超宽带技术在医疗设备中的应用
中电网
摘要：超宽带（UWB）是一项高带宽（480-1320Mb/秒）和短距离（10-50米）的无线传输技术，正逐渐在医疗应用中更多的使用。UWB最初只作为一种军事技术开发，直至1994年美国军方解密后才开始发展其商业用途。早期的UWB芯片组旨在取代主流个人电脑的USB电缆。
Abstract：
Key words :
医疗设备制造商可在各种无线应用中使用
超宽带技术。
超宽带（UWB）是一项高带宽（480-1320Mb/秒）和短距离（10-50米）的无线传输技术，正逐渐在医疗应用中更多的使用。UWB最初只作为一种军事技术开发，直至1994年美国军方解密后才开始发展其商业用途。早期的UWB芯片组旨在取代主流个人电脑的USB电缆。但是，医疗应用的要求是不同的，因为传输实时视频和超声波图像要求低时间延迟和确定的数据吞吐量。阻碍UWB技术使用的另一个因素是，商业UWB芯片组供应商要求每年的订单量达到几十万以上。不过，现在已经有一些公司提供针对医疗市场的需求和产量的UWB芯片组。医疗设备制造商已经开始将UWB技术用于电子内窥镜、喉镜和超声波传感器。本文介绍如何将超宽带技术应用于电子内窥镜。
将UWB技术用于内窥镜的考虑因素
柔性光学内窥镜有一根长而细的管子，其可被导入病人体内。新式内窥镜在顶端包含了一个光源和一个微小的成像传感器。通过采用新型LED光源和微型CMOS摄像头，这种结构是可行的。内窥镜顶端的LED光源的功耗要远远低于传统高功率光源。因此，一组小小的电池就足以支持内窥镜工作几个小时。此外，可用铜导线取代昂贵的光管。还有另一个优势是图像可以显示在液晶显示器上，并在同一时间被记录下来。显示器的无线连接消除了内窥镜的物理限制，使得病人和医生在检查过程中更加舒适。
数字传输是一种理想的传输方式，因其能提供高清晰的画面质量和避免失真。由于医生是通过视频监视器来观察他对病人的操作，画面应实时出现在屏幕上---换而言之，延迟要尽可能短。因此，视频信号不能经过压缩电路或大规模的协议栈。UWB的高带宽、低延迟、低辐射和稳固性使得其成为用于内窥镜的理想无线传输技术。
超宽带无线电技术
以NTSC品质传输未经压缩的视频需要确定性的数据传送速率至少达到166 MB /秒，而传统技术根本没办法实现这样的数据传送速率。传统的无线技术采用一种取决于频道可用性的无线访问机制。这意味着接收范围内的其它设备可能会暂时减少数据带宽。若采用UWB技术，则在会话期间永久地保留一个通道。超宽带技术的协议开销很低，这对减少传输延迟非常重要。通过将数据分散到128个子载波可建立非常稳固的无线通道。接下来将对超宽带技术的其它优势和细节进行探讨。
UWB 无线通信层
早期的UWB研发基于不同的物理（PHY）和介质访问控制（MAC）层规范。在过去三年里，WiMedia联盟的MAC层和PHY层规范已被大多数超宽带实施者采用。与已制定的无线传输技术（如WLAN）不同的是，UWB 每个传输通道占用528MHz 的频带。相比之下，无线局域网（WLAN）通道的最大带宽为20 MHz。三个528MHz的频带组成一个频带组。UWB的整个频率范围为3.1~10.6 GHz，被分为5个频带组。现已有工作在频带群1和3的先进双频带收发器。
WiMedia-UWB所采用的是正交频分复用（OFDM）调制技术。每个528MH频带被分成128个子载波，每个子载波的波峰正好处在相邻子载波的零点位置（因而得名‘正交’，见图1，第27页）。传输信息被分配到这128个子载波，每个528MHz信道的最高速率为480 Mb /秒。
由于子载波分布在528MHz 的较大带宽范围，因此支持非常低的发射功率---37微瓦（相比之下，WLAN允许的发射功耗超过了300 mW）。适于信息传送的宽带和超低发射功率使得UWB在射频（RF）领域能很好的与其它射频共存。尽管发射功率只有37微瓦，但其传输距离可达到10米远，并可以穿过一堵25厘米厚的砖墙而不会影响信号传送。
图 1 WiMedia-UWB的每个528 MHz频带被分为128个子载波。
请注意，每个子载波的波峰在其相邻子载波的零点
媒体访问控制层
UWB无线通信层负责射频(RF)处理，而媒体访问控制层则负责管理UWB网络和控制无线通信状态。当数个UWB设备相距很近时，它们就构成所谓的点对点网络（ad hoc network）。点对点网络不是一个预先规划好的网络，而是由距离很近的参与设备构建，参与设备可酌情加入和退出。
如图2所示为由三个UWB设备构建的一个点对点网络。其中，设备A对设备C来说是不可见的。位于图中左侧的设备A即便不能“侦听”到设备C，也有可能知道设备C的存在及其所占用的时隙，因为设备A可通过所谓的“信标”(beacon)来了解设备C。信标中包含有相邻近设备的相关信息，因而设备可以彼此了解。在能够相互接收信息的所有设备之间，可以进行任何方向的直接传输数据。
UWB采用时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)方式，即按照时隙和帧来组织传输。UWB传输时隙组合构成超帧(见图4)。超帧分为信标段(BP)和数据传输段(DTP)。信标及有效数据占据超帧的256个媒体访问时隙，一个媒体访问时隙持续256μs，一个超帧持续65.5ms。所有能相互“侦听”到的网络成员都通过收听到的信标来与超帧同步。信标中的信息可视为网络成员的通信通道。
图 2 对一个点对点网络中的三个UWB设备的描述
由于按时隙来组织通道，因此并不需要每个设备每时每刻都在接收和发送数据。一个设备只需每隔65.5ms被唤醒来收听信标；如果该设备没有任何任务，将重新返回睡眠状态，类似于手机延长电池寿命的睡眠模式。这样就延长了电池供电系统的工作时间。
超宽带（UWB）是一项高带宽（480-1320Mb/秒）和短距离（10-50米）的无线传输技术，正逐渐在医疗应用中更多的使用。UWB最初只作为一种军事技术开发，直至1994年美国军方解密后才开始发展其商业用途。早期的UWB芯片组旨在取代主流个人电脑的USB电缆。但是，医疗应用的要求是不同的，因为传输实时视频和超声波图像要求低时间延迟和确定的数据吞吐量。阻碍UWB技术使用的另一个因素是，商业UWB芯片组供应商要求每年的订单量达到几十万以上。不过，现在已经有一些公司提供针对医疗市场的需求和产量的UWB芯片组。医疗设备制造商已经开始将UWB技术用于电子内窥镜、喉镜和超声波传感器。本文介绍如何将超宽带技术应用于电子内窥镜。
将UWB技术用于内窥镜的考虑因素
柔性光学内窥镜有一根长而细的管子，其可被导入病人体内。新式内窥镜在顶端包含了一个光源和一个微小的成像传感器。通过采用新型LED光源和微型CMOS摄像头，这种结构是可行的。内窥镜顶端的LED光源的功耗要远远低于传统高功率光源。因此，一组小小的电池就足以支持内窥镜工作几个小时。此外，可用铜导线取代昂贵的光管。还有另一个优势是图像可以显示在液晶显示器上，并在同一时间被记录下来。显示器的无线连接消除了内窥镜的物理限制，使得病人和医生在检查过程中更加舒适。
数字传输是一种理想的传输方式，因其能提供高清晰的画面质量和避免失真。由于医生是通过视频监视器来观察他对病人的操作，画面应实时出现在屏幕上---换而言之，延迟要尽可能短。因此，视频信号不能经过压缩电路或大规模的协议栈。UWB的高带宽、低延迟、低辐射和稳固性使得其成为用于内窥镜的理想无线传输技术。
超宽带无线电技术
以NTSC品质传输未经压缩的视频需要确定性的数据传送速率至少达到166 MB /秒，而传统技术根本没办法实现这样的数据传送速率。传统的无线技术采用一种取决于频道可用性的无线访问机制。这意味着接收范围内的其它设备可能会暂时减少数据带宽。若采用UWB技术，则在会话期间永久地保留一个通道。超宽带技术的协议开销很低，这对减少传输延迟非常重要。通过将数据分散到128个子载波可建立非常稳固的无线通道。接下来将对超宽带技术的其它优势和细节进行探讨。
UWB 无线通信层
早期的UWB研发基于不同的物理（PHY）和介质访问控制（MAC）层规范。在过去三年里，WiMedia联盟的MAC层和PHY层规范已被大多数超宽带实施者采用。与已制定的无线传输技术（如WLAN）不同的是，UWB 每个传输通道占用528MHz 的频带。相比之下，无线局域网（WLAN）通道的最大带宽为20 MHz。三个528MHz的频带组成一个频带组。UWB的整个频率范围为3.1~10.6 GHz，被分为5个频带组。现已有工作在频带群1和3的先进双频带收发器。
WiMedia-UWB所采用的是正交频分复用（OFDM）调制技术。每个528MH频带被分成128个子载波，每个子载波的波峰正好处在相邻子载波的零点位置（因而得名‘正交’，见图1，第27页）。传输信息被分配到这128个子载波，每个528MHz信道的最高速率为480 Mb /秒。
由于子载波分布在528MHz 的较大带宽范围，因此支持非常低的发射功率---37微瓦（相比之下，WLAN允许的发射功耗超过了300 mW）。适于信息传送的宽带和超低发射功率使得UWB在射频（RF）领域能很好的与其它射频共存。尽管发射功率只有37微瓦，但其传输距离可达到10米远，并可以穿过一堵25厘米厚的砖墙而不会影响信号传送。
图 1 WiMedia-UWB的每个528 MHz频带被分为128个子载波。
请注意，每个子载波的波峰在其相邻子载波的零点
媒体访问控制层
UWB无线通信层负责射频(RF)处理，而媒体访问控制层则负责管理UWB网络和控制无线通信状态。当数个UWB设备相距很近时，它们就构成所谓的点对点网络（ad hoc network）。点对点网络不是一个预先规划好的网络，而是由距离很近的参与设备构建，参与设备可酌情加入和退出。
如图2所示为由三个UWB设备构建的一个点对点网络。其中，设备A对设备C来说是不可见的。位于图中左侧的设备A即便不能“侦听”到设备C，也有可能知道设备C的存在及其所占用的时隙，因为设备A可通过所谓的“信标”(beacon)来了解设备C。信标中包含有相邻近设备的相关信息，因而设备可以彼此了解。在能够相互接收信息的所有设备之间，可以进行任何方向的直接传输数据。
UWB采用时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)方式，即按照时隙和帧来组织传输。UWB传输时隙组合构成超帧(见图4)。超帧分为信标段(BP)和数据传输段(DTP)。信标及有效数据占据超帧的256个媒体访问时隙，一个媒体访问时隙持续256μs，一个超帧持续65.5ms。所有能相互“侦听”到的网络成员都通过收听到的信标来与超帧同步。信标中的信息可视为网络成员的通信通道。
图 2 对一个点对点网络中的三个UWB设备的描述
由于按时隙来组织通道，因此并不需要每个设备每时每刻都在接收和发送数据。一个设备只需每隔65.5ms被唤醒来收听信标；如果该设备没有任何任务，将重新返回睡眠状态，类似于手机延长电池寿命的睡眠模式。这样就延长了电池供电系统的工作时间。
UWB的无线接口很像电缆：如果有多个通信成员而通道又有限，就必须对访问权限进行管理。当打算发送信息到某一通道时，该设备成员需要进行“侦听”以确定该通道是否已被别的设备占用。如果其发现该通道空闲，就发送信息。
当然，有可能两个设备同时侦听该通道，都发现它是空闲的，并同时向其发送信息，这就是所谓的“冲突”。发生“冲突”时，设备将尝试稍后再访问通道。这期间，每个设备在重试前都等待一个随机时长。优先级较高的设备可能比优先级较低的设备先进行重试。这种“竞争访问”机制是20世纪70年代随以太网发明的，也常用于WLAN。显然，如果要以最低延迟持续地传输一段视频流，这种方法就行不通了。
图3 超级帧被划分成 信标段（BP）和数据传送段（DTP）
为确保能无中断地传输视频流，UWB采用了分布式驻留协议(DRP)。由于UWB基于TDMA，网络成员可保留一些固定的时隙(媒体访问时隙)以保障和另一设备的通信。保留通道占用时隙的相关信息在信标时段传送。如果某一时隙被标记为“硬保留”，任何第三方都不可占用该时隙。这是保障视频传输要求的确定性数据传输速率所必须的。
实施方案
图5所示为内窥镜摄像头单元的框图。窥镜的框图与之相似，除了数字视频接口为显示控制器所取代。UWB物理层基于Wionics Research的RTU7012双波段PHY，符合WiMedia PHY 1.1 和PHY 1.2规范。它可以用于频带组1和3。
在这个例子中，UWB流媒体MAC由苏黎世应用科学大学设计并通过ASIC或FPGA实现，且针对实现低延时的数据传输进行了优化。为了方便将MAC集成到任何系统级芯片（SoC），将ARM高级主机总线（AHB）用作数据传输总线，将ARM外设总线用作控制总线。这些接口使得MAC非常适合集成到基于ARM的系统级芯片。
UWB标准的许多参数都由微控制器固件来控制。这样，在需要增添其它高层协议（如无线USB）时，无须修改任何硬件。使用固件实施方案，可以在规范发生变更的情况下降低风险和提高灵活性。
图 4 电子内窥镜单元的框图
MAC可在UWB设备间以任何方向传输任何数据---而不局限于视频。在这个具体的视频应用中，来自摄像闲的信号通过数字视频接口和AHB传送到SDRAM，该SDRAM用作一个视频中间缓冲器(见图5)。MAC从该SDRAM提取视频数据，并将其传送到UWB网络进行传输。反过来，UWB物理层接收到的数据则被传送到SDRAM。
在UWB网络和SDRAM之间传输数据时，MAC用作AHB主总线，无需处理器核进行干预。这意味着，可以将数据传输中解放出来的处理器用于控制后续UWB超帧的MAC设置。在这种架构下，任何AHB总线设备都可成为数据传输的目标或源，无论是传送到UWB-MAC，还是从UWB-MAC传出。至于和UWB无线模块的接口，UWB-MAC采用WiMedia ECMA369 MAC-PHY接口标准。
内窥镜的其它必备部件包括A/D转换器和用于电池管理的脉宽调制器(PWM)。为将所有部件集成到内窥镜的手柄中，同时保持低功耗，标准单元ASIC是不错的选择。然而，如果预知的产量太低，不足以分担本示例中标准单元ASIC的开发成本，可采用可定制的应用处理器（CAP）。这一基于ARM的微控制器具备所有常用的外设和软件驱动以及用于实现用户定制功能的金属可编程逻辑区域。可在CAP金属可编程区域实现UWB-MAC和其它定制IP核，类似于门阵列。该微控制器的其它标准外设，如外部总线接口(EBI)，可用于控制SDRAM，不会导致与内存控制器设计相关的技术风险和成本。
为便于UWB应用开发，有些供应商提供一款CAP UWB*估套件。CAP器件的固定部分可以当做一个标准的微控制器，和用于仿真金属可编程模块的高密度FPGA协同工作。这个*估套件可以快速地进行配置，仿真目前正开发的设计的性能。可在FPGA中实现UWB-MAC以及其它专用逻辑。
在一块扩展板卡上实现UWB物理层。CAP UWB*测工具套件与一台运行业界标准ARM开发工具的PC连接，用于完成系统开发和调试。这样的开发方式允许软、硬件开发同时进行，从而大幅缩短了开发时间。当系统经全面调试后，将UWB MAC和专用逻辑重新映像到CAP的金属可编程模块中，提供了元器件数目较少而完整的UWB收发器。
图5 UWB设备间的MAC数据传送
结论
这种低成本、中等批量的UWB设备可以用于无线医疗应用。这适合于单向的视频链路，也可以取代超声传感器的粗电缆，同时为病人提供必要的电流绝缘。牙科的X光胶片目前正在被X射线扫描仪所取代，后者可放置在病人口腔的。UWB可用于链接图像显示和存储设备。此外，手术机器人的定位外设可以通过一个可靠的UWB通道来交换数据。
UWB是一种新兴的技术，其具有传输延迟短、传输速率高、功耗小、电磁辐射低的特点。医疗器械制造商已经开始使用视频内窥镜和超声传感器技术，有部分原因是因为UWB具有传统的技术无法实现的确定的数据速率。此外，UWB的协议开销很低，要让医生能够以低延迟或实时地观察病人体内的情况，低协议开销很重要。
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