0 引言

    隨著無線通信技術的不斷發(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備中有著廣泛的應用^[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備而設計，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]。隨著可穿戴式設備的大規(guī)模應用,，體域網(wǎng)將具有廣闊的應用空間,。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的設計規(guī)模也在不斷擴展，因此SoC的驗證工作也越來越復雜,。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計工作,。

    可穿戴式SoC主要用于健康醫(yī)療設備,，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。(2)傳輸可靠性驗證,，盡可能地為數(shù)據(jù)提供一個高質量通信鏈路,。(3)多種健康信息的服務質量（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,，驗證其服務質量是否滿足可穿戴設備要求。

    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,。

    結合IEEE802.15.6標準中窄帶通信物理層電路設計規(guī)范，本文設計并開發(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),。結合穿戴式健康應用的特殊需求,，設計并實現(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，設計并實現(xiàn)了上位機軟件,，對測試結果和中間過程進行實時追蹤,。

1 平臺總體結構設計及硬件實現(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)機標準設計，包括混合信號前端及調制解調前端,。

    本設計采用圖2的零中頻結構收發(fā)機,，與傳統(tǒng)超外差收發(fā)機相比只需要一次變頻，結構簡單具有較高集成度,，符合體域網(wǎng)可穿戴設備小型化,、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制解調芯片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)模轉換（DAC）及模數(shù)轉換器（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為電源結構拓撲圖,。

2 驗證需求分析

    針對體域網(wǎng)基帶在可穿戴式設備的健康監(jiān)測、疾病預防等方面的特殊應用,，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)前導碼、PLCP幀頭和數(shù)據(jù)單元組成,。

    前導碼用于接收機進行同步定時和載波偏移恢復,。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,，體域網(wǎng)可穿戴設備的健康醫(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 多種健康信息服務質量驗證

    穿戴式體域網(wǎng)設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質量（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 多種健康信息服務質量驗證

    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結果,。

    結果表明數(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 結束語

    本文針對穿戴式健康SoC的設計驗證需求,，設計并實現(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)基帶芯片的設計驗證需求,。同時也可以擴展應用到其他近距離無線通信芯片的設計驗證應用中,。

參考文獻

[1] 駱麗，吳鳳姣.應用于無線體域網(wǎng)2.4 GHz超低功耗喚醒接收機的設計[J].北京交通大學學報,，2013,，37(2)：57-62.

[2] 10.1109/IEEESTD.2012.6161600，IEEE Standard for local and metropolitan area networks-part 15.6：wireless body area networks[S].

[3] 王志軍,，胡封曄,，尹穎奇,，等.基于無線體域網(wǎng)的傳輸功率控制和調度算法[J].通信學報，2015,，36(10)：271-277.

[4] 李輝.TD_LTE基帶芯片驗證系統(tǒng)信號完整性研究[D].南京：南京理工大學,，2013.

[5] 陸希玉，肖振宇,，金德鵬,，等.基于單載波超寬帶的高速異構無線體域網(wǎng)[J].清華大學學報（自然科學版），2013,，53(3)：410-414.

[6] 陸許明,，溫偉杰，譚洪舟.基于FPGA的OFDM基帶軟硬件聯(lián)合驗證平臺的設計[J].電子技術應用,，2013,，39(3)：30-36.

[7] RAAD B B.A 2.4 GHz high data rate radio for picosatellites[C].Proceedings of the 2014 8th International Conference on Telecommunication Systems Services and Applications，Kuta,，Indonesia,，2014：1-6.