Analyse der drahtlosen Übertragungstechnologie basierend auf tragbaren medizinischen Systemchips

　　Einleitung

　　Gesundheit ist eng mit jedem verbunden und ist in der heutigen menschlichen Gesellschaft zu einem heißen Thema geworden. Tragbare medizinische Überwachungssysteme können menschliche Gesundheitsdaten bequem zur Krankheitsprognose und frühzeitigen Diagnose sammeln. Die tragbare medizinische Chipsystemlösung, die auf kostengünstiger, energieeffizienter und hochübertragungsfähiger drahtloser Kommunikationstechnologie basiert, hilft Patienten, grundlegende Vitalparameter in Echtzeit während der Arbeit und des Lebens zu sammeln. Durch die Verkürzung der persönlichen Konsultationszeit zwischen Ärzten und Patienten verkürzt sie die Wartezeiten in Krankenhäusern, lindert so den aktuellen Mangel an medizinischen Ressourcen und verbessert die Qualität der Patientenversorgung. Darüber hinaus sind chronische Krankheiten (wie Bluthochdruck, Diabetes und hohe Blutfettwerte) heute zum Hauptverursacher der menschlichen Gesundheit geworden. Die Behandlung chronischer Krankheiten erfordert eine langfristige, kontinuierliche Sammlung und Überwachung der Gesundheitsdaten der Patienten. Tragbare medizinische Chips sind aufgrund ihrer geringen Größe, geringen Energieverbrauchs und niedrigen Betriebskosten für Patienten leichter zu akzeptieren. Der riesige potenzielle Verbrauchermarkt hat viele Chipdesign-Firmen wie Philips, Zarlink, Ti usw. dazu gebracht, an ihrer F&E- und kommerziellen Promotion teilzunehmen.

　　Handgelenkgetragene Blutsauerstoffsensoren, Blutzuckersensoren im Armbanduhr-Stil, Schlafqualitätsmesser im Armbanduhr-Stil, Schlafphysiologie-Checker, Gürtel-ähnliche Atem- und Herzschlagmonitore, implantierbare Identitätserkennungskomponenten und mehr. Drahtlose tragbare medizinische Mikrosysteme bestehen aus drahtlosen Sensoren, die in die Körperoberfläche eingebettet sind, wie Alltagskleidung, Uhren, Schmuck usw., die alle zur Implantation von mikrotragenden medizinischen Chips verwendet werden können. Da die drahtlose Kommunikationstechnologie an verschiedenen Stellen der Körperoberfläche platziert ist, mit zahlreichen Drähten, die verschiedene Sensoren verbinden, und zwischen den Hauptverarbeitungs-Display-Chips, verursacht sie zwangsläufig erhebliche Unannehmlichkeiten für die Nutzer. Als alternative Übertragungsmethode für Kabel sticht die drahtlose Kommunikationstechnologie als besonders herausragender Vorteil hervor. Derzeit konzentrieren sich die meisten drahtlosen Kommunikationstechnologien auf die Erhöhung der Übertragungsrate drahtloser Daten, und drahtlose Übertragungstechnologien, die in tragbaren medizinischen Systemen verwendet werden, müssen auch die Minimierung des Stromverbrauchs während der drahtlosen Signalübertragung berücksichtigen. Der Transceiverteil, der für die drahtlose Signalübertragung auf tragbaren medizinischen Chips verwendet wird, ist in der Regel der energieaufwendigste Teil des gesamten medizinischen Chips. Um den langfristigen Wearable-Einsatz zu ermöglichen, ist der Stromverbrauch der drahtlosen Übertragungsschaltung zweifellos ein entscheidender Aspekt für Designer. Mit Fokus auf die Ziele eines niedrigen Stromverbrauchs und hoher Übertragungsraten haben Unternehmen wie Zarlink, Nordic, Philips und Chipcon nacheinander Lösungen für ultra-niedrige RF-Transceiver-Chips eingeführt.

　　1. Chipstruktur tragbarer medizinischer Systeme

　　Die Gesamtstruktur eines tragbaren medizinischen Chips, der auf drahtloser Kommunikationstechnologie basiert, ist in Abbildung 1 dargestellt und besteht in der Regel aus einer physiologischen Signalaufnahmeschaltung, einer Analog-Digital-Umwandlungsschaltung (ADC), einer digitalen Signalbasisbandverarbeitungsschaltung, einem Controller und einer Stromquelle

　　Die Empfängerschaltung besteht aus mehreren Teilen. Zuerst sammelt die Signalaufnahme-Low-Noise-Instrumentenverstärkerschaltung physiologische Daten vom menschlichen Körper. Anschließend werden die aufgenommenen physiologischen Signale durch AD umgewandelt, um leicht verarbeitete digitale Signale zu quantifizieren und zu erzeugen. Nach der Codierung, FFT und anderer digitaler Signalverarbeitung werden sie durch die Übertragungsschaltung übertragen. Gleichzeitig können externe Steuersignale und Daten auch über die Empfangsschaltung auf dem Chip empfangen werden. Der Controller wird verwendet, um den Betrieb des gesamten Chips zu steuern und kann so programmiert werden, dass er unterschiedliche Anwendungsanforderungen erfüllt. Typischerweise besteht ein leistungsstarker, tragbarer medizinischer Chip aus leistungsstarken digitalen, analogen und HF-Komponenten, wobei insbesondere die Leistung dieser Komponenten die Gesamtleistung des Chips direkt beeinflusst. Die analogen und HF-Transceiver-Teile medizinischer Chips sind offensichtlich die stromaufwendigsten Teile des gesamten Chips, daher müssen Entwickler bei der Entwicklung von Schaltungen für diese beiden Bauteile meist niedrigen Stromverbrauch und hohe Leistung in Einklang bringen. Im Folgenden stellen wir die verschiedenen Komponenten eines typischen tragbaren medizinischen Systemchips vor.

　　Abbildung 1: Strukturdiagramm des tragbaren medizinischen Chipsystems

　　1.1. Physiologischer Signalaufnahme-Low-Noise-Verstärker

　　Physiologische Signale werden in der Regel durch integrierte Biosensoren auf dem Chip erfasst. Zur Erleichterung der Integration verwendet der Sensor einen rauscharmen Verstärker mit CMOS-Prozess, um biologische Signale in bioelektrische Signale umzuwandeln. Um gleichzeitig mehrere physiologische Informationen zu erhalten, können mehrere Verstärker mit unterschiedlichen Funktionen auf dem Chip integriert werden, um mehrkanalige Daten zu erzeugen, die wichtige Parameter wie Blutdruck, Sauerstoffsättigung im Blut, Atemfrequenz, Herzfrequenz und Körpertemperatur erfassen. Da physiologische Signale im menschlichen Körper relativ schwach sind und leicht von Umgebungsrauschen beeinflusst werden, müssen Verstärker hohe Empfindlichkeit, hohe Verstärkung, wenig Rauschen und geringen Stromverbrauch erreichen; Gleichzeitig wird nach dem Verstärker ein Tiefpassfilter mit einer Cutoff-Frequenz von etwa 1 kHz verwendet, um Störungsrauschen bei anderen Frequenzen als bioelektrischen Signalen weiter herauszufiltern. Verstärker können mit mehreren Betriebsmodi wie Hören, Arbeiten und Ruhezustand ausgestattet werden, um den Stromverbrauch des Chips zu reduzieren.

　　1.2. AD-Konverter (ADC)

　　Der vorinstallierte physiologische Signalaufnahmeverstärker sammelt verschiedene physiologische Informationen und verbindet sich über einen analogen Mehrkanal-Mehrkanalstecker mit dem Eingang des ADC. Der analoge Mehrkanal-Mehrkanalverstärker kann jeweils nur den Ausgang eines Vorverstärkers auswählen. Um den Stromverbrauch zu reduzieren, verwenden ADCs typischerweise eine sequentielle Approximationsstruktur mit etwa 10 Bits. Zur Verbesserung der Genauigkeit und Umwandlungsgeschwindigkeit können auch Sigma-Delta- oder Pipeline-ADCs verwendet werden. Je höher die Bitanzahl, desto höher die Umwandlungsrate, aber desto höher der Energieverbrauch. Niedriger Stromverbrauch ist entscheidend bei der Entwicklung tragbarer medizinischer Chips. Zusätzlich sollte die Einheitskapazität des ADC entsprechend gewählt werden; eine zu große Auswahl nimmt viel Speicherplatz ein, und der Einfluss parasitärer Kapazität auf die Kapazität der Einheit sollte minimiert werden.

　　1.3 Controller

　　Der Chip kann ARM-Kerne und MCU als Controller verwenden, die die Betriebsmodi anderer Teile der Chip-Schaltungen über den Bus steuern; Er kann die Datennutzung steuern, Register konfigurieren und andere Teile des Chips steuern, um den Datenbus für Echtzeitkommunikation zu nutzen.

　　1.4 Digitales Signalverarbeitungs-Basisband

　　Um die Geschwindigkeit, Genauigkeit und Sicherheit der Datenübertragung zu verbessern, müssen die vom ADC ausgegebenen digitalen Signale durch den Basisbandprozessor des digitalen Signalcontrollers gehen, digital komprimiert und kodiert werden und können zudem durch FFT-Transformation und digitale Filterung weiter herausgefiltert werden, um Interferenzfrequenzrauschen weiter herauszufiltern.

　　1,5, HF-Transceiver

　　Da die Sammlung physiologischer Signale vom menschlichen Körper physiologische Eigenschaften erfordert, macht das Platzieren tragbarer medizinischer Chips an verschiedenen Körperstellen und das Vorhandensein miteinander verbundener Drähte zwischen den Chips die Bewegung unbequem, und zu viele Drähte können sich leicht verheddern und große Unannehmlichkeiten verursachen. Daher ist die drahtlose Übertragung von Signalen und Daten die direkteste und natürlichste Methode. Die wichtigsten Aspekte bei der Integration drahtloser RF-Transceiver auf tragbaren medizinischen Systemchips unterscheiden sich erheblich von denen, die typischerweise in drahtlosen Produktanwendungen behandelt werden. Erstens handelt es sich dabei um eine asymmetrische drahtlose Übertragungsmethode, die hauptsächlich menschliche Signale sammelt und aussendet. Die empfangenen Signale stammen hauptsächlich von Steuerbefehlen, und das Datenvolumen ist sehr gering. Daher kann ein Halbduplex-Kommunikationsmodus verwendet werden, mit Downlink- und Hochgeschwindigkeits-Uplink-Übertragung. Zweitens müssen Chips über lange Zeiträume arbeiten, und die für tragbaren Chips verwendeten Batterien sind in der Regel Knopfzellen, die mit Spannungen zwischen 1,2~1,5 V und einer Kapazität von weniger als mehreren hundert m·h arbeiten. Der Bereich für drahtlose Transceiver ist in der Regel der Teil mit dem höchsten Stromverbrauch in einem Chip. Designer stehen vor Herausforderungen wie niedriger Betriebsspannung, geringem Stromverbrauch und hohen Übertragungsraten. Daher ist es notwendig, die vom drahtlose Transceiver verwendete Struktur sowie die Implementierung wichtiger Technologien wie Trägerfrequenz, Übertragungsmethode, Modulationsmethode, Übertragungsrate und Stromverbrauch sorgfältig zu berücksichtigen.

　　2. Drahtlose Kommunikationsstandards für tragbare medizinische Chips

　　Die drahtlose Kommunikationstechnologie entwickelt sich rasant weiter und spielt eine bedeutende Rolle bei der Weiterentwicklung moderner Medizintechnik. Derzeit gibt es verschiedene Kommunikationsstandards für die Kommunikation zwischen tragbaren medizinischen Chips. Diese Standards sind für spezifische Anwendungen aufgrund ihrer eigenen Eigenschaften geeignet, können aber auch die stromsparenden, kurzreichweitigen Kommunikationsfunktionen tragbarer medizinischer Chips nicht vollständig ausnutzen. Nachfolgend eine kurze Einführung in die Leistung und Eigenschaften jedes Kommunikationsstandards (siehe Abbildung 2).

　　Abbildung 2: Vergleich der Übertragungsentfernungen und des Stromverbrauchs verschiedener drahtloser Kommunikationsmethoden

　　2.1 Bluetooth

　　Der Bluetooth-Standard verwendet Frequenzsprung- und Spread-Spectrum-Technologie, die effektiv Intercode-Interferenzen unterdrückt, die Kommunikationsqualität verbessert und die Anrufsicherheit gewährleistet. Bluetooth-Standards unterstützen drei verschiedene Kommunikationsdistanzen: 1, 10 und 100 m, und können Kommunikationsgeschwindigkeiten bis zu 1 Mbit/s bieten. Er hat eine einfache Struktur und kann den Preis eines einzelnen Chips mit ausgereifter Technologie und starker Marktkonkurrenzfähigkeit auf unter 5 US-Dollar senken. Der Bluetooth-Standard bietet serielle Punkt-zu-Punkt-Kommunikation und eine Kommunikationsmethode für die gemeinsame Kanal-Hauptcontroller-Schnittstelle, die sich sehr gut für den Aufbau menschlicher lokaler Netzwerke eignet. Da die Kommunikationsreichweite tragbarer medizinischer Chips jedoch in der Regel auf Bereiche in der Nähe des menschlichen Körpers beschränkt ist, während Bluetooth mit 2,4 GHz arbeitet, bleibt die Auswirkung solcher hohen Frequenzen auf den menschlichen Körper unbekannt. Aufgrund der Angst der Menschen vor Hochfrequenzkommunikation und ihrem relativ hohen Stromverbrauch ist der Bluetooth-Standard keine ideale Wahl.

　　2.2，Zigbee

　　Zigbee kann in drei verschiedenen Frequenzbereichen arbeiten: 2,4 GHz, 900 MHz und 800 MHz. Im Vergleich zu Bluetooth-Standards verbraucht Zigbee weniger Strom. Im 2,4-GHz-Band kann er eine maximale Datenübertragungsrate von 240 kbps erreichen. Die Nachteile von Zigbee sind niedrige Datenübertragungsraten, hohe Übertragungslatenz, schlechte Sicherheit und bei Betrieb auf der 2,4-GHz-Frequenz macht die große Vielfalt an Kommunikationsprotokollen, die in diesem Frequenzband konzentriert sind, Zigbee leicht anfällig für Störungen durch andere Kommunikationswellen.

　　2.3，UWB

　　UWB arbeitet im Frequenzbereich von 3,1~10 GHz, mit einer durchschnittlichen Datenübertragungsrate von bis zu 850 kbps und kann auf 26 Mbit/s erhöht werden. Diese Norm legt eine spektrale Leistungsdichte von -41 dB(m) MHz fest, aber es gibt keine spezifischen Anforderungen an Zeitbereichswellenformen. Daher kann Pulsübertragungstechnologie verwendet werden, was die Struktur von HF-Sendern sehr einfach macht und gleichzeitig den Designdruck und den Energieverbrauch auf HF-Empfänger überträgt. Wie bereits erwähnt, übertragen tragbare medizinische Chips asymmetrische Signale, wobei der übertragene Datenfluss den Eingangsdatenfluss bei weitem übersteigt, was UWB für diese asymmetrische drahtlose Kommunikationsfunktion gut geeignet macht und so den Stromverbrauch und die Systemkomplexität reduziert. Darüber hinaus ist UWB eine Ultra-Breitband-Technologie, die Ultra-Breitband nutzt, um einen geringeren Stromverbrauch zu erzielen, was zu einem relativ niedrigen Stromverbrauch führt.

　　2.4，WLAN 802.11

　　IEEE 802.11 WLAN arbeitet im ISM-Band (industrielle, wissenschaftliche und medizinische Bänder). Darunter arbeiten 802.11b und 802.11g im 2,4-GHz-Band mit Datenübertragungsraten von 11 Mbit/s bzw. 54 Mbit/s. Der 802.11a arbeitet im 5-GHz-Band und kann Übertragungsraten von bis zu 54 Mbit/s liefern. Er hat eine relativ große Kommunikationsreichweite und verfügt aufgrund seiner Verwendung der direkten Sequenz-Spread-Spectrum-Technologie über eine starke Anti-Interferenz-Fähigkeit. Allerdings verbraucht er viel Energie, hat eine komplexe Struktur und ist zu teuer, was ihn für die Entwicklung tragbarer medizinischer Chips ungeeignet macht.

　　2.5, kabelloser USB

　　Drahtlose USB-Technologie ist, ähnlich wie UWB, eine drahtlose Kommunikationstechnologie, die auf Ultra-Wideband-Technologie basiert. Er arbeitet im Bereich 3,1~10,6 GHz mit Kommunikationsdistanzen von 3 und 10 m, geeignet für die drahtlose Datenübertragung auf kurze Distanz, mit Datenübertragungsraten von bis zu 480 Mbit/s bzw. 110 Mbit/s. Die größte Herausforderung für diese Technologie ist jedoch der Stromverbrauch, der ebenfalls der größte begrenzende Faktor für ihre Anwendung in der medizinischen Chip-Kommunikation darstellt.

　　2.6. Infrarotkommunikation (IrDa)

　　Infrarotkommunikation ist eine kostengünstige und einfache drahtlose Kommunikationsmethode, aber aufgrund der direkten Emissionsnatur von Infrarot ist IrDA nur für Huang Jin und andere in Phase 5834 geeignet: Drahtlose Transceiver auf Basis tragbarer medizinischer Systemchips haben kurze Entfernungen, Punkt-zu-Punkt-Ausrichtung und niedrige Übertragungsgeschwindigkeiten. Im Vergleich zu drahtlosen Kommunikationstechnologien wie Bluetooth und Zigbee ist sie extrem unpraktisch zu bedienen.

　　2.7. Technologie zur Erkennung von Funkfrequenzen

　　RFID-Technologie ist eine Art RFID-Technologie, die weltraumgekoppelte, wechselnde elektromagnetische Felder verwendet, um Datenkommunikation ohne menschlichen Kontakt zu ermöglichen. Chinas geplantes RFID-Frequenzband beträgt 50~190 kHz, das Hochfrequenzband 13,56 MHz± 7 kHz und außerdem 432~434,79 MHz; Ein weiteres geplantes Frequenzband in China ist 900, 910 und 910,1 MHz, die weit verbreitet zur Identifikation von Zugfahrzeugen verwendet werden. Wie IrDa und Zigbee ist RFID eine drahtlose Indoor-Kommunikationstechnologie mit kurzer Kommunikationsdistanz, was sie in verschiedenen medizinischen Anwendungen wie mobilem Asset Management, Bestandsverwaltung, Echtzeit-Patientenüberwachung, Medikamentenverfolgung und -verteilung nützlich macht. Diese Technologie selbst ist jedoch eine elektronische Tag- und RFID-Technologie mit extrem niedrigen Übertragungsraten und leicht gestohlenen Informationen, was sie für Echtzeit-Anwendungen der drahtlosen Konnektivität in tragbaren medizinischen Chips ungeeignet macht.

　　2.8. Menschliche Kommunikation

　　Die Technologie der menschlichen Kommunikation (Biokanal), auch bekannt als menschliche Kommunikationstechnologie, ist ein neues Konzept, das in den letzten Jahren entstanden ist. Es wurde erstmals 1995 von Zimmerman vom Media Lab des MIT vorgeschlagen. Im Gegensatz zu jeder bisherigen drahtlosen Kommunikationstechnologie nutzt die menschliche Kommunikation die Nähe des menschlichen Magnetfeldes oder des menschlichen Körpers selbst als Kommunikationsmedium. Die Kommunikationsdistanz ist sehr kurz und erfordert manchmal menschlichen Kontakt. Daher ermöglicht sie eine präzise Kontrolle der Kommunikationsreichweite und des Ziels, wodurch Störungen zwischen verschiedenen Kanalsignalen erheblich reduziert und die Sicherheit gewährleistet sind. Typischerweise kann auch die Kommunikation in Körpernähe verdrahtet werden, was eine schnelle und präzise Datenübertragung ohne Störungen durch äußere Störungen gewährleistet. Allerdings verheddern sich Drähte und sind für Menschen äußerst unpraktisch zu bedienen. Andererseits vermeidet der Einsatz ausgereifter Datenkommunikationstechnologien wie Zigbee und Bluetooth den Aufwand durch Kabel, steht aber auch vor Problemen wie langsamen Kommunikationsgeschwindigkeiten, hohem Stromverbrauch des Chips und Anfälligkeit für Störungen durch elektromagnetische Signale von Weltraumstörungen. Deshalb zog das Konzept der menschlichen Kommunikation sofort breite Aufmerksamkeit aus Wissenschaft und Industrie auf sich, sobald es vorgeschlagen wurde.

　　3. Entwicklungsbeispiel für drahtlose Transceiver auf Basis tragbarer medizinischer Systemchips

　　Aufgrund der raschen Entwicklung der Mikroelektroniktechnologie und der Bedürfnisse einer alternden menschlichen Gesellschaft wurden tragbare medizinische Überwachungssysteme entwickelt. Ein Body Area Network (BAN) besteht aus vielen menschlichen Sensorknoten, von denen jeder über drahtlose Transceiver innerhalb des tragbaren medizinischen Chips mit anderen Knoten (oder zentralen Knoten) kommunizieren kann. Frühe Kurzstrecken-Funkfunk-Chip-Forschung zur medizinischen Überwachung des Menschen verwendete häufig ASK FSK-Modulation, niedrigen Stromverbrauch und einfache Kristalloszillatoren als Sender. Diese Struktur konnte nur Einzelkörperzeichendaten übertragen, hatte eine geringe Leistung und niedrige Oszillatorfrequenzen sowie lange Schalt- und Startzeiten, was zu sehr niedrigen Übertragungsraten führte. Mit der Vertiefung der modernen biomedizinischen Forschung wurden in den letzten zehn Jahren einige neue Schaltungen und Systeme vorgeschlagen, die auf induktiver Kopplungsspulenkommunikation basieren. Diese induktiven Spulenlösungen leiden jedoch auch unter schlechter Kommunikationsqualität, niedrigen Übertragungsraten und langen Übertragungszeiten, was die Kommunikationseffizienz effektiv verringert und die Batterieverbrauchszeit verkürzt.

　　Diese nicht standardisierten Kommunikationssysteme haben Schwierigkeiten, die Anforderungen an ultra-niedrigen Stromverbrauch, ultrakleine Größe, hohe Zuverlässigkeit und hohe Kommunikationsgeschwindigkeit für tragbare medizinische drahtlose Kommunikation zu erfüllen. Angetrieben durch die wachsende Nachfrage nach drahtloser Gesundheitsüberwachung konkurrieren Forschungseinrichtungen und große Chipunternehmen weltweit um umfangreiche Anwendungsforschung und -entwicklung in diesem Bereich. Zu den repräsentativsten Beispielen zählen: Zarlink in Kanada, das ZL70101 RF-Transceiver-Chips entwickelte, Das Sensium-System-on-Chip, entwickelt von Toumaz im Vereinigten Königreich, sowie ein stromsparender RF-Transceiver mit einer 2,4 GHz 400mV Stromversorgungsspannung, entwickelt von der Wireless Node Network Communication Chip Research Group an der UC Berkeley University in den USA, und ein drahtloser Transceiver-Chip für menschliche Kommunikation, entwickelt von der Korean Academy of Science.

　　3.1 Zarlink Medizinisches Implantierbares Kommunikationssystem ZL70101 Chip

　　Im Jahr 2006 brachte die kanadische Zarlink Semiconductor Company einen ultraleistungsschwachen, leistungsstarken HF-Transceiver ZL70101 für medizinische Implantatsysteme auf den Markt. Dieser Chip ist hoch integriert; ohne Netzwerkanpassung benötigt er nur einen 24-MHz-Quarzquarz und zwei Entkopplungskondensatoren, insgesamt drei Komponenten außerhalb des Chips; Sein Betriebsfrequenzband ist das 433-MHz-ISM-Band und verwendet einen 0,18μm RF-CMOS-Prozess. Der Transceiver arbeitet mit 5,5 mA, und im Schlafmodus beträgt er nur 250 nA. Der gesamte Chip integriert einen 400-MHz-RF-Transceiver, einen 2,45-GHz-Wecksignalüberwachungsempfänger und einen Medienpfadcontroller (MAC). Das Chipstrukturdiagramm ist in Abbildung 3 dargestellt.

　　Der Empfänger verwendet eine niedrig-intermediäre Frequenzstruktur, bestehend aus einem rauscharmen Verstärker, einem gespiegelten Frequenzunterdrückungsmischer, einem IFF-Mehrphasenfilter (PPF), einem Signalstärkeindikator (RSSI) und einem ADC. Der Sender besteht aus einem oberen Mischpult und einem Endverstärker, der die FSK-Frequenzverschiebungs-Keying-Methode verwendet. Das Aufwachsystem ist ein Empfänger, der eine OOK-Modulation verwendet und im 2,45-GHz-Band arbeitet. Es kann periodisch Startsignale von Basisstationen erkennen, um den gesamten Chip mit Strom zu versorgen, wodurch der durchschnittliche Betriebsstrom des Chips stark reduziert wird. Dieser Chip ist für implantierbare medizinische Überwachungsanwendungen konzipiert, aber dank seines ultra-energieeffizienten Designs, der Kommunikationsdistanz von 2 m und einer Übertragungsrate von bis zu 800 kbps ist er auch hervorragend darin, die Anforderungen an die drahtlose Konnektivität externer tragbarer medizinischer Chips zu erfüllen.

　　Abbildung 3 Blockdiagramm des MICS-RF-Transceiver-Prinzips von Zarlink

　　3.2 Toumaz drahtloser Transceiver für ultra-leistungsschwache Systemchips für biologische Fernerkundung

　　Im Jahr 2007 brachte Toumaz im Vereinigten Königreich einen Systemintegrationschip namens Sensium heraus, der den SPI-Bus, ADC, MCU, SRAM und einen Ultra-Low-Power-RF-Transceiver kombinierte. Der RF-Transceiverbereich dieses Sensium-Chips hat eine Chipfläche von 7 mm², verwendet 0,13μm RF-CMOS-Prozess, arbeitet mit 1 V und arbeitet sowohl im europäischen 870-MHz-Band als auch im US-Standard 928 MHz. Der Stromverbrauch beim Empfang beträgt nur 2,1 mA, die Sendeleistung -7 dB(m) und der Sendestrom 2,6 mA; Der Sende-/Empfangsbereich arbeitet im Halbduplexmodus, FSK-Modulation, mit einer Bitfehlerrate von 10–3 und einer Datenübertragungsrate von 50 kbps. Da dieser Chip für Telemetrie- und Erfassungsanwendungen wie EKG, Xinbo und Körpertemperatur entwickelt wurde, erfüllen seine Leistungsindikatoren vollständig die Anforderungen für Designanwendungen. Der Chip verwendet eine Sliding-IF-Struktur, die eine höhere Bildfrequenzunterdrückung im Vergleich zu herkömmlichen Low-IF-Transceivern bietet, und da er eine zweistufige Frequenzmigration verwendet, hat er deutlich weniger DC-Drift als Zero-IF-Transceiver.

　　Um die Anforderungen an einen niedrigen Stromverbrauch zu erfüllen, arbeitet der gesamte Chip mit 1 V, was weniger ist als die Summe von Vth von PMOS und NMOS unter 0,13μm-Prozessen. Daher arbeiten viele Geräte, insbesondere in analogen und HF-Abschnitten, in Subthreshold- und schwach reflektierenden Bereichen, was den Stromverbrauch erheblich reduziert, aber auch Herausforderungen für die HF-Analogschaltungsentwicklung darstellt. Der Empfangsbereich verwendet eine Null-IF-Struktur, und die Systemstruktur des gesamten Chips ist in Abbildung 4 dargestellt.

　　Der LNA verwendet eine einseidige Eingangs-Commonsource- und Gate-Struktur, wobei der Ausgang über On-Chip-Planarinduktoren und verstellbare Kapazitätsmatrizen als passende Lasten verwendet wird. Der LNA-Ausgang ist direkt mit einem Ende des unteren Mixers der ersten Stufe verbunden, während der andere Eingang dieses doppelt symmetrischen Gilbert-Einheitsmixers an die Stromversorgung angeschlossen ist und so eine pseudo-differentielle Betriebsmodus-Mixerstruktur bildet. Die letzte Stufe des Laufwerkspuffers im Sendebereich verwendet einen NMOS-Verstärker mit einem einzelnen Transistor und einer offenen Drain-Struktur, dessen Drain direkt mit dem Off-Chip-Induktor-Kapazitätsanpassungsnetzwerk verbunden ist. Die Drain-Stufe dieses NMOS-Transistors ist direkt mit der Stromversorgung verbunden, daher muss ein Dickgatter-Doppelgatter-NMOS-Transistor verwendet werden, um einen Durchbruch des Chips zu verhindern. Der Sender hat eine einfache Struktur, und sein VCO arbeitet in einem selbstoszillierenden Zustand. Kommunikationsverluste in der Kommunikationsverbindung können über eine RSSI-basierte automatische Gewinnsteuerung (AGC) eingestellt werden, und die Verstärkung des Antriebspuffers des Senders kann angepasst werden, wodurch die Effizienz der Leistungsübertragung verbessert wird.

　　3.3 Drahtloser Transceiver-Chip basierend auf menschlicher Körperkommunikation

　　Im Jahr 2007 entwarf ein Forschungsteam unter der Leitung von Seong-Jun Son an der Koreanischen Akademie der Wissenschaften den weltweit niedrigsten Stromverbrauch und einen Biokanal-Funkempfängerchip, der Daten mit 2 Mbit/s übertragen kann [55]. Dieser Chip verwendet Breitbandkommunikationstechnologie ähnlich wie UWB und nutzt das nahezu magnetische Feld des Körpers zur Übertragung von Kommunikationsdaten. Der gesamte Transceiver integriert ein vollständig digitales Transceiver-System (siehe Abbildung 5) ohne digitale Modulation. Der Chip arbeitet mit 1 V, mit einem Stromverbrauch von nur 0,2 mW und einer Chipfläche von 0,85 mm². Seine Gesamtleistung macht ihn sehr geeignet für die Verbindung von tragbaren Chips, die kurze Entfernungen, hohe Datenübertragungsraten und extrem geringen Stromverbrauch erfordern.

　　Da dieser Chip auf menschlichen Kommunikationsprinzipien basiert, kann seine Betriebsfrequenz 1~200 MHz betragen, wobei ein 0,25μm CMOS-Prozess verwendet wird. Der gesamte Transceiverchip besitzt nur eine Signalleitungselektrode, die menschliche Haut berührt oder an Kleidung befestigt wird, wodurch zusätzliche globale Erdungselektroden für traditionelle drahtlose menschliche Kommunikation überflüssig werden. Der Senderbereich des Chips besteht hauptsächlich aus einem Ringoszillator, einem Pseudo-Random-Code-Generator (PRBS) und einem Treiberpuffer. Der Empfängerbereich des Chips besteht aus einem analogen Frontend-Verstärker, einer Pegelverschiebungsschaltung, einem Schmitt-Trigger und einer Taktrückgewinnungsphasen-Locked-Loop-(CDR)-Schaltung. Um den Stromverbrauch zu senken, verwendet der Chip modulationsfreie direkte digitale Übertragung, verwendet 200-MHz-Breitbanddatenübertragung, eine vollständig digitale Taktrückgewinnungsschaltung, einen vollständig numerisch gesteuerten digitalen Oszillator (DCO) und Quadratur-Abtasttechnik. Der Einsatz dieser stromsparenden Schaltungstechnologien minimiert den Stromverbrauch in den stromaufwendigsten Front-End-Verstärker- und Takterzeugungsschaltungen.

　　Abbildung 4 Blockdiagramm des RF-Transceiver-Prinzips der Firma Toumaz

　　Abbildung 5: Drahtloser Transceiver basierend auf menschlichen Kommunikationsprinzipien

　　4. Ausblick auf tragbare medizinische drahtlose Transceiver-Chips

　　In der heutigen Gesellschaft stehen Menschen unter enormem Druck durch Arbeit und Privatleben. Da die Anforderungen der Menschen an ihre Gesundheit weiter steigen, werden tragbare medizinische Chips allmählich in den Alltag integriert. Mit der kontinuierlichen Entwicklung der Biomedizintechnik und Mikroelektronik werden tragbare medizinische Chips allmählich immer miniaturisierter und vernetzt. Tragbare medizinische Mikrosysteme erfordern, dass physiologische Signalsensorknoten am Patienten getragen werden, daher ist eine Miniaturisierung notwendig, um die Patienten während der Langzeitnutzung unter geringer Last zu halten. Gleichzeitig müssen physiologisch charakteristische Signale der Patienten über drahtlose Netzwerke an zentrale Basisstationsknoten oder andere Sensorknoten übertragen werden, wodurch Vernetzung die grundlegendste Voraussetzung für die Entwicklung ist. Daher bewegen sich die aktuellen tragbaren medizinischen Chips zwangsläufig hin zu vollständig integrierten SoCs, um Miniaturisierung und niedrige Kosten zu erreichen; Gleichzeitig ermöglicht die integrierte HF-Transceiver-Schaltung auf dem Chip auch die bequeme und Echtzeitübertragung von Sensorknotensignalen, was eine mobile Überwachung des menschlichen Gesundheitszustands jederzeit und überall ermöglicht.

　　Derzeit gibt es weltweit keinen dedizierten drahtlosen Kommunikationsstandard für persönliche tragbare medizinische Systeme. Die IEEE802.15-Normenserie, die sich auf industrielle, heimische und medizinische, kostengünstige, energiesparende drahtlose Kommunikationsmärkte abzielt, wird für die Entwicklung persönlicher tragbarer medizinischer Chips verwendet. Obwohl tragbare medizinische Chips auf Basis von Zigbee, Bluetooth und WLAN bereits entwickelt wurden, sind ihre Kommunikationsprotokolle nicht speziell für tragbare medizinische Anwendungen konzipiert. Ihre MAC-Schicht und QoS können nicht für den geringen Energieverbrauch, die hohe Übertragungsgeschwindigkeit und die kurzen Distanzmerkmale drahtloser medizinischer Datenübertragung optimiert werden, sodass sie die Anwendungsanforderungen noch nicht erfüllen. Angesichts dieser Herausforderungen haben Entwickler medizinischer Chips weiterhin erheblichen Entwicklungsraum im Bereich energiesparender Schaltungen und drahtloser Kommunikationsübertragung. Viele innovative Schaltungssystemstrukturen und -konzepte, die auf diesen Überlegungen basieren, erfordern weiterhin weitere Forschung und Verbesserung der Praktikabilität. Mit der Entwicklung drahtloser Kommunikationstechnologie, Verbesserungen in der integrierten Schaltungstechnologie und der kontinuierlichen Entwicklung von Anwendungsmärkten werden diese Probleme zwangsläufig gelöst und moderne Gesundheitsprojekte für den Menschen in Richtung kostengünstiger, miniaturisierter, intelligenter und vernetzter Entwicklung führen.