשהי כדי detuning - או מנקה - אנטנות (מסוגננת) עם כוח אנטנות, או מחוספסת חשמל.

כדי לפצות על אובדן גוף, משדר ה-FSK עשוי להיות צורך להגדיל את כוח התפוקה על ידי 3-6 dB כאשר המכשיר הוא שוחק לעומת כאשר הוא על שולחן עבודה. בקרת כוח הסתגלות בהתבסס על אינדיקציה לקבלת אותות (RSSI) משוב יכול לתחזק כוח תוך שמירה על איכות הקישור.

יישומים ב- Health Monitoring

מכשירים רפואיים בעלי יכולת ללבוש דורשים שידור נתונים אמין, מתמשך עם שקיפות מינימלית.FSK משמש במספר קטגוריות:

ניטור גלוקוז רציף (CGM)

CGMs כגון Abbott FreeStyle Libre משדרים קריאת גלוקוז בכל דקה באמצעות FSK ב-2.4 GHz ISM הלהקה. משדר כוח נמוך של חיישן FSK שולח מזהה ונתוני מדידה למקבל או טלפון חכם. בחירת FSK מבטיחה כי האות יכול לחדור את המרחק הקצר דרך העור והלבוש עם שיעורי שגיאה נמוכים, אפילו כאשר המשתמש נע.

אלקטרוקרדיגרם (ECG) Patches

יחיד-lead ECG כתמים עבור ניטור לב (למשל, iRhythm Zio Patch) להשתמש פרוטוקולים FSK קנייניים כדי לייעל נתונים בזמן אמת.נכס קבוע של FSK מאפשר למגבר לפעול ליד ריצוף, חיסכון כוח.התתת יכול לרוץ עד 14 ימים על סוללה אחת, להעביר עד 30bps.

דופק Oximetry ו- Wearable SpO2 Sensors

טביעת אצבע ו-פרק כף יד של הדופק לעתים קרובות להשתמש FSK כדי לשדר את הנתונים photoplethysmograph (PPG) לאפליקציית מובייל. כי האות של צמד LED-פוטוויד הוא אנלוגי, המיקרובקר מדגימים אותו ומשתמש ב- FSK transceive כדי לשלוח את הערכים הדיגיטליים.

טמפרטורת הגוף Loggers

תיקונים בטמפרטורה רציפה לאיתור חום או מעקב אחר הפריון לעתים קרובות להסתמך על FSK על הפשטות שלה.מכשירים אלה יש שיעורי נתונים נמוכים מאוד (כמה עווית לדקה) ויכולים לפעול במשך חודשים על סוללה קטנה. רוחב הפס הצר של FSK מאפשר כתמים רבים בבית חולים כדי coexist ללא התערבות.

יישומים ב- Environmental Monitoring

חיישני סביבה לובשים - לעתים קרובות עונדים כמו תגים, צמידים או קטעי וידאו - לפקח על איכות האוויר, קרינה, רעש או טמפרטורה. FSK נבחר לאמינותו וקלות הרשת.

Air Quality Monitor (PM2.5, VOCs, CO2)

חיישני איכות אוויריים (למשל, Plume Labs Flow, Atmotube) משלבים חלקיקים מיקרוסקופיים חלקיקים וחיישנים גזים.הנתונים שנאספו מועברים באמצעות FSK לסמארטפון עבור מיפוי ואזהרות. כי מכשירים אלה משמשים לעתים קרובות בחוץ בטמפרטורות שונות וסביבות RF, החוסן של FSK להפרעות (למשל, מ-Wi-Fi) מבטיח זיהום כי הם לעתים קרובות לא מפספסים.

קרינה אישית

המשיבים הראשונים ועובדי צמח גרעיני לובשים את הדלפקים מבוססי FSK או גלאי הדגימה.קישור הכוח הנמוך FSK שולח קריאות לשיעור המינון לתחנת בסיס או למרכז פיקוד. המעטפה הקבועה מאפשרת למכשיר לפעול בבטחה גם בסביבות ההתערבות הגבוהה, והמודולציה הפשוטה מפחיתה את הסיכון לשגיאות באזהרות קריטיות חיים.

רעש Dosimeters

מעקבי חשיפה לרעשי-עיסוק דורשים חסימה ארוכת טווח.מספר דומטרים של הכיבוש משתמשים ב-FSK כדי להעלות את נתוני רמת הקול באופן זמני. רוחב הפס הצר של FSK מאפשר למאות דומטרים לכפיפות על רצפת המפעל ללא התערבות הדדית, וצריכת החשמל הנמוכה מאפשרת למכשיר לרוץ במשך חודשים על מטען יחיד.

היתרונות של FSK בלבושות - מבט עמוק יותר

בעוד שהמאמר המקורי מציג עוצמה, פשטות, כוח נמוך והתאמה, אנו יכולים להרחיב את היתרונות הכמותיים:

  • [01:0] ⁇ [=] ⁇ [=]: [ה]] [ה]], [ה], [ה]], [ה],] [דרוש מקור]]], [ה]], [התחילה] היא בעלת ערך של כ-3 ד"ר [המאה], או יותר, או נמוכה יותר לאותה פערים.
  • (FLT:0) הסריקות של חומרה FSK transceiver ניתן לבנות עם VCO יחיד ו-Aparator - אין צורך בשליטה אוטומטית על רווח (AGC) כי המידע הוא בתדירות, לא את האמפול.
  • (FLT:0) CO-DoveFLT:1: GFSK, המשמש ב-BLE, תופס פחות מ-1 מ"הרץ רוחב פס לערוץ, ומאפשר 40 ערוצים ב-2.4 GHz.זה מאפשר לתדירות הפחתת ההפרעה מ-Wi-Fi או ZigBee.
  • (FLT:0)אנרגיה ל bitFLT:1: מודרני FSK transceivers יכול להשיג צריכת אנרגיה נמוך כמו 10 nJ ל bit (כולל פרוטוקול מעל פני ראש) עבור מכשיר המעביר פעימות לב כל 10 שניות, תא של 250 mAh יכול להימשך מעל 200 ימים.

אתגרים ומסחר עיצוב

למרות היתרונות שלה, יישום FSK בלבושות אינו ללא אתגרים. מהנדסים חייבים לטפל:

תדירות יציבות מעל טמפרטורה ותנועת גוף

מכשירים לבישים חשופים לחום הגוף (35 עד41 ° C) ושינויים פתאומיים בטמפרטורה (למשל, נעים מבפנים ל בחוץ) אם ה-oscillator נסחפו יותר מאשר סטיית התדירות, המקלט עשוי לנעול על הטון הלא נכון. TCXOs עם דיוק ±0.5 ppm מומלץ, אבל הם מוסיפים עלות וגודל.A אלטרנטיבה היא להשתמש ב- P- גבישי מבוסס עם תדירות אוטומטית (A) מ-Acc-aset.

שילוב של מכשירים אחרים של ISM

רצועת 2.4 GHz משותפת עם Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, תנורי מיקרוגל. אותות FSK ניתן להישמר על ידי חזק ב-band להפריע. Frequency-hopping ספקטרום התפשטות (FHSS) - בשימוש ב-BLE וכמה פרוטוקולים FSK קנייניים - מקטין את זה על ידי הפחתת 40 ערוצים.

מינימום ואינטגרציה

כמו ללבוש להיות קטן יותר, המרחב הפיזי של האנטנה, הסוללה, ו RF מגן על התכווצויות. מחנכים באיכות גבוהה ו capaciacitors עבור מעגל טנק VCO עשוי להיות גדול מדי.מערכת-in-package (SiP) פתרונות המשלבים את כל FSK transceiver, MCU, ו- MEMS בחבילה אחת (למשל, Qor's RF) הופכים למודולים סטנדרטיים.

המונחים: Compliance

מכשירים לבישים חייבים לציית לתקנות האזוריות (FCC Part 15 בארה"ב, ETSI EN 300 220 באירופה) אלה מציינים את כוח השידור המקסימלי (למשל, 10 dBm עבור 868 MHz), רוחב פס כבוש ומגבלות מחזור חובה. מערכות FSK חייבות להבטיח כי תדירות סטיית ואינדקס המודולציה נשמרים בתוך מסכות.

אבטחה ופרטיות

נתוני בריאות המועברים באמצעות FSK יכולים להייירט. כי FSK הוא מודולציה פשוטה של שכבות פיזיקליות, זה לא מספק אבטחה פנימית. אי-היישומים חייבים להוסיף הצפנה (למשל, AES-128) בשכבה היישום ולפעמים להשתמש בדפוסי הפחתת תדירות כדי לעמוד בפני sniffing.הראש הנוסף להצפנה חייב להיות מאוזנת כנגד כוח.

כיוונים עתידיים וחדשנות

הדור הבא של מכשירי FSK בעלי ללבוש יכיל מספר התפתחויות טכנולוגיות:

אינטגרציה עם BLE ו-Mobile IoT (NB-IoT)

בעוד BLE משתמשת GFSK, רבים ללבוש עכשיו כוללים רדיו BLE ופורצים סטנדרטיים FSK עבור נתונים ספציפיים חיישן. שבבי היברידי המשלב נתיב FSK (עבור אולטרה-נמוך-עוצמה מתעורר והתפרצויות לטווח קצר) עם ערימה של שבבים (עבור קישוריות סמארטפון) מפותחים.עבור ניטור סביבתי ארוך טווח, LoRa (ששימוש ב-Cysual-Comit, FS) אינו כולל לעתים קרובות השבבים לאחור, אלא גם שבבים) אלא גם עבור שבבים מועדפים מועדפים מועדפים (עבור קישוריות KFSK) אלא גם כן, אך מועדפים מועדפים מועדפים מועדפים מועדפים מועדפים (עבור , אך הם מועדפים מועדפים מועדפים מועדפים (עבור קישוריות) הם גם הם לעתים קרובות) אבל גם הם מועדפים מועדפים מועדפים מועדפים מועדפים מועדפים מועדפים (עבור מעקב סביבתיים עבור מעקב סביבתיים עבור מעקב סביבתיים לאחור (עבור מעקב סביבתיים עבור מעקב סביבתיים לאחור (עבור מעקב סביבתיים לאחור (עבור מעקב סביבתיים עבור מעקב סביבתיים עבור מעקב סביבתיים עבור מעקב סביבתיים עבור מעקב סביבתיים עבור מעקב סביבתיים עבור מעקב סביבתיים עבור מעקב סביבתיים) אבל גם כן, אך לעתים קרובות) אבל גם כן, אך

AI-Enhanced Demodulation

אלגוריתמים של למידת מכונות יכולים להיות מאומן כדי להרוס אותות FSK בסביבות רועשות מאוד, להשיג ER נמוך יותר מאשר גישות PLL מסורתיות או תואמים filter.מודלים של TinyML לרוץ על המיקרובקר של ללבוש יכול להתאים את הפרמטרים הדמורציה בזמן אמת, להסתגל לשינויים בתנועת הגוף או הפרעה.

אנרגיה קצירת אנרגיה ו- Battery-Less Operation

דרישות הכוח הנמוך של FSK דורשות כי הוא מועמד לרכיבים בעלי חיים בעלי רגישות אנרגטית שמקצירים אנרגיה מחום הגוף (thermoelectric) או תנועה (piezoelectric) כמו רכיבים של איסוף אנרגיה משתפרים, משדר FSK בעל עוטה יכול לשלוח חבילה נתונים פעם דקה באמצעות מיקרו-ג'אולים מנוסקים בלבד, תוך מיצוי הצורך בהחלפת סוללות.

High-Data-Rate FSK עבור Multi-Sensor Fusion

תחבושות עתידיות יזרימו זרמי חיישן מרובים בו זמנית (ECG + SpO2 + Accelerometer) Multi-level M-ary FSK (למשל, 4-FSK או 8-FSK) יכולים להגדיל את שיעור הנתונים ללא צורך יותר רוחב פס מאשר BFSK למשל, 4-FSK מכפיל את שיעור ה-FSK של אותה קצב, בעלות של כמה טעינה רפואית, כמו נית, למשל, כמו ניתוק, למשל, הוא הפחתה יומית של כמה .

מסקנה

תדירות Shift Keying נשאר טכנולוגיה אבן הפינה לתקשורת אלחוטית במכשירים הנדסיים לבישים לבריאות ול ניטור סביבתי.העוצמה הטבועית שלה, צריכת חשמל נמוכה, ופשטות יישום הופכות את זה אידיאלי עבור יישומים שבהם נדרשת העברת נתונים אמינה על פני מרחקים קצרים עד בינוניים, במיוחד תחת מגבלות של גורמים קטנים צורה וקיבולת סוללה מוגבלת.

לקריאה נוספת, התייחס למשאבים הבאים:

  • (FLT:0) "A 0.13 ⁇ m CMOS FSK Transceiver for Wearable Biomedical Applications" - IEEE of Solid-State Circuits EvolutionFLT 1
  • (ב) ,0) "FSK Modulation and Demodulation Using the CC1101" - טקסס מכשירים יישום NoteFLT 1
  • (FLT:0)IEEE Standard 802.15.4-2020 - רשתות שטח פרטיות אלחוטיות נמוכות (LR-WPANs)