0 引言

    隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展,，無(wú)線體域網(wǎng)在健康監(jiān)測(cè),、慢性病防治、老人看護(hù)等可穿戴設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用^[1],。國(guó)際電子電氣工程協(xié)會(huì)（IEEE）于2012年2月發(fā)布IEEE 802.15.6無(wú)線體域網(wǎng)（WBAN）標(biāo)準(zhǔn),，對(duì)其物理層（PHY）和無(wú)線媒體介入控制層（MAC）進(jìn)行了規(guī)范^[2]。該標(biāo)準(zhǔn)為穿戴式及植入式設(shè)備而設(shè)計(jì),，滿足短距離近人體無(wú)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(kāi)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(chǎng)價(jià)值,。

    隨著電子系統(tǒng)集成度的大幅提高，SoC的設(shè)計(jì)規(guī)模也在不斷擴(kuò)展,，因此SoC的驗(yàn)證工作也越來(lái)越復(fù)雜,。統(tǒng)計(jì)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(yàn)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(kāi)發(fā)的同時(shí),，必須做好驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)工作,。

    可穿戴式SoC主要用于健康醫(yī)療設(shè)備，需要對(duì)體溫,、血氧,、血壓、心率,、心電等信號(hào)進(jìn)行采集和傳輸,，這對(duì)人體健康檢測(cè)及疾病預(yù)防有重要作用,，其需要較高的傳輸性能。同時(shí)由于信號(hào)的傳輸速率不同^[5],，在接收端會(huì)產(chǎn)生不同的延時(shí)及成功收包率,。因此在驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)中需要考慮以下需求：(1)基帶協(xié)議一致性驗(yàn)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(yàn)證,，盡可能地為數(shù)據(jù)提供一個(gè)高質(zhì)量通信鏈路。(3)多種健康信息的服務(wù)質(zhì)量（QoS）驗(yàn)證,。針對(duì)體域網(wǎng)傳輸信號(hào)的多樣性,，模擬發(fā)送不同速率的測(cè)試向量，驗(yàn)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(wú)線電平臺(tái)對(duì)基帶的功能進(jìn)行驗(yàn)證，例如USRP,、bladeRF及HackRF等,。與使用FPGA硬件電路實(shí)現(xiàn)協(xié)議處理的體域網(wǎng)基帶不同，此類平臺(tái)通過(guò)上位機(jī)軟件算法實(shí)現(xiàn)協(xié)議的處理與開(kāi)發(fā),，并且接口封閉不便于進(jìn)一步開(kāi)發(fā),，因此不能滿足體域網(wǎng)基帶SoC驗(yàn)證需求。

    結(jié)合IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)中窄帶通信物理層電路設(shè)計(jì)規(guī)范,，本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了包含F(xiàn)PGA,、射頻前端、混合信號(hào)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(jì)并實(shí)現(xiàn)了體域網(wǎng)數(shù)據(jù)流狀態(tài)機(jī),，對(duì)多輸入向量進(jìn)行自動(dòng)加載,，實(shí)現(xiàn)了體域網(wǎng)基帶在不同速率下，對(duì)延時(shí),、功耗的自動(dòng)測(cè)量,。針對(duì)自主開(kāi)發(fā)的IEEE802.15.6的基帶IP核設(shè)計(jì)了精準(zhǔn)的時(shí)序采集模塊，實(shí)現(xiàn)了協(xié)議幀的提取,，驗(yàn)證了協(xié)議的一致性,。同時(shí),，為控制節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸,，便于直觀地進(jìn)行測(cè)試，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)軟件,，對(duì)測(cè)試結(jié)果和中間過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤,。

1 平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及硬件實(shí)現(xiàn)

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

1.1 收發(fā)機(jī)電路

    收發(fā)機(jī)電路按照IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)中物理層窄帶通信收發(fā)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),，包括混合信號(hào)前端及調(diào)制解調(diào)前端。

    本設(shè)計(jì)采用圖2的零中頻結(jié)構(gòu)收發(fā)機(jī),，與傳統(tǒng)超外差收發(fā)機(jī)相比只需要一次變頻,，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hào)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(guò)SPI接口配置內(nèi)部寄存器,。內(nèi)部資源豐富僅需要幾個(gè)簡(jiǎn)單的外圍元件即可以組成一個(gè)完整的電路,。

    MAX19712是超低功耗、高集成度的混合信號(hào)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(tái)功能的擴(kuò)展性，基帶數(shù)據(jù)接口按照高速信號(hào)布線規(guī)則設(shè)計(jì)^[7],，以滿足其他高速信號(hào)基帶的驗(yàn)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(diǎn),，本文選擇使用開(kāi)關(guān)電源（DCDC）進(jìn)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?fù)鋱D,。

2 驗(yàn)證需求分析

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

2.1 協(xié)議一致性驗(yàn)證

    根據(jù)ISO/OSI-IEEE802參考模型,，節(jié)點(diǎn)間的通信過(guò)程即為PHY幀及MAC幀的交換傳遞過(guò)程,。確保協(xié)議幀格式的一致是基帶驗(yàn)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(jī)進(jìn)行同步定時(shí)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(zhǎng)度幀體及幀尾校驗(yàn)碼組成,。幀頭包含了控制和地址信息,，幀體為所負(fù)載數(shù)據(jù)，幀尾為16位的CRC校驗(yàn)序列,。

2.2 傳輸可靠性驗(yàn)證

    高可靠性的收發(fā)鏈路是體域網(wǎng)基帶驗(yàn)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(duì)收發(fā)可靠性提出了較高的要求。通過(guò)分析發(fā)送和接收的射頻信號(hào)和基帶信號(hào)在時(shí)域及頻域波形參數(shù),，驗(yàn)證其是否符合IEEE802.15.6窄帶物理收發(fā)機(jī)標(biāo)準(zhǔn),。

2.3 多種健康信息服務(wù)質(zhì)量驗(yàn)證

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

    驗(yàn)證平臺(tái)需要模擬出不同速率的數(shù)據(jù)流,，對(duì)信號(hào)接收延時(shí)及成功收包率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),，得出基帶對(duì)多種信號(hào)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

3 體域網(wǎng)數(shù)據(jù)流狀態(tài)機(jī)

    根據(jù)上述需求,，本文針對(duì)體域網(wǎng)基帶SoC設(shè)計(jì)了一個(gè)基于FPGA的體域網(wǎng)數(shù)據(jù)流狀態(tài)機(jī)狀態(tài)機(jī),，作為驗(yàn)證的綜合激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元，如圖5所示,。

4 上位機(jī)軟件

    為了顯示收發(fā)數(shù)據(jù),、確定參考時(shí)間，便于計(jì)算成功收包率及延時(shí),，并對(duì)驗(yàn)證過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤,，本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的上位機(jī)人機(jī)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(yàn)證 

    驗(yàn)證時(shí)發(fā)送固定的二進(jìn)制數(shù)序列“00001111000101-0111011”,，測(cè)量信號(hào)時(shí)域及頻域信號(hào)參數(shù)。圖7為發(fā)送的射頻和基帶信號(hào),，圖8為射頻信號(hào)的頻譜,，圖9為載波的頻譜。接收端解調(diào)后的基帶信號(hào)如圖10所示,，經(jīng)比較可知,，信號(hào)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(yàn)證

    在不同速率下發(fā)送長(zhǎng)度固定的100個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù),。使用上位機(jī)對(duì)收發(fā)數(shù)據(jù)比較，得出成功收包率及延時(shí),。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量計(jì)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(shí)隨著發(fā)送速率增加呈減小趨勢(shì)，但變化不明顯,。

6 結(jié)束語(yǔ)

    本文針對(duì)穿戴式健康SoC的設(shè)計(jì)驗(yàn)證需求,，設(shè)計(jì)并實(shí)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(jī),、支持IEEE802.15.6基帶信號(hào)信號(hào)采集的IP及上位機(jī)用于控制,、跟蹤的測(cè)試軟件。該平臺(tái)針對(duì)自主開(kāi)發(fā)的IEEE802.15.6基帶信號(hào)處理IP核進(jìn)行了大量的測(cè)試驗(yàn)證,，基本滿足了體域網(wǎng)基帶芯片的設(shè)計(jì)驗(yàn)證需求,。同時(shí)也可以擴(kuò)展應(yīng)用到其他近距離無(wú)線通信芯片的設(shè)計(jì)驗(yàn)證應(yīng)用中。

參考文獻(xiàn)

[1] 駱麗,，吳鳳姣.應(yīng)用于無(wú)線體域網(wǎng)2.4 GHz超低功耗喚醒接收機(jī)的設(shè)計(jì)[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),，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(wú)線體域網(wǎng)的傳輸功率控制和調(diào)度算法[J].通信學(xué)報(bào),，2015，36(10)：271-277.

[4] 李輝.TD_LTE基帶芯片驗(yàn)證系統(tǒng)信號(hào)完整性研究[D].南京：南京理工大學(xué),，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(gòu)無(wú)線體域網(wǎng)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)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.