Phân tích công nghệ truyền dẫn không dây dựa trên chip hệ thống y tế đeo được

　　Giới thiệu

　　Sức khỏe có liên quan mật thiết đến mọi người và đã trở thành chủ đề nóng được quan tâm trong xã hội loài người ngày nay. Hệ thống theo dõi y tế có thể đeo được có thể thu thập dữ liệu sức khỏe con người một cách thuận tiện để dự đoán bệnh và chẩn đoán sớm. Giải pháp hệ thống chip y tế có thể đeo được, dựa trên công nghệ truyền thông không dây chi phí thấp, công suất thấp và truyền dẫn cao, giúp bệnh nhân thu thập các thông số quan trọng cơ bản trong thời gian thực trong công việc và cuộc sống hàng ngày. Bằng cách giảm thời gian tư vấn trực tiếp giữa bác sĩ và bệnh nhân, nó rút ngắn thời gian chờ đợi trong bệnh viện, từ đó giảm bớt tình trạng thiếu hụt nguồn lực y tế hiện nay và nâng cao chất lượng chăm sóc bệnh nhân. Ngoài ra, các bệnh mãn tính (như tăng huyết áp, tiểu đường và lipid máu cao) đã trở thành kẻ giết người số một đối với sức khỏe con người ngày nay. Điều trị các bệnh mãn tính đòi hỏi phải thu thập và theo dõi dữ liệu sức khỏe của bệnh nhân trong thời gian dài, liên tục. Chip y tế có thể đeo được, do kích thước nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp và chi phí vận hành thấp, bệnh nhân dễ chấp nhận hơn. Thị trường tiêu dùng tiềm năng rộng lớn đã thu hút nhiều công ty thiết kế chip như Philips, Zarlink, Ti, v.v. tham gia vào R&D và quảng bá thương mại của họ.

　　Cảm biến oxy trong máu đeo trên cổ tay, cảm biến đường huyết kiểu đồng hồ đeo tay, máy theo dõi chất lượng giấc ngủ kiểu đồng hồ đeo tay, máy kiểm tra sinh lý giấc ngủ, máy theo dõi nhịp tim và thở kiểu thắt lưng, các thành phần nhận dạng nhận dạng cấy ghép, v.v. Hệ thống vi mô y tế đeo không dây bao gồm các cảm biến không dây được nhúng trên bề mặt cơ thể, chẳng hạn như quần áo hàng ngày, đồng hồ, đồ trang sức, v.v., tất cả đều có thể được sử dụng để cấy ghép chip y tế siêu nhỏ có thể đeo được. Bởi vì công nghệ truyền thông không dây được đặt ở các bộ phận khác nhau của bề mặt thân máy, với nhiều dây kết nối các cảm biến khác nhau và giữa các chip hiển thị xử lý chính, nó chắc chắn gây ra sự bất tiện đáng kể cho người dùng. Là một phương thức truyền dẫn thay thế cho dây, công nghệ truyền thông không dây nổi bật là một ưu điểm đặc biệt nổi bật. Hiện nay, hầu hết các công nghệ truyền thông không dây tập trung vào việc tăng tốc độ truyền dữ liệu không dây và các công nghệ truyền dẫn không dây được sử dụng trong các hệ thống y tế đeo được cũng phải xem xét giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng trong quá trình truyền tín hiệu không dây. Bộ phận thu phát được sử dụng để truyền tín hiệu không dây trên chip y tế có thể đeo được thường là bộ phận tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong toàn bộ chip y tế. Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng thiết bị đeo lâu dài, mức tiêu thụ điện năng của mạch truyền dẫn không dây chắc chắn là một yếu tố quan trọng đối với các nhà thiết kế chip đeo được. Tập trung vào mục tiêu tiêu thụ điện năng thấp và tốc độ truyền cao, các công ty như Zarlink, Nordic, Philips và chipcon đã liên tiếp tung ra các giải pháp cho chip thu phát RF công suất cực thấp.

　　1. Cấu trúc chip của hệ thống y tế đeo được

　　Cấu trúc tổng thể của chip y tế đeo được dựa trên công nghệ truyền thông không dây được thể hiện trong Hình 1, thường bao gồm mạch thu nhận tín hiệu sinh lý, mạch chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC), mạch xử lý băng tần cơ sở tín hiệu kỹ thuật số, bộ điều khiển và nguồn điện

　　Mạch thu bao gồm một số phần. Đầu tiên, mạch khuếch đại thiết bị thu nhận tín hiệu có độ ồn thấp thu thập dữ liệu sinh lý từ cơ thể con người. Sau đó, các tín hiệu sinh lý thu được được chuyển đổi thông qua AD để định lượng và tạo ra các tín hiệu kỹ thuật số dễ xử lý. Sau khi mã hóa, FFT và xử lý tín hiệu kỹ thuật số khác, chúng được truyền qua mạch truyền. Đồng thời, tín hiệu và dữ liệu điều khiển bên ngoài cũng có thể được nhận thông qua mạch nhận trên chip. Bộ điều khiển được sử dụng để điều khiển hoạt động của toàn bộ chip và có thể được lập trình để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng khác nhau. Thông thường, một chip y tế có thể đeo được hiệu suất cao bao gồm các thành phần kỹ thuật số, analog và RF hiệu suất cao, với hiệu suất của các thành phần này đặc biệt ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất tổng thể của chip. Các bộ phận thu phát analog và RF của chip y tế rõ ràng là bộ phận tiêu thụ điện năng nhiều nhất của toàn bộ chip, vì vậy các nhà thiết kế thường phải cân bằng giữa mức tiêu thụ điện năng thấp và hiệu suất cao khi thiết kế mạch cho hai bộ phận này. Dưới đây, chúng tôi giới thiệu các thành phần khác nhau của chip hệ thống y tế đeo được điển hình.

　　Hình 1: Sơ đồ cấu tạo của hệ thống chip y tế đeo được

　　1.1. Bộ khuếch đại nhiễu thấp thu nhận tín hiệu sinh lý

　　Tín hiệu sinh lý thường được thu thập thông qua các cảm biến sinh học tích hợp trên chip. Để tạo điều kiện tích hợp, cảm biến sử dụng bộ khuếch đại tiếng ồn thấp sử dụng quy trình CMOS để chuyển đổi tín hiệu sinh học thành tín hiệu điện sinh học. Để thu được đồng thời nhiều thông tin sinh lý, nhiều bộ khuếch đại với các chức năng khác nhau có thể được tích hợp trên chip để tạo thành dữ liệu đa kênh nhằm thu thập các thông số quan trọng như huyết áp, độ bão hòa oxy trong máu, nhịp thở, nhịp tim và nhiệt độ cơ thể. Vì tín hiệu sinh lý trong cơ thể con người tương đối yếu và dễ bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn xung quanh, bộ khuếch đại phải đạt được độ nhạy cao, độ lợi cao, tiếng ồn thấp và tiêu thụ điện năng thấp; Đồng thời, một bộ lọc thông thấp với tần số cắt khoảng 1kHz được sử dụng sau bộ khuếch đại để lọc thêm nhiễu nhiễu ở các tần số khác ngoài tín hiệu điện sinh học. Bộ khuếch đại có thể được thiết kế với nhiều chế độ hoạt động, chẳng hạn như nghe, làm việc và ngủ, để giảm mức tiêu thụ điện năng của chip.

　　1.2. Công cụ chuyển đổi AD (ADC)

　　Bộ khuếch đại thu nhận tín hiệu sinh lý đa kênh được gắn sẵn thu thập các thông tin sinh lý khác nhau và kết nối với cổng đầu vào của ADC thông qua đầu nối đa kênh tương tự. Bộ khuếch đại đa kênh đa kênh tương tự chỉ có thể chọn đầu ra của một bộ tiền khuếch đại tại một thời điểm. Để giảm mức tiêu thụ điện năng, ADC thường sử dụng cấu trúc xấp xỉ tuần tự, với khoảng 10 bit. Để cải thiện độ chính xác và tốc độ chuyển đổi, cũng có thể sử dụng sigma-delta hoặc ADC đường ống. Số bit càng cao, tỷ lệ chuyển đổi càng cao, nhưng mức tiêu thụ điện năng càng cao. Tiêu thụ điện năng thấp là chìa khóa khi thiết kế chip y tế có thể đeo được. Ngoài ra, điện dung đơn vị của ADC nên được chọn một cách thích hợp; chọn quá lớn sẽ chiếm nhiều không gian chip và tác động của điện dung ký sinh lên điện dung đơn vị nên được giảm thiểu.

　　1.3 Bộ điều khiển

　　Chip có thể sử dụng lõi ARM và MCU làm bộ điều khiển, điều khiển các chế độ hoạt động của các bộ phận khác của mạch chip thông qua bus; Nó có thể kiểm soát thời gian sử dụng dữ liệu, định cấu hình thanh ghi và điều khiển các bộ phận khác của chip để chiếm bus dữ liệu để giao tiếp thời gian thực.

　　1.4 Băng tần cơ sở xử lý tín hiệu kỹ thuật số

　　Để cải thiện tốc độ, độ chính xác và bảo mật của việc truyền dữ liệu, tín hiệu kỹ thuật số đầu ra của ADC phải đi qua bộ xử lý băng tần cơ sở của bộ điều khiển tín hiệu kỹ thuật số, trải qua quá trình nén và mã hóa kỹ thuật số, đồng thời cũng có thể được lọc thêm thông qua chuyển đổi FFT và lọc kỹ thuật số để lọc thêm nhiễu tần số nhiễu.

　　1.5, Bộ thu phát RF

　　Vì việc thu thập tín hiệu sinh lý từ cơ thể con người đòi hỏi các đặc điểm sinh lý, nên việc đặt chip y tế có thể đeo được ở các bộ phận khác nhau của cơ thể và sự hiện diện của các dây kết nối với nhau giữa các chip khiến việc di chuyển trở nên bất tiện, quá nhiều dây có thể dễ bị rối và gây khó chịu lớn. Do đó, truyền tín hiệu và dữ liệu không dây là phương pháp trực tiếp và tự nhiên nhất. Các vấn đề chính cần xem xét khi tích hợp bộ thu phát RF không dây trên chip hệ thống y tế có thể đeo được khác biệt đáng kể so với những vấn đề thường được giải quyết trong các ứng dụng sản phẩm không dây. Đầu tiên, đây là phương thức truyền dẫn không dây không đối xứng, chủ yếu thu thập tín hiệu của con người và gửi chúng đi. Các tín hiệu nhận được chủ yếu đến từ các lệnh điều khiển và khối lượng dữ liệu rất nhỏ. Do đó, có thể sử dụng chế độ giao tiếp bán song công, với đường xuống tốc độ thấp và đường lên tốc độ cao. Thứ hai, chip cần hoạt động trong thời gian dài và pin được sử dụng cho chip đeo thường là tế bào cúc áo, hoạt động ở điện áp từ 1,2 ~ 1,5 V và có dung lượng nhỏ hơn vài trăm mA · h. Phần thu phát không dây thường là bộ phận có mức tiêu thụ điện năng cao nhất trong một chip. Các nhà thiết kế phải đối mặt với những thách thức như điện áp hoạt động thấp, tiêu thụ điện năng thấp và tốc độ truyền cao. Do đó, cần phải xem xét cẩn thận cấu trúc được áp dụng bởi bộ thu phát không dây, cũng như việc triển khai các công nghệ chính như tần số sóng mang, phương pháp truyền, phương pháp điều chế, tốc độ truyền và mức tiêu thụ điện năng.

　　2. Tiêu chuẩn giao tiếp không dây cho chip y tế đeo được

　　Công nghệ truyền thông không dây đang phát triển nhanh chóng, đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy công nghệ y tế hiện đại. Hiện tại, có nhiều tiêu chuẩn giao tiếp khác nhau để giao tiếp giữa các chip y tế có thể đeo được. Các tiêu chuẩn này phù hợp với các ứng dụng cụ thể dựa trên đặc điểm riêng của chúng, nhưng cũng có thể không sử dụng đầy đủ các tính năng giao tiếp tầm ngắn, công suất thấp của chip y tế có thể đeo được. Dưới đây là giới thiệu ngắn gọn về hiệu suất và đặc điểm của từng tiêu chuẩn truyền thông (xem Hình 2).

　　Hình 2: So sánh khoảng cách truyền và mức tiêu thụ điện năng của các phương thức truyền thông không dây khác nhau

　　2.1 Bluetooth

　　Tiêu chuẩn Bluetooth sử dụng công nghệ nhảy tần và trải phổ, giúp triệt tiêu hiệu quả nhiễu giữa các mã, cải thiện chất lượng giao tiếp và duy trì bảo mật cuộc gọi. Các tiêu chuẩn Bluetooth hỗ trợ ba khoảng cách giao tiếp khác nhau: 1, 10 và 100 m và có thể cung cấp tốc độ giao tiếp lên đến 1 Mbps. Nó có cấu trúc đơn giản và có thể giảm giá của một con chip xuống dưới 5 đô la, với công nghệ trưởng thành và khả năng cạnh tranh thị trường mạnh mẽ. Tiêu chuẩn Bluetooth cung cấp giao tiếp nối tiếp điểm-điểm và phương thức giao tiếp giao diện bộ điều khiển chính kênh chia sẻ, rất phù hợp để xây dựng mạng cục bộ của con người. Tuy nhiên, vì phạm vi giao tiếp của chip y tế đeo được thường giới hạn ở các khu vực gần cơ thể con người, trong khi Bluetooth hoạt động ở tốc độ 2,4 GHz, tác động của tần số cao như vậy đối với cơ thể con người vẫn chưa được biết. Do mọi người sợ giao tiếp tần số cao và mức tiêu thụ điện năng tương đối cao, tiêu chuẩn Bluetooth không phải là một lựa chọn lý tưởng.

　　2.2，Zigbee

　　Zigbee có thể hoạt động ở ba dải tần số khác nhau: 2,4 GHz, 900 MHz và 800 MHz. So với các tiêu chuẩn Bluetooth, Zigbee tiêu thụ ít điện năng hơn. Khi hoạt động ở băng tần 2,4 GHz, nó có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu tối đa là 240 kbps. Nhược điểm của Zigbee là tốc độ truyền dữ liệu thấp, độ trễ truyền cao, bảo mật kém và khi hoạt động ở tần số 2.4 GHz, sự đa dạng của các giao thức truyền thông tập trung ở dải tần đó khiến Zigbee dễ bị nhiễu từ các sóng truyền thông khác.

　　2.3，UWB

　　UWB hoạt động trong dải tần 3.1 ~ 10 GHz, với tốc độ truyền dữ liệu trung bình lên đến 850 kbps và có thể tăng lên 26 Mbps. Tiêu chuẩn này quy định mật độ phổ công suất là -41dB (m) MHz, nhưng không có yêu cầu cụ thể đối với dạng sóng miền thời gian. Do đó, công nghệ truyền xung có thể được sử dụng, làm cho cấu trúc của máy phát RF rất đơn giản, đồng thời chuyển áp suất thiết kế và thiết kế tiêu thụ điện năng sang thiết kế máy thu RF. Như đã đề cập trước đó, chip y tế đeo được truyền tín hiệu không đối xứng, với luồng dữ liệu truyền vượt xa luồng dữ liệu đầu vào, làm cho UWB rất phù hợp với tính năng giao tiếp không dây bất đối xứng này, do đó giảm mức tiêu thụ điện năng và độ phức tạp của hệ thống. Hơn nữa, UWB là công nghệ băng thông siêu rộng sử dụng băng tần siêu rộng để đạt được mức tiêu thụ điện năng thấp hơn, dẫn đến mức tiêu thụ điện năng tương đối thấp.

　　2.4，WLAN 802.11

　　IEEE 802.11 WLAN hoạt động trong băng tần ISM (băng tần công nghiệp, khoa học và y tế). Trong số đó, 802.11b và 802.11g hoạt động ở băng tần 2.4 GHz, với tốc độ truyền dữ liệu lần lượt là 11 Mbps và 54 Mbps. 802.11a hoạt động trên băng tần 5 GHz và có thể cung cấp tốc độ truyền lên đến 54Mbps. Nó có phạm vi liên lạc tương đối dài và do sử dụng công nghệ trải phổ trình tự trực tiếp nên có khả năng chống nhiễu mạnh. Tuy nhiên, nó tiêu thụ nhiều điện năng, có cấu trúc phức tạp và quá đắt tiền nên không phù hợp với thiết kế chip y tế có thể đeo được.

　　2.5, USB không dây

　　Công nghệ USB không dây, giống như UWB, là công nghệ truyền thông không dây dựa trên công nghệ băng thông siêu rộng. Nó hoạt động trong dải tần 3.1 ~ 10.6 GHz, với khoảng cách giao tiếp là 3 và 10 m, thích hợp cho việc truyền dữ liệu không dây tầm ngắn, với tốc độ truyền dữ liệu lần lượt lên đến 480 Mbps và 110 Mbps. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất mà công nghệ này phải đối mặt là mức tiêu thụ điện năng, đây cũng là yếu tố hạn chế lớn nhất đối với ứng dụng của nó trong truyền thông chip y tế.

　　2.6. Giao tiếp hồng ngoại (IrDa)

　　Giao tiếp hồng ngoại là một phương thức truyền thông không dây đơn giản và chi phí thấp, nhưng do tính chất phát xạ trực tiếp của tia hồng ngoại, IrDA chỉ phù hợp với Huang Jin và những người khác trong giai đoạn 5834: bộ thu phát không dây dựa trên chip hệ thống y tế có thể đeo được có khoảng cách ngắn, căn chỉnh điểm-điểm và tốc độ truyền thấp. So với các công nghệ truyền thông không dây như Bluetooth và Zigbee, nó cực kỳ bất tiện khi sử dụng.

　　2.7. Công nghệ nhận dạng tần số vô tuyến

　　Công nghệ RFID là một loại công nghệ RFID sử dụng các trường điện từ xen kẽ kết hợp không gian để đạt được giao tiếp dữ liệu mà không cần tiếp xúc với con người. Dải tần RFID theo kế hoạch của Trung Quốc là 50 ~ 190 kHz, băng tần cao là 13,56 MHz± 7 kHz và cũng có 432 ~ 434,79 MHz; Một dải tần khác được lên kế hoạch ở Trung Quốc là 900, 910 và 910,1 MHz, đã được sử dụng rộng rãi để nhận dạng phương tiện tàu hỏa. Giống như IrDa và Zigbee, RFID là một công nghệ truyền thông không dây trong nhà với khoảng cách liên lạc ngắn, làm cho nó hữu ích trong các ứng dụng y tế khác nhau như quản lý tài sản di động, quản lý hàng tồn kho, theo dõi bệnh nhân theo thời gian thực, theo dõi và phân phối thuốc. Tuy nhiên, bản thân công nghệ này là thẻ điện tử và công nghệ RFID, với tốc độ truyền cực thấp và thông tin dễ bị đánh cắp, khiến nó không phù hợp với các ứng dụng kết nối không dây thời gian thực trong chip y tế có thể đeo được.

　　2.8. Giao tiếp của con người

　　Công nghệ giao tiếp của con người (Bio-channel), còn được gọi là công nghệ giao tiếp của con người, là một khái niệm mới xuất hiện trong những năm gần đây. Nó được đề xuất lần đầu tiên bởi Zimmerman của Phòng thí nghiệm Truyền thông của MIT vào năm 1995. Không giống như bất kỳ công nghệ truyền thông không dây nào trước đây, giao tiếp của con người sử dụng sự gần gũi của từ trường con người hoặc chính cơ thể con người làm phương tiện liên lạc. Khoảng cách liên lạc rất ngắn, đôi khi cần tiếp xúc với con người để giao tiếp. Do đó, nó cho phép kiểm soát chính xác phạm vi liên lạc và mục tiêu liên lạc, giảm đáng kể nhiễu giữa các tín hiệu kênh khác nhau và đảm bảo an ninh thông tin liên lạc. Thông thường, thông tin liên lạc ở các khu vực gần cơ thể con người cũng có thể được nối dây, đảm bảo truyền dữ liệu tốc độ cao và chính xác mà không bị nhiễu bởi tiếng ồn bên ngoài. Tuy nhiên, dây điện có xu hướng bị rối và vô cùng bất tiện cho mọi người khi sử dụng. Mặt khác, việc sử dụng các công nghệ truyền thông dữ liệu hoàn thiện như Zigbee và Bluetooth tránh được những rắc rối do dây gây ra, nhưng cũng phải đối mặt với các vấn đề như tốc độ giao tiếp chậm, tiêu thụ điện năng chip cao và dễ bị nhiễu từ các tín hiệu điện từ lộn xộn trong không gian. Do đó, ngay sau khi khái niệm giao tiếp của con người được đề xuất, nó ngay lập tức thu hút sự chú ý rộng rãi từ giới học thuật và ngành công nghiệp.

　　3. Ví dụ phát triển bộ thu phát không dây dựa trên chip hệ thống y tế có thể đeo được

　　Do sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vi điện tử và nhu cầu của xã hội loài người già hóa, các hệ thống theo dõi y tế có thể đeo được đã được phát triển. Mạng khu vực cơ thể (BAN) bao gồm nhiều nút cảm biến của con người, mỗi nút có thể giao tiếp với các nút khác (hoặc nút trung tâm) thông qua bộ thu phát không dây trong chip y tế có thể đeo được. Nghiên cứu chip truyền thông không dây tầm ngắn ban đầu để theo dõi y tế của con người thường sử dụng điều chế ASK FSK, tiêu thụ điện năng thấp và bộ dao động tinh thể đơn giản làm máy phát. Cấu trúc này chỉ có thể truyền dữ liệu dấu hiệu cơ thể đơn, có hiệu suất thấp và có tần số dao động thấp và thời gian chuyển mạch và khởi động dài, dẫn đến tốc độ truyền thông tin rất thấp. Với sự đào sâu của nghiên cứu kỹ thuật y sinh hiện đại, trong hơn một thập kỷ qua, một số mạch và hệ thống mới dựa trên giao tiếp cuộn dây khớp nối cảm ứng đã được đề xuất. Tuy nhiên, các giải pháp dựa trên cuộn dây cảm ứng này cũng có chất lượng truyền thông kém, tốc độ truyền thấp và thời gian truyền dài, làm giảm hiệu quả giao tiếp và rút ngắn thời gian sử dụng pin một cách hiệu quả.

　　Các hệ thống truyền thông không được tiêu chuẩn hóa này phải vật lộn để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện năng cực thấp, kích thước cực nhỏ, độ tin cậy cao và tốc độ giao tiếp cao cho giao tiếp không dây y tế có thể đeo được. Được thúc đẩy bởi nhu cầu ngày càng tăng về theo dõi sức khỏe không dây, các tổ chức nghiên cứu và các công ty chip lớn trên toàn thế giới đã cạnh tranh để tiến hành nghiên cứu và phát triển ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực này. Trong số các ví dụ tiêu biểu nhất là: Zarlink ở Canada, đã phát triển ZL70101 chip thu phát RF, Hệ thống trên chip Sensium được phát triển bởi Toumaz ở Anh, cũng như bộ thu phát RF công suất thấp với điện áp cung cấp điện 2,4 GHz 400mV được thiết kế bởi Nhóm nghiên cứu chip truyền thông mạng nút không dây tại Đại học UC Berkeley ở Hoa Kỳ và chip thu phát không dây giao tiếp của con người do Viện Hàn lâm Khoa học Hàn Quốc phát triển.

　　3.1 Hệ thống truyền thông cấy ghép y tế Zarlink ZL70101 Chip

　　Năm 2006, Công ty Bán dẫn Zarlink của Canada đã tung ra một ZL70101 thu phát RF hiệu suất cao công suất cực thấp cho các hệ thống cấy ghép y tế. Con chip này được tích hợp cao; không bao gồm kết hợp mạng, nó chỉ yêu cầu một tinh thể thạch anh 24 MHz và hai tụ điện tách rời, tổng cộng là ba thành phần ngoài chip; Dải tần hoạt động của nó là băng tần ISM 433 MHz, sử dụng quy trình RF CMOS 0,18μm. Bộ thu phát hoạt động ở 5,5 mA và ở chế độ ngủ, nó chỉ là 250 nA. Toàn bộ chip tích hợp bộ thu phát RF 400 MHz, bộ thu giám sát tín hiệu đánh thức 2,45 GHz và một bộ điều khiển đường dẫn phương tiện (MAC). Sơ đồ cấu trúc chip được thể hiện trong Hình 3.

　　Máy thu sử dụng cấu trúc tần số trung gian thấp, bao gồm bộ khuếch đại tiếng ồn thấp, bộ trộn triệt tiêu tần số phản chiếu, bộ lọc đa pha IFF (PPF), chỉ báo cường độ tín hiệu (RSSI) và ADC. Máy phát bao gồm một bộ trộn phía trên và một bộ khuếch đại công suất, sử dụng phương pháp điều chế khóa dịch chuyển tần số FSK. Hệ thống đánh thức là một bộ thu sử dụng điều chế OOK và hoạt động ở băng tần 2,45 GHz. Nó có thể phát hiện định kỳ tín hiệu khởi động từ các trạm gốc để cấp nguồn cho toàn bộ chip, làm giảm đáng kể dòng điện hoạt động trung bình của chip. Con chip này được thiết kế cho các ứng dụng theo dõi y tế cấy ghép, nhưng nhờ thiết kế công suất cực thấp, khoảng cách giao tiếp 2m và tốc độ truyền lên đến 800kbps, nó cũng vượt trội trong việc đáp ứng các yêu cầu kết nối không dây của chip y tế đeo được bên ngoài.

　　Hình 3 Sơ đồ khối nguyên lý thu phát RF MICS của Zarlink

　　3.2 Bộ thu phát không dây Toumaz cho chip hệ thống công suất cực thấp để viễn thám sinh học

　　Năm 2007, Toumaz ở Anh đã phát hành một chip tích hợp hệ thống có tên là Sensium, kết hợp bus SPI, ADC, MCU, SRAM và bộ thu phát RF công suất cực thấp. Phần thu phát RF của chip Sensium này có diện tích chip 7 mm², sử dụng quy trình RF CMOS 0,13μm, hoạt động ở 1 V và hoạt động ở cả băng tần 870 MHz tiêu chuẩn Châu Âu và băng tần 928 MHz tiêu chuẩn Hoa Kỳ. Mức tiêu thụ dòng điện trong quá trình thu chỉ là 2,1 mA, công suất phát là -7 dB (m) và dòng phát là 2,6 mA; Phần truyền / nhận hoạt động ở chế độ bán song công, điều chế FSK, với tỷ lệ lỗi bit là 10-3 và tốc độ truyền dữ liệu là 50 kbps. Vì chip này được phát triển cho các ứng dụng đo từ xa và thu thập như ECG, Xinbo và nhiệt độ cơ thể, các chỉ số hiệu suất của nó đáp ứng đầy đủ các yêu cầu cho các ứng dụng thiết kế. Con chip sử dụng cấu trúc Sliding-IF, cung cấp khả năng triệt tiêu tần số hình ảnh cao hơn so với các bộ thu phát IF thấp truyền thống và vì nó sử dụng di chuyển tần số hai giai đoạn, nó có độ trôi DC ít hơn nhiều so với bộ thu phát zero-IF.

　　Để đáp ứng các yêu cầu về mức tiêu thụ điện năng thấp, toàn bộ chip hoạt động ở 1 V, nhỏ hơn tổng Vth của PMOS và NMOS trong các quy trình 0,13μm. Do đó, nhiều thiết bị, đặc biệt là những thiết bị trong phần tương tự và RF, hoạt động ở ngưỡng phụ và vùng phản xạ yếu, giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng nhưng cũng đặt ra thách thức cho thiết kế mạch tương tự RF. Phần nhận áp dụng cấu trúc zero-IF và cấu trúc hệ thống của toàn bộ chip được thể hiện trong Hình 4.

　　LNA sử dụng cấu trúc cổng và nguồn chung đầu vào một đầu, với đầu ra sử dụng cuộn cảm phẳng trên chip và ma trận điện dung có thể điều chỉnh làm tải phù hợp. Đầu ra LNA được kết nối trực tiếp với một đầu của bộ trộn dưới giai đoạn đầu tiên, trong khi đầu vào còn lại của bộ trộn đơn vị Gilbert cân bằng kép này được kết nối với nguồn điện, tạo thành cấu trúc bộ trộn chế độ hoạt động vi sai giả. Giai đoạn cuối cùng của bộ đệm ổ đĩa trong phần truyền sử dụng bộ khuếch đại NMOS bóng bán dẫn đơn với cấu trúc cống hở, với ống xả của nó được kết nối trực tiếp với mạng khớp điện dung-cuộn cảm ngoài chip. Giai đoạn xả của bóng bán dẫn NMOS này được kết nối trực tiếp với nguồn điện, vì vậy phải sử dụng bóng bán dẫn NMOS cổng đôi cổng dày để ngăn chặn sự cố chip. Máy phát có cấu trúc đơn giản và VCO của nó hoạt động ở trạng thái tự dao động. Mất thông tin liên lạc trong liên kết truyền thông có thể được điều chỉnh thông qua điều khiển khuếch đại tự động (AGC) dựa trên RSSI và độ lợi của bộ đệm truyền động của máy phát có thể được điều chỉnh, do đó cải thiện hiệu quả truyền tải điện.

　　3.3 Chip thu phát không dây dựa trên giao tiếp cơ thể con người

　　Năm 2007, một nhóm nghiên cứu do Seong-Jun Son tại Viện Hàn lâm Khoa học Hàn Quốc dẫn đầu đã thiết kế mức tiêu thụ điện năng thấp nhất thế giới và chip thu phát không dây kênh sinh học có khả năng truyền dữ liệu ở tốc độ 2 Mbps. Con chip này sử dụng công nghệ truyền thông băng thông rộng tương tự như UWB, dựa vào từ trường gần của cơ thể để truyền dữ liệu liên lạc. Toàn bộ bộ thu phát tích hợp một hệ thống thu phát kỹ thuật số hoàn toàn (xem Hình 5), không có điều chế kỹ thuật số. Chip hoạt động ở 1 V, với mức tiêu thụ điện năng chỉ 0,2 mW và diện tích chip 0,85 mm². Hiệu suất tổng thể của nó làm cho nó rất phù hợp để kết nối các chip đeo được yêu cầu khoảng cách ngắn, tốc độ truyền dữ liệu cao và tiêu thụ điện năng cực thấp.

　　Bởi vì chip này được thiết kế dựa trên các nguyên tắc giao tiếp của con người, tần số hoạt động của nó có thể là 1 ~ 200 MHz, sử dụng quy trình CMOS 0,25μm. Toàn bộ chip thu phát chỉ có một điện cực dẫn tín hiệu tiếp xúc với da người hoặc gắn vào quần áo, loại bỏ nhu cầu về các điện cực nối đất toàn cầu bổ sung cần thiết cho giao tiếp không dây truyền thống của con người. Phần máy phát của chip chủ yếu bao gồm một bộ dao động vòng, bộ tạo mã giả ngẫu nhiên (PRBS) và bộ đệm trình điều khiển. Phần bộ thu của chip bao gồm một bộ khuếch đại giao diện người dùng tương tự, mạch dịch chuyển mức, bộ kích hoạt Schmitt và mạch vòng lặp khóa pha phục hồi đồng hồ (CDR). Để giảm mức tiêu thụ điện năng, chip sử dụng truyền dẫn kỹ thuật số trực tiếp không cần điều chế, sử dụng truyền dữ liệu băng thông rộng 200 MHz, mạch khôi phục đồng hồ kỹ thuật số hoàn toàn, bộ dao động kỹ thuật số được điều khiển hoàn toàn bằng số (DCO) và công nghệ lấy mẫu cầu phương. Việc áp dụng các công nghệ thiết kế mạch công suất thấp này giúp giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng trong các mạch khuếch đại và mạch tạo xung nhịp tiêu thụ điện năng nhất.

　　Hình 4 Sơ đồ khối nguyên lý thu phát RF của công ty Toumaz

　　Hình 5: Bộ thu phát không dây dựa trên nguyên tắc giao tiếp của con người

　　4. Triển vọng cho chip thu phát không dây y tế có thể đeo được

　　Trong xã hội ngày nay, con người phải đối mặt với áp lực rất lớn từ công việc và cuộc sống. Khi nhu cầu về sức khỏe của con người tiếp tục tăng lên, chip y tế đeo được đang dần được tích hợp vào cuộc sống hàng ngày. Với sự phát triển không ngừng của kỹ thuật y sinh và công nghệ vi điện tử, chip y tế đeo được đang dần trở nên thu nhỏ và kết nối hơn. Các hệ thống vi mô y tế có thể đeo được yêu cầu đeo các nút cảm biến tín hiệu sinh lý trên người bệnh nhân, vì vậy cần thu nhỏ để giữ cho bệnh nhân chịu tải thấp trong quá trình đeo lâu dài. Đồng thời, các tín hiệu đặc trưng sinh lý của bệnh nhân cần được truyền qua mạng không dây đến các nút trạm gốc trung tâm hoặc các nút cảm biến khác, làm cho mạng trở thành yêu cầu cơ bản nhất để phát triển. Do đó, các chip y tế đeo được hiện tại chắc chắn đang hướng tới các SoC tích hợp đầy đủ để đạt được sự thu nhỏ và chi phí thấp; Đồng thời, mạch thu phát RF tích hợp trên chip cũng cho phép truyền tín hiệu nút cảm biến một cách thuận tiện và theo thời gian thực, cho phép theo dõi di động tình trạng sức khỏe con người mọi lúc, mọi nơi.

　　Hiện tại, không có tiêu chuẩn truyền thông không dây chuyên dụng cho các hệ thống y tế đeo cá nhân trên toàn thế giới. Loạt tiêu chuẩn IEEE802.15, nhắm mục tiêu vào các thị trường truyền thông không dây công nghiệp, gia đình và y tế chi phí thấp, công suất thấp, được sử dụng để phát triển chip y tế đeo cá nhân. Mặc dù các chip y tế có thể đeo được dựa trên Zigbee, Bluetooth và WLAN đã được phát triển, nhưng các giao thức truyền thông của chúng không được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng y tế có thể đeo được. Lớp MAC và QoS của chúng không thể được tối ưu hóa cho mức tiêu thụ điện năng thấp, tốc độ truyền cao và các đặc tính khoảng cách ngắn của truyền dữ liệu y tế không dây, vì vậy chúng chưa đáp ứng các yêu cầu ứng dụng. Đối mặt với những thách thức này, các nhà thiết kế chip y tế vẫn còn dư địa đáng kể để phát triển trong thiết kế mạch công suất thấp và các phương pháp truyền dẫn truyền thông không dây. Nhiều cấu trúc và khái niệm hệ thống mạch sáng tạo dựa trên những cân nhắc này vẫn cần nghiên cứu thêm và cải thiện tính thực tế. Với sự phát triển của công nghệ truyền thông không dây, cải tiến công nghệ mạch tích hợp và sự phát triển không ngừng của thị trường ứng dụng, những vấn đề này chắc chắn sẽ được giải quyết và dẫn dắt các dự án chăm sóc sức khỏe con người hiện đại hướng tới sự phát triển chi phí thấp, thu nhỏ, thông minh và kết nối mạng.