0 引言

    隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無線體域網(wǎng)在健康監(jiān)測、慢性病防治、老人看護等可穿戴設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用^[1]。國際電子電氣工程協(xié)會（IEEE）于2012年2月發(fā)布IEEE 802.15.6無線體域網(wǎng)（WBAN）標準，對其物理層（PHY）和無線媒體介入控制層（MAC）進行了規(guī)范^[2]。該標準為穿戴式及植入式設(shè)備而設(shè)計，滿足短距離近人體無線通信的低功耗、高安全性、高可靠性的要求^[3]。隨著可穿戴式設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用，體域網(wǎng)將具有廣闊的應(yīng)用空間。在此背景下，開發(fā)一款支持IEEE802.15.6協(xié)議的SoC基帶芯片將具有巨大的市場價值。

    隨著電子系統(tǒng)集成度的大幅提高，SoC的設(shè)計規(guī)模也在不斷擴展，因此SoC的驗證工作也越來越復(fù)雜。統(tǒng)計表明，SoC流片一次的成功率大約為35%，其失敗的主要原因是驗證工作不夠充分^[4]。為了提高芯片的良品率，在體域網(wǎng)基帶開發(fā)的同時，必須做好驗證平臺的設(shè)計工作。

    可穿戴式SoC主要用于健康醫(yī)療設(shè)備，需要對體溫、血氧、血壓、心率、心電等信號進行采集和傳輸，這對人體健康檢測及疾病預(yù)防有重要作用，其需要較高的傳輸性能。同時由于信號的傳輸速率不同^[5]，在接收端會產(chǎn)生不同的延時及成功收包率。因此在驗證平臺的設(shè)計中需要考慮以下需求：(1)基帶協(xié)議一致性驗證，協(xié)議幀格式正確是保證基帶完成通信的基礎(chǔ)。(2)傳輸可靠性驗證，盡可能地為數(shù)據(jù)提供一個高質(zhì)量通信鏈路。(3)多種健康信息的服務(wù)質(zhì)量（QoS）驗證。針對體域網(wǎng)傳輸信號的多樣性，模擬發(fā)送不同速率的測試向量，驗證其服務(wù)質(zhì)量是否滿足可穿戴設(shè)備要求。

    目前，研究人員大多使用傳統(tǒng)的商業(yè)軟件無線電平臺對基帶的功能進行驗證，例如USRP、bladeRF及HackRF等。與使用FPGA硬件電路實現(xiàn)協(xié)議處理的體域網(wǎng)基帶不同，此類平臺通過上位機軟件算法實現(xiàn)協(xié)議的處理與開發(fā)，并且接口封閉不便于進一步開發(fā)，因此不能滿足體域網(wǎng)基帶SoC驗證需求。

    結(jié)合IEEE802.15.6標準中窄帶通信物理層電路設(shè)計規(guī)范，本文設(shè)計并開發(fā)了包含F(xiàn)PGA、射頻前端、混合信號前端、電源管理等模塊的硬件系統(tǒng)。結(jié)合穿戴式健康應(yīng)用的特殊需求，設(shè)計并實現(xiàn)了體域網(wǎng)數(shù)據(jù)流狀態(tài)機，對多輸入向量進行自動加載，實現(xiàn)了體域網(wǎng)基帶在不同速率下，對延時、功耗的自動測量。針對自主開發(fā)的IEEE802.15.6的基帶IP核設(shè)計了精準的時序采集模塊，實現(xiàn)了協(xié)議幀的提取，驗證了協(xié)議的一致性。同時，為控制節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸，便于直觀地進行測試，設(shè)計并實現(xiàn)了上位機軟件，對測試結(jié)果和中間過程進行實時追蹤。

1 平臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及硬件實現(xiàn)

    如圖1所示，驗證平臺硬件系統(tǒng)由高集成度FPGA、收發(fā)機電路及電源管理電路組成^[6]。

1.1 收發(fā)機電路

    收發(fā)機電路按照IEEE802.15.6標準中物理層窄帶通信收發(fā)機標準設(shè)計，包括混合信號前端及調(diào)制解調(diào)前端。

    本設(shè)計采用圖2的零中頻結(jié)構(gòu)收發(fā)機，與傳統(tǒng)超外差收發(fā)機相比只需要一次變頻，結(jié)構(gòu)簡單具有較高集成度，符合體域網(wǎng)可穿戴設(shè)備小型化、便于攜帶的要求。但是由于本振頻率較高，需要性能較高的壓控振蕩器及頻率合成器，因此使用集成的零中頻調(diào)制解調(diào)芯片MAX2837及混合信號前端芯片MAX19712。 

    MAX2837是一款零中頻收發(fā)前端，包括壓控振蕩器（VCO）、晶體振蕩器、頻率合成器、混頻器、低通濾波器、功率放大器及低噪聲放大器等。通過SPI接口配置內(nèi)部寄存器。內(nèi)部資源豐富僅需要幾個簡單的外圍元件即可以組成一個完整的電路。

    MAX19712是超低功耗、高集成度的混合信號模擬前端（AFE），內(nèi)置10位數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）及模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），全雙工工作模式，最大工作速度22 MHz，使用SPI接口配置寄存器。

    考慮到平臺功能的擴展性，基帶數(shù)據(jù)接口按照高速信號布線規(guī)則設(shè)計^[7]，以滿足其他高速信號基帶的驗證需求。

1.2 電源管理電路

    由于線性穩(wěn)壓器（LDO）效率低、發(fā)熱大、不符合體域網(wǎng)低功耗特點，本文選擇使用開關(guān)電源（DCDC）進行電源管理。系統(tǒng)前端使用9 V適配器供電，兩款集成DCDC芯片產(chǎn)生3.3 V和2.85 V電壓，分別為MAX2837和MAX19712供電。圖3為電源結(jié)構(gòu)拓撲圖。

2 驗證需求分析

    針對體域網(wǎng)基帶在可穿戴式設(shè)備的健康監(jiān)測、疾病預(yù)防等方面的特殊應(yīng)用，提出以下驗證需求。

2.1 協(xié)議一致性驗證

    根據(jù)ISO/OSI-IEEE802參考模型，節(jié)點間的通信過程即為PHY幀及MAC幀的交換傳遞過程。確保協(xié)議幀格式的一致是基帶驗證的基本需求。

    (1)物理層協(xié)議幀

    物理層協(xié)議幀由物理層匯聚協(xié)議(PLCP)前導(dǎo)碼、PLCP幀頭和數(shù)據(jù)單元組成。

    前導(dǎo)碼用于接收機進行同步定時和載波偏移恢復(fù)。PLCP幀頭則包括能夠成功譯碼的必要信息，如圖4所示。

    (2)MAC層協(xié)議幀

    MAC層幀由幀頭、可變長度幀體及幀尾校驗碼組成。幀頭包含了控制和地址信息，幀體為所負載數(shù)據(jù)，幀尾為16位的CRC校驗序列。

2.2 傳輸可靠性驗證

    高可靠性的收發(fā)鏈路是體域網(wǎng)基帶驗證的基礎(chǔ)，體域網(wǎng)可穿戴設(shè)備的健康醫(yī)療的特殊性也對收發(fā)可靠性提出了較高的要求。通過分析發(fā)送和接收的射頻信號和基帶信號在時域及頻域波形參數(shù)，驗證其是否符合IEEE802.15.6窄帶物理收發(fā)機標準。

2.3 多種健康信息服務(wù)質(zhì)量驗證

    穿戴式體域網(wǎng)設(shè)備主要用于人體生理信號數(shù)據(jù)的采集、傳輸，如體溫、血氧、計步、血壓、心率、心電等。不同信號需要不同的傳輸速率。表1列出了幾項常用的人體生理信號傳輸速率。

    驗證平臺需要模擬出不同速率的數(shù)據(jù)流，對信號接收延時及成功收包率進行統(tǒng)計，得出基帶對多種信號的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

3 體域網(wǎng)數(shù)據(jù)流狀態(tài)機

    根據(jù)上述需求，本文針對體域網(wǎng)基帶SoC設(shè)計了一個基于FPGA的體域網(wǎng)數(shù)據(jù)流狀態(tài)機狀態(tài)機，作為驗證的綜合激勵信號發(fā)生單元，如圖5所示。

4 上位機軟件

    為了顯示收發(fā)數(shù)據(jù)、確定參考時間，便于計算成功收包率及延時，并對驗證過程進行實時的跟蹤，本文設(shè)計了基于LabVIEW的上位機人機交互程序。圖6為軟件流程圖。

5 結(jié)果與分析

5.1 傳輸可靠性驗證 

    驗證時發(fā)送固定的二進制數(shù)序列“00001111000101-0111011”，測量信號時域及頻域信號參數(shù)。圖7為發(fā)送的射頻和基帶信號，圖8為射頻信號的頻譜，圖9為載波的頻譜。接收端解調(diào)后的基帶信號如圖10所示，經(jīng)比較可知，信號與發(fā)送的一致。表2為具體收發(fā)性能參數(shù)。

5.2 多種健康信息服務(wù)質(zhì)量驗證

    在不同速率下發(fā)送長度固定的100個連續(xù)數(shù)據(jù)。使用上位機對收發(fā)數(shù)據(jù)比較，得出成功收包率及延時。經(jīng)過多次測量計算平均值，得出表3結(jié)果。

    結(jié)果表明數(shù)據(jù)發(fā)送速率越高，其成功收包率越低。接收延時隨著發(fā)送速率增加呈減小趨勢，但變化不明顯。

6 結(jié)束語

    本文針對穿戴式健康SoC的設(shè)計驗證需求，設(shè)計并實現(xiàn)了一套集成有硬件系統(tǒng)、含穿體域網(wǎng)數(shù)據(jù)流狀態(tài)機、支持IEEE802.15.6基帶信號信號采集的IP及上位機用于控制、跟蹤的測試軟件。該平臺針對自主開發(fā)的IEEE802.15.6基帶信號處理IP核進行了大量的測試驗證，基本滿足了體域網(wǎng)基帶芯片的設(shè)計驗證需求。同時也可以擴展應(yīng)用到其他近距離無線通信芯片的設(shè)計驗證應(yīng)用中。

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