웨어러블 의료 시스템 칩을 기반으로 한 무선 전송 기술 분석

　　소개

　　건강은 모두와 밀접하게 연관되어 있으며 오늘날 인간 사회에서 뜨거운 관심사가 되었습니다. 웨어러블 의료 모니터링 시스템은 질병 예측과 조기 진단을 위해 인간의 건강 데이터를 편리하게 수집할 수 있습니다. 저비용, 저전력 및 고전송 무선 통신 기술을 기반으로 한 웨어러블 의료용 칩 시스템 솔루션은 환자가 일상 업무와 생활 중 기본적인 생명 지표를 실시간으로 수집할 수 있도록 돕습니다. 의사와 환자 간의 대면 상담 시간을 줄임으로써 병원 대기 시간을 단축하고, 현재의 의료 자원 부족을 해소하고 환자 진료의 질을 향상시킵니다. 또한, 고혈압, 당뇨병, 고혈지와 같은 만성 질환은 오늘날 인간 건강의 가장 큰 원인이 되었습니다. 만성 질환 치료는 환자의 건강 데이터를 장기간, 지속적으로 수집하고 모니터링하는 것이 필요합니다. 웨어러블 의료용 칩은 크기가 작고, 전력 소비가 낮으며, 운영 비용이 낮아 환자들이 더 쉽게 받아들여집니다. 광대한 소비자 시장 덕분에 필립스, 자링크, Ti 등 많은 칩 설계 회사들이 연구개발 및 상업 홍보에 참여하고 있습니다.

　　손목에 착용하는 혈액 산소 센서, 손목시계 스타일의 혈당 센서, 손목시계 스타일의 수면 품질 모니터, 수면 생리학 검사기, 벨트 스타일의 호흡 및 심박수 모니터, 이식형 신원 인식 부품 등이 있습니다. 무선 웨어러블 의료 마이크로시스템은 일상복, 시계, 보석류 등 신체 표면에 내장된 무선 센서로 구성되며, 이 모든 부품을 사용해 마이크로 웨어러블 의료 칩을 이식할 수 있습니다. 무선 통신 기술은 신체 표면의 여러 부위에 배치되어 여러 개의 선이 서로 다른 센서와 주요 처리 디스플레이 칩 사이를 연결하기 때문에 사용자에게 상당한 불편을 초래합니다. 무선 통신 기술은 선의 대체 전송 수단으로서 특히 두드러진 장점으로 두드러집니다. 현재 대부분의 무선 통신 기술은 무선 데이터 전송 속도를 높이는 데 집중하며, 웨어러블 의료 시스템에 사용되는 무선 전송 기술은 무선 신호 전송 시 전력 소비를 최소화하는 것도 고려해야 합니다. 웨어러블 의료용 칩에서 무선 신호 전송에 사용되는 트랜시버 부품은 보통 전체 의료용 칩 중 가장 많은 에너지를 소모하는 부분입니다. 장기 웨어러블 사용을 용이하게 하기 위해, 무선 전송 회로의 전력 소비는 웨어러블 칩 설계자들에게 분명히 중요한 고려사항입니다. 저전력 소비와 높은 전송 속도를 목표로 자를링크, 노르딕, 필립스, 칩콘 등 기업들이 초저전력 RF 송수신기 칩 솔루션을 연속적으로 출시했습니다.

　　1. 웨어러블 의료 시스템의 칩 구조

　　무선 통신 기술을 기반으로 한 웨어러블 의료용 칩의 전체 구조는 그림 1에 나타나며, 일반적으로 생리학적 신호 획득 회로, 아날로그-디지털 변환 회로(ADC), 디지털 신호 베이스밴드 처리 회로, 컨트롤러, 전원 공급원으로 구성됩니다

　　수신기 회로는 여러 부분으로 구성되어 있습니다. 먼저, 신호 획득 저잡음 기기 증폭기 회로가 인체에서 생리학적 데이터를 수집합니다. 그 후 획득된 생리적 신호는 AD를 통해 변환되어 정량화되고 처리하기 쉬운 디지털 신호를 생성합니다. 인코딩, FFT 및 기타 디지털 신호 처리 후 송신 회로를 통해 전송됩니다. 동시에 외부 제어 신호와 데이터는 칩의 수신 회로를 통해 수신될 수도 있습니다. 컨트롤러는 칩 전체의 동작을 제어하는 데 사용되며, 다양한 응용 요구사항에 맞게 프로그래밍할 수 있습니다. 일반적으로 고성능 웨어러블 의료용 칩은 고성능 디지털, 아날로그, RF 부품으로 구성되며, 특히 이들 부품의 성능이 전체 칩 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 의료용 칩의 아날로그 및 RF 트랜시버 부품은 전체 칩에서 가장 많은 전력을 소모하는 부분이므로, 설계자들은 이 두 부품의 회로를 설계할 때 보통 저전력 소비와 높은 성능을 균형 있게 고려해야 합니다. 아래에서는 일반적인 웨어러블 의료 시스템 칩의 다양한 구성 요소를 소개합니다.

　　그림 1: 웨어러블 의료용 칩 시스템의 구조 다이어그램

　　1.1. 생리학적 신호 획득 저잡음 증폭기

　　생리학적 신호는 일반적으로 칩 내장 통합 바이오센서를 통해 수집됩니다. 통합을 용이하게 하기 위해, 센서는 CMOS 공정을 이용한 저잡음 증폭기를 사용하여 생물학적 신호를 생체 전기 신호로 변환합니다. 동시에 여러 생리학적 정보를 얻기 위해, 다양한 기능을 가진 여러 증폭기를 칩에 통합하여 혈압, 혈중 산소포화도, 호흡수, 심박수, 체온과 같은 중요한 매개변수를 수집하는 다중 채널 데이터를 형성할 수 있습니다. 인체 내 생리적 신호는 상대적으로 약하고 주변 잡음에 쉽게 영향을 받기 때문에, 증폭기는 높은 감도, 높은 이득, 낮은 잡음, 낮은 전력 소비를 달성해야 합니다; 동시에, 증폭기 뒤에는 약 1kHz 컷오프 주파수의 저역 통과 필터가 사용되어 생체 전기 신호 이외의 주파수에서 간섭 잡음을 추가로 필터링합니다. 증폭기는 청취, 작동, 절전 등 여러 작동 모드를 설계하여 칩 전력 소비를 줄일 수 있습니다.

　　1.2. AD 컨버터 (ADC)

　　사전 장착된 다중 채널 생리적 신호 획득 증폭기는 다양한 생리학적 정보를 수집하여 아날로그 다중 채널 멀티 커넥터를 통해 ADC의 입력 포트에 연결됩니다. 아날로그 다중 채널 다중 채널 증폭기는 한 번에 한 개의 프리앰프의 출력만 선택할 수 있습니다. 전력 소비를 줄이기 위해 ADC는 일반적으로 약 10비트의 순차 근사 구조를 사용합니다. 정확도와 변환 속도를 높이기 위해 시그마-델타 또는 파이프라인 ADC도 사용할 수 있습니다. 비트 수가 많을수록 변환률이 높아지지만, 전력 소비는 더 높습니다. 웨어러블 의료용 칩 설계에서는 저전력 소비가 핵심입니다. 또한 ADC의 유닛 커패시턴스를 적절히 선택해야 합니다; 너무 크게 선택하면 칩 공간을 많이 차지하고, 기생 커패시턴스가 유닛 커패시턴스에 미치는 영향을 최소화해야 합니다.

　　1.3 컨트롤러

　　칩은 ARM 코어와 MCU를 컨트롤러로 사용하여 버스를 통해 칩 회로의 다른 부분의 동작 모드를 제어할 수 있습니다; 데이터 사용 타이밍을 제어하고, 레지스터를 구성하며, 실시간 통신을 위해 데이터 버스를 차지할 칩의 다른 부분을 제어할 수 있습니다.

　　1.4 디지털 신호 처리 베이스밴드

　　데이터 전송의 속도, 정확성, 보안을 향상시키기 위해 ADC에서 출력되는 디지털 신호는 디지털 신호 컨트롤러의 베이스밴드 프로세서를 거쳐 디지털 압축과 인코딩을 거쳐야 하며, FFT 변환과 디지털 필터링을 통해 간섭 주파수 잡음을 추가로 필터링할 수도 있습니다.

　　1.5, RF 송수신기

　　인체에서 생리적 신호를 수집하려면 생리학적 특성이 필요하기 때문에, 웨어러블 의료용 칩을 신체의 여러 부위에 배치하고 칩 간에 연결된 전선이 있으면 움직임이 불편하고, 너무 많은 전선이 쉽게 엉켜 큰 불편함을 유발할 수 있습니다. 따라서 신호와 데이터의 무선 전송이 가장 직접적이고 자연스러운 방법입니다. 웨어러블 의료 시스템 칩에 무선 RF 트랜시버를 통합할 때 고려해야 할 주요 이슈는 무선 제품 응용에서 일반적으로 다루는 문제들과는 상당히 다릅니다. 첫째, 이는 비대칭 무선 전송 방식으로, 주로 인간 신호를 수집해 발송합니다. 수신 신호는 주로 제어 명령에서 나오며, 데이터 용량이 매우 적습니다. 따라서 저속 다운링크와 고속 업링크 전송을 지원하는 반이중 통신 모드를 사용할 수 있습니다. 둘째, 칩은 장시간 작동해야 하며, 웨어러블 칩에 사용되는 배터리는 일반적으로 버튼 셀로, 1.2~1.5V 사이의 전압과 수백 mA·h 미만의 용량을 가집니다. 무선 트랜시버 섹션은 보통 칩 내에서 가장 많은 전력 소비를 하는 부분입니다. 설계자들은 낮은 동작 전압, 낮은 전력 소비, 높은 전송률과 같은 도전에 직면합니다. 따라서 무선 트랜시버가 채택한 구조와 반송파 주파수, 전송 방식, 변조 방식, 전송 속도, 전력 소비 등 핵심 기술의 구현을 신중히 고려해야 합니다.

　　2. 웨어러블 의료용 칩을 위한 무선 통신 표준

　　무선 통신 기술은 빠르게 발전하고 있으며, 현대 의료 기술 발전에 중요한 역할을 하고 있습니다. 현재 웨어러블 의료용 칩 간 통신을 위한 다양한 통신 표준이 존재합니다. 이러한 표준은 고유한 특성에 따라 특정 용도에 적합하지만, 웨어러블 의료용 칩의 저전력 단거리 통신 기능을 충분히 활용하지 못할 수도 있습니다. 아래는 각 통신 표준의 성능과 특성에 대한 간략한 소개입니다(그림 2 참조).

　　그림 2: 다양한 무선 통신 방식의 전송 거리와 전력 소비 비교

　　2.1 블루투스

　　블루투스 표준은 주파수 도약과 확산 스펙트럼 기술을 사용하여 코드 간 간섭을 효과적으로 억제하고 통신 품질을 향상시키며 통화 보안을 유지합니다. 블루투스 표준은 1, 10, 100m의 세 가지 통신 거리를 지원하며, 최대 1 Mbps의 통신 속도를 제공합니다. 구조가 단순하며, 성숙한 기술과 강력한 시장 경쟁력을 바탕으로 단일 칩의 가격을 5달러 이하로 낮출 수 있습니다. 블루투스 표준은 점대점 직렬 통신과 공유 채널 주 제어 인터페이스 통신 방식을 제공하여 인간 로컬 네트워크 구축에 매우 적합합니다. 하지만 웨어러블 의료용 칩의 통신 범위는 일반적으로 인체 근처에만 제한되는 반면, 블루투스는 2.4 GHz에서 작동하기 때문에 이러한 고주파가 인체에 미치는 영향은 아직 알려지지 않았습니다. 사람들이 고주파 통신에 대한 두려움과 상대적으로 높은 전력 소비로 인해 블루투스 표준은 이상적인 선택이 아닙니다.

　　2.2，Zigbee

　　Zigbee는 2.4 GHz, 900 MHz, 800 MHz의 세 가지 주파수 대역에서 동작할 수 있습니다. 블루투스 표준과 비교했을 때, Zigbee는 전력 소모가 더 적습니다. 2.4 GHz 대역에서 동작할 때는 최대 240 kbps의 데이터 전송 속도를 낼 수 있습니다. Zigbee의 단점은 낮은 데이터 전송 속도, 높은 전송 지연, 보안이 약하다는 점이며, 2.4GHz 주파수에서 동작할 때 이 주파수 대역에 집중된 다양한 통신 프로토콜 때문에 다른 통신 파동의 간섭에 쉽게 취약합니다.

　　2.3，UWB

　　UWB는 3.1~10 GHz 주파수 대역에서 동작하며, 평균 데이터 전송 속도는 최대 850 kbps이고 26 Mbps까지 증가할 수 있습니다. 이 표준은 -41dB(m) MHz의 전력 스펙트럼 밀도를 명시하지만, 시역 파형에 대한 구체적인 요구사항은 없습니다. 따라서 펄스 전송 기술을 사용할 수 있어 RF 송신기 구조를 매우 단순하게 만들고, 설계 압력과 전력 소비 설계를 RF 수신기 설계로 이전할 수 있습니다. 앞서 언급했듯이, 웨어러블 의료용 칩은 입력 데이터 흐름을 훨씬 초과하는 비대칭 신호를 전송하기 때문에 UWB는 이 비대칭 무선 통신 기능에 적합하여 전력 소비와 시스템 복잡성을 줄입니다. 더불어, UWB는 초광대역 기술을 사용해 전력 소비를 줄여 상대적으로 낮은 전력 소비를 달성합니다.

　　2.4，WLAN 802.11

　　IEEE 802.11 WLAN은 ISM 대역(산업, 과학, 의료 대역)에서 동작합니다. 그중 802.11b와 802.11g는 2.4 GHz 대역에서 각각 11 Mbps와 54 Mbps의 데이터 전송 속도를 제공합니다. 802.11a는 5 GHz 대역에서 동작하며 최대 54Mbps의 전송 속도를 제공합니다. 통신 범위가 비교적 길고, 직접 서열 확산 스펙트럼 기술을 사용해 강력한 간섭 방지 능력을 갖추고 있습니다. 하지만 전력 소모가 많고 구조가 복잡하며 비용이 너무 높아 웨어러블 의료용 칩 설계에는 적합하지 않습니다.

　　2.5, 무선 USB

　　무선 USB 기술은 UWB와 마찬가지로 초광대역 기술을 기반으로 한 무선 통신 기술입니다. 3.1~10.6 GHz 대역에서 동작하며, 통신 거리는 3m와 10m로, 단거리 무선 데이터 전송에 적합하고 각각 최대 480 Mbps와 110 Mbps의 데이터 전송 속도를 제공합니다. 하지만 이 기술이 직면한 가장 큰 도전은 전력 소비이며, 이는 의료 칩 통신 적용의 가장 큰 제한 요인이기도 합니다.

　　2.6. 적외선 통신(IrDa)

　　적외선 통신은 저비용이고 간단한 무선 통신 수단이지만, 적외선이 직접 방출되기 때문에 IrDA는 5834단계에 해당하는 Huang Jin 등에게만 적합합니다: 웨어러블 의료 시스템 칩 기반 무선 송수신기는 짧은 거리, 점대점 정렬, 낮은 전송 속도를 가집니다. 블루투스나 지그비 같은 무선 통신 기술과 비교할 때, 사용이 매우 불편합니다.

　　2.7. 무선 주파수 식별 기술

　　RFID 기술은 공간 결합 교대 전자기장을 사용하여 인간의 접촉 없이 데이터 통신을 구현하는 RFID 기술의 한 종류입니다. 중국이 계획한 RFID 주파수 대역은 50~190 kHz, 고주파 대역은 13.56 MHz± 7 kHz, 그리고 432~434.79 MHz도 있습니다; 중국에서 계획된 또 다른 주파수 대역은 900, 910, 910.1 MHz로, 열차 차량 식별에 널리 사용되고 있습니다. IrDa와 Zigbee와 마찬가지로 RFID는 짧은 통신 거리를 가진 실내 무선 통신 기술로, 모바일 자산 관리, 재고 관리, 실시간 환자 모니터링, 약물 추적 및 유통 등 다양한 의료 응용 분야에서 유용합니다. 하지만 이 기술 자체는 전자 태그와 RFID 기술로, 전송률이 매우 낮고 정보가 쉽게 도난당할 수 있어 웨어러블 의료용 칩의 실시간 무선 연결 응용에는 적합하지 않습니다.

　　2.8. 인간 의사소통

　　인간 커뮤니케이션(바이오 채널) 기술, 즉 인간 커뮤니케이션 기술은 최근 몇 년간 등장한 새로운 개념입니다. 이 기술은 1995년 MIT 미디어 랩의 짐머만에 의해 처음 제안되었습니다. 이전의 무선 통신 기술과 달리, 인간 통신은 인간 자기장이나 신체 자체의 근접성을 통신 매체로 사용합니다. 통신 거리가 매우 짧아 때로는 인간의 접촉이 필요합니다. 따라서 통신 범위와 통신 대상을 정밀하게 제어할 수 있어 서로 다른 채널 신호 간 간섭을 크게 줄이고 통신 보안을 보장합니다. 일반적으로 인체 근처의 통신도 유선으로 이루어져 외부 잡음의 간섭 없이 고속 및 정확한 데이터 전송을 보장합니다. 하지만 전선은 쉽게 엉키고 사용하기에 매우 불편합니다. 반면, Zigbee와 블루투스와 같은 성숙한 데이터 통신 기술을 사용하면 유선으로 인한 번거로움을 피할 수 있지만, 느린 통신 속도, 높은 칩 전력 소비, 공간 잡음 전자기 신호로 인한 간섭 취약성 같은 문제도 직면합니다. 따라서 인간 커뮤니케이션 개념이 제안되자마자 학계와 산업계의 광범위한 관심을 끌었습니다.

　　3. 웨어러블 의료 시스템 칩을 기반으로 한 무선 송수신기 개발 예시

　　마이크로일렉트로닉스 기술의 급속한 발전과 고령화 인류 사회의 요구로 인해, 웨어러블 의료 모니터링 시스템이 개발되었습니다. 신체 영역 네트워크(BAN)는 여러 인간 센서 노드로 구성되며, 각 노드는 웨어러블 의료 칩 내 무선 트랜시버를 통해 다른 노드(또는 중앙 노드)와 통신할 수 있습니다. 초기 단거리 무선 통신 칩 연구에서는 인간 의료 모니터링을 위한 ASK FSK 변조, 저전력 소비, 간단한 크리스털 발진기를 송신기로 사용하는 경우가 많았습니다. 이 구조는 단일 신체 신호 데이터만 전송할 수 있었고, 성능이 낮으며, 발진기 주파수가 낮고 전환 및 시작 시간이 길어 통신 전송 속도가 매우 낮았습니다. 현대 생의학공학 연구가 심화됨에 따라 지난 10여 년간 유도 결합 코일 통신을 기반으로 한 새로운 회로와 시스템이 제안되었습니다. 그러나 이러한 유도 코일 기반 솔루션은 통신 품질 저하, 낮은 전송 속도, 긴 전송 시간 문제를 겪어 통신 효율을 효과적으로 떨어뜨리고 배터리 사용 시간을 단축시킵니다.

　　이러한 비표준화된 통신 시스템은 웨어러블 의료 무선 통신을 위한 초저전력 소비, 초소형 크기, 높은 신뢰성, 고속 통신 속도를 충족하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 무선 건강 모니터링에 대한 수요 증가에 힘입어, 전 세계 연구 기관과 주요 칩 회사들이 이 분야에서 광범위한 응용 연구개발을 위해 경쟁해 왔습니다. 대표적인 예로는 캐나다의 자를링크(Zarlink)가 있으며, ZL70101 RF 송수신기 칩을 개발했습니다. 영국 투마즈가 개발한 센시움 시스템 온 칩, 미국 UC 버클리 대학교 무선 노드 네트워크 통신 칩 연구 그룹이 설계한 2.4 GHz 400mV 전원 공급 전압의 저전력 RF 송수신기, 그리고 한국과학원에서 개발한 인간용 무선 송수신기 칩이 있습니다.

　　3.1 자를링크 의료용 이식형 통신 시스템 ZL70101 칩

　　2006년, 캐나다의 자를링크 반도체 회사는 의료용 임플란트 시스템을 위한 초저전력 고성능 RF 송수신기 ZL70101을 출시했습니다. 이 칩은 매우 통합되어 있습니다; 네트워크 매칭을 제외하면, 24 MHz 쿼츠 크리스탈 1개와 2개의 디커플링 커패시터만 필요하며, 총 3개의 오프칩 부품이 필요합니다; 작동 주파수 대역은 433 MHz ISM 대역이며, 0.18μm RF CMOS 공정을 사용합니다. 송수신기는 5.5 mA로 동작하며, 절전 모드에서는 250 nA에 불과합니다. 전체 칩은 400 MHz RF 트랜시버, 2.45 GHz 웨이크업 신호 모니터링 수신기, 그리고 하나의 미디어 경로 컨트롤러(MAC)를 통합합니다. 칩 구조 다이어그램은 그림 3에 나와 있습니다.

　　수신기는 저잡음 증폭기, 미러 주파수 억제 믹서, IFF 다상 필터(PPF), 신호 세기 표시기(RSSI), ADC로 구성된 저중주파 구조를 채택합니다. 송신기는 상부 믹서와 전력 증폭기로 구성되며, FSK 주파수 시프트 키잉 변조 방식을 사용합니다. 웨이크업 시스템은 OOK 변조를 사용하는 수신기이며 2.45 GHz 대역에서 동작합니다. 기지국에서 칩 전체에 전원을 공급하는 시작 신호를 주기적으로 감지하여 칩의 평균 동작 전류를 크게 줄입니다. 이 칩은 이식형 의료 모니터링용으로 설계되었지만, 초저전력 설계, 2m 통신 거리, 최대 800kbps 전송 속도 덕분에 외부 웨어러블 의료용 칩의 무선 연결 요구도 충족합니다.

　　그림 3 자링크의 MICS RF 송수신기 원리 블록다이어그램

　　3.2 생물학적 원격 탐사용 초저전력 시스템 칩용 투마즈 무선 송수신기

　　2007년, 영국의 투마즈는 SPI 버스, ADC, MCU, SRAM, 초저전력 RF 트랜시버를 결합한 시스템 통합 칩인 센시엄을 출시했습니다. 이 센시움 칩의 RF 트랜시버 섹션은 7 mm²의 칩 면적을 가지며, 0.13μm RF CMOS 공정을 사용하고, 1 V로 동작하며, 유럽 표준 870 MHz 대역과 미국 표준 928 MHz 대역에서 모두 동작합니다. 수신 시 소비 전류는 2.1 mA에 불과하며, 송신 전력은 -7 dB(m), 송신 전류는 2.6 mA입니다. 송수신 구간은 반이중 모드인 FSK 변조로 동작하며, 비트 오류율은 10-3, 데이터 전송 속도는 50 kbps입니다. 이 칩은 ECG, 신보, 체온 등 텔레메트리 및 획득 응용을 위해 개발되었기 때문에, 성능 지표는 설계 응용 요구사항을 완벽히 충족합니다. 이 칩은 슬라이딩 IF 구조를 채택하는데, 이는 전통적인 저 IF 트랜시버에 비해 더 높은 이미지 주파수 억제를 제공하며, 2단계 주파수 이동을 사용하기 때문에 제로 IF 트랜시버보다 DC 드리프트가 훨씬 적습니다.

　　저전력 소비 요구사항을 충족하기 위해 칩 전체는 1 V로 동작하는데, 이는 0.13μm 공정에서 PMOS와 NMOS Vth의 합보다 작습니다. 따라서 많은 장치, 특히 아날로그 및 RF 구간에서는 임계값 이하 및 약한 반사 영역에서 작동하여 전력 소비를 크게 줄이지만, RF 아날로그 회로 설계에는 도전 과제가 됩니다. 수신 구간은 제로 IF 구조를 채택하며, 전체 칩의 시스템 구조는 그림 4에 나타난다.

　　LNA는 단일 입력 공통 소스 및 게이트 구조를 사용하며, 출력은 칩 내 평면 인덕터와 조절 가능한 커패시턴스 매트릭스를 매칭 부하로 사용합니다. LNA 출력은 1단계 하부 믹서의 한쪽 끝에 직접 연결되고, 이 이중 밸런스 길버트 유닛 믹서의 다른 쪽 입력은 전원 공급 장치에 연결되어 의사 차동 작동 모드 믹서 구조를 형성합니다. 송신 구간의 드라이브 버퍼의 마지막 단계는 개방 드레인 구조의 단일 트랜지스터 NMOS 증폭기를 사용하며, 드레인은 오프칩 인덕터-커패시턴스 매칭 네트워크에 직접 연결되어 있습니다. 이 NMOS 트랜지스터의 드레인 단계는 전원 공급 장치에 직접 연결되어 있으므로, 칩 붕괴를 방지하기 위해 두껍게 게이트가 적용된 더블게이트 NMOS 트랜지스터를 사용해야 합니다. 송신기는 단순한 구조를 가지고 있으며, VCO는 자기 발진 상태에서 작동합니다. 통신 링크의 통신 손실은 RSSI 기반 자동 이득 제어(AGC)를 통해 조절할 수 있으며, 송신기 드라이브 버퍼의 이득도 조절하여 전력 전송 효율을 향상시킬 수 있습니다.

　　3.3 인간 신체 통신을 기반으로 한 무선 송수신기 칩

　　2007년, 한국과학원의 손성준 연구팀은 세계에서 가장 낮은 전력 소비와 2 Mbps의 데이터 전송이 가능한 바이오채널 무선 송수신기 칩을 설계했다[55]. 이 칩은 UWB와 유사한 광대역 통신 기술을 사용하며, 신체의 근거리 자기장을 이용해 통신 데이터를 전송합니다. 전체 트랜시버는 디지털 변조가 없는 완전 디지털 트랜시버 시스템(그림 5 참조)을 통합합니다. 칩은 1 V로 동작하며, 전력 소비는 0.2 mW, 칩 면적은 0.85 mm²입니다. 전반적인 성능은 짧은 거리, 높은 데이터 전송 속도, 극히 낮은 전력 소비가 필요한 웨어러블 칩 상호 연결에 매우 적합합니다.

　　이 칩은 인간 통신 원리를 기반으로 설계되어 0.25μm CMOS 공정을 사용하여 동작 주파수가 1~200 MHz까지 가능합니다. 전체 트랜시버 칩은 인간 피부에 접촉하거나 의류에 부착하는 신호 전극이 하나뿐이어, 전통적인 무선 인간 통신에 필요한 추가 전역 접지 전극이 필요 없습니다. 칩의 송신기 부분은 주로 링 오실레이터, 의사 난의 코드 생성기(PRBS), 드라이버 버퍼로 구성되어 있습니다. 수신기 부분은 아날로그 프론트엔드 증폭기, 레벨 변환 회로, 슈미트 트리거, 클럭 복구 위상 고정 루프(CDR) 회로로 구성됩니다. 전력 소비를 줄이기 위해 이 칩은 변조 없는 직접 디지털 전송을 채택했으며, 200 MHz 광대역 데이터 전송, 완전 디지털 클럭 복구 회로, 완전 수치 제어 디지털 발진기(DCO), 직교 샘플링 기술을 사용합니다. 이러한 저전력 회로 설계 기술을 적용하면 가장 전력 소모가 많은 프론트엔드 증폭기 회로와 클럭 생성 회로에서 전력 소비를 최소화할 수 있습니다.

　　그림 4 투마즈 회사의 RF 송수신기 원리 블록다이어그램

　　그림 5: 인간 통신 원리에 기반한 무선 송수신기

　　4. 웨어러블 의료용 무선 송수신기 칩의 전망

　　오늘날 사회에서는 일과 삶에서 엄청난 압박을 받고 있습니다. 사람들의 건강에 대한 요구가 계속 증가함에 따라, 웨어러블 의료용 칩은 점차 일상생활에 통합되고 있습니다. 생의공학과 마이크로일렉트로닉스 기술의 지속적인 발전으로 웨어러블 의료용 칩은 점차 더 소형화되고 네트워크화되고 있습니다. 웨어러블 의료용 마이크로시스템은 생리학적 신호 센서 노드를 환자에게 착용해야 하므로, 장기간 착용 시 환자를 저부하로 유지하기 위해 소형화가 필요합니다. 동시에 환자의 생리학적 특성 신호는 무선 네트워크를 통해 중앙 기지국 노드나 기타 센서 노드로 전송되어야 하므로, 네트워킹이 개발에 있어 가장 근본적인 요구사항입니다. 따라서 현재 웨어러블 의료용 칩은 소형화와 저비용 달성을 위해 완전 통합 SoC로 필연적으로 이동하고 있습니다; 동시에, 온칩 통합 RF 송수신기 회로는 센서 노드 신호를 편리하고 실시간으로 전송할 수 있게 하여 언제 어디서나 인간의 건강 상태를 모바일 모니터링할 수 있게 합니다.

　　현재 국제적으로 개인용 웨어러블 의료 시스템을 위한 전용 무선 통신 표준은 없습니다. 산업, 가정, 의료용 저비용·저전력 무선 통신 시장을 겨냥한 IEEE802.15 시리즈 표준은 개인용 웨어러블 의료 칩 개발에 사용됩니다. Zigbee, 블루투스, WLAN 기반의 웨어러블 의료용 칩은 이미 개발되었지만, 이들의 통신 프로토콜은 웨어러블 의료 응용에 특별히 설계된 것은 아닙니다. 이들의 MAC 계층과 QoS는 무선 의료 데이터 전송의 저전력 소비, 고속 전송 속도, 단거리 특성에 최적화되지 않아 아직 응용 요구사항을 충족하지 못하고 있습니다. 이러한 도전에 직면한 의료용 칩 설계자들은 저전력 회로 설계와 무선 통신 전송 방식에서 여전히 상당한 발전 여지를 가지고 있습니다. 이러한 고려사항을 바탕으로 한 많은 혁신적인 회로 시스템 구조와 개념들은 여전히 추가 연구와 실용성 개선이 필요합니다. 무선 통신 기술의 발전, 집적회로 기술의 개선, 응용 시장의 지속적인 발전으로 이러한 문제들은 필연적으로 해결될 것이며, 현대 인간 의료 프로젝트는 저비용, 소형화, 지능화, 네트워크 기반 개발로 나아갈 것입니다.