CN101297506A - 通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直接与人体接触并利用人体作为用于数据通信的传输信道的通信装置。所述附接到人体的通信装置通过人体以电流的形式发送信号、接收从附接到所述人体的另外的通信装置发送的信号，并消除所接收的信号中包含的噪声。此外，所述通信装置将已消除噪声的信号与参考信号进行比较并恢复原始信号。进一步，所述通信装置产生基带信号并将其通过所述人体传输。

Description

通信装置

技术领域

本发明涉及使用人体作为传播介质的通信装置。更具体地，其涉及用于产生基带信号并利用人体作为通信信道来将其发送的通信装置。

背景技术

人体通信利用人体而不是导线来发送信号。在人体通信中，由于人体导电，通过人体发送电信号而不使用电导线。

最近，诸如个人数字助理(PDA)、便携式个人计算机、数字照相机、MP3播放器、以及蜂窝电话的各种信息通信装置已经得到广泛使用。用户借助通过这些装置发送/接收电子邮件和下载数据来使用信息。然而，无法利用这些装置来实现简单的数据发送/接收，因为它们需要物理通信线(例如线缆)、预定适配器、或连接器以将存储在一个通信设备中的信息发送到另一个设备。

而且，当例如心电图仪(ECG)、非侵入血压(NIBP)模块、以及心脏监视器的用于检查健康状态的装置向计算机或其它通信装置发送结果以便将该结果与其它信息一起使用时，因为在上述通信装置之间发送数据而应当使用物理通信线。

特别地，当利用人体附近的线缆连接这些装置以执行数据通信时，所述线缆对人体施加负荷而且干扰人的移动性。

通信装置以及用于检查健康状态的装置具有诸如显示、存储、和数字信号处理功能的共同功能、以及用于将数字信息转换为语音信号或与因特网或其它用户通信的独特功能。从而，当这些功能被正确地运用时，它们可以高效率地使用通信资源并执行简单容易的数据通信。为此，已经开发了人体通信。

本背景技术部分中披露的上述信息仅仅用于增进对本发明的背景的理解，因而其可能包含不构成已经为本领域普通技术人员所知的现有技术的信息。

发明内容

技术问题

做出本发明以提供具有如下优点的通信装置，其在降低功耗的同时保持高速通信性能，并使用人体作为通信信道。

技术方案

根据本发明提供一种使用人体作为数据传输信道的示范性人体通信装置。所述人体通信装置包括电极单元、高通滤波器、比较器、以及控制器。所述电极单元位于与所述人体直接接触，用于通过所述人体以电流的形式发送信号并从所述人体接收信号，而且所述高通滤波器消除通过所述电极单元接收的信号中包含的噪声。此外，所述比较器将通过所述高通滤波器发送的信号与参考电压进行比较并产生信号波形，而且所述控制器恢复通过所述比较器发送的信号。

当所述通信装置被用于发送数据时，所述控制器产生基带信号并将其发送到所述人体以便使用所述人体作为用于数据通信的传输信道。

有益效果

根据本发明，通过使用比使用RF模块时消耗功率更少的廉价通信装置可以通过人体容易地进行数据通信，而且由于可以使用人体作为数据传输信道，可以防止因黑客攻击造成的数据泄漏。

此外，利用基带信号发送数据而无需使用RF模块，从而增强能量效率。

另外，使用多个电极以使得可以通过控制让电极的数量和尺寸适合通过人体的通信状态来实现高效率的数据通信。

附图说明

图1示出根据本发明的示范性实施例的用于接入人体和主机的通信装置；

图2示范性地示出使用根据本发明的示范性实施例的通信装置的通信系统；

图3示范性地示出使用根据本发明的该示范性实施例的通信装置的另一个通信系统；

图4是示出根据本发明的第一示范性实施例的通信装置的框图；

图5示出图4的通信装置中的每个部分的信号波形；

图6示出使用带通滤波器的人体通信装置的信号恢复性能；

图7示出根据本发明的所述示范性实施例的通信装置的信号恢复性能；

图8是示出代替图4的高通滤波器的滤波器的框图；

图9是图8的每个部分的信号波形；

图10是示出根据本发明的第二示范性实施例的通信装置的框图；

图11示范性地示出根据本发明的第二示范性实施例的通信装置中的电极布置；

图12示出根据本发明的第二示范性实施例的通信装置中当设置了地电极和信号电极时、以及当仅设置了信号电极时的状态。

具体实施方式

以下将参照附图详细描述本发明的示范性实施例。

下面的详细描述中，作为简单的例示，仅展示和描述本发明的优选示范性实施例。本领域技术人员应当理解，可以以多种不同的方式修改所描述的实施例，而全都不背离本发明的精神或范围。

从而，附图和说明书应被看作实际上是说明性的而不是限制性的，而且说明书全文中类似的引用数字指代类似的元素。本说明书以及所附权利要求书全文中，除非有相反的明确表述，词“包括”以及诸如“包含”等的变体应当被理解为意味着包含所述的元素但并不排除任何其它元素。

说明书全文中使用的词“主机”表示能够通过接入根据本发明的示范性实施例的另外的通信装置来发送数据的各种信息通信设备。因此，可以使用具有自操作功能和数据处理能力的各种设备作为主机。

以下将参照附图详细描述根据本发明的示范性实施例的通信装置及其方法。

图1示出根据本发明的示范性实施例的用于接入人体和主机的通信装置，而图2示范性地示出利用多个根据本发明的示范性实施例的通信装置形成的人体通信网络。

如图1中所示，通信装置100与人体300的皮肤直接接触，与主机200相连，并发送/接收信号。如图2中所示，可以利用多个主机200以及多个健康监视装置在靠近人体300的区域内建立人体通信网络。多个主机200代表多个通信装置，包括PDA 210、移动电话220、和数字照相机250，而所述健康监视装置包括NIBP模块230和热监视器240。此外，可以将根据本发明的该实施例的通信装置应用于利用图2中所示的各个独立的装置以及可佩戴的(wearable)计算机的组件来执行数据通信线。此时，如图1中所示的各个主机210至250利用通信装置100作为通信介质来接入人体。已经接收到从通信装置100发送的信息的主机200可以向在人体300的外部区域中提供的计算机发送该信息。

如图2中所示配置的人体通信网络中的通信装置100产生基带信号并将其通过人体发送。从而，在人体中形成具有足够宽以容纳一系列数据的频率的带宽的低通信道以执行半双工通信。因而，当从所述通信信道的两端发送数据时，将其配置为将多个通信装置100与人体接触，由于冲突而发生数据丢失。从而，必须利用通信规则和次序来控制这些通信装置100。

图3示范性地示出使用根据本发明的该示范性实施例的通信装置的另一个通信系统。如图3中所示，当与接入主机200的通信装置100直接接触的两个人300a和300b彼此物理接触时，两个人300a和300b形成人体通信网络以便通过其进行数据通信。即，当分别与通信装置100接触的多个人彼此物理接触时，可以在所述多个人之间建立数据传输信道。因而，可以通过以图3中所示的方式应用根据本发明的该示范性实施例的通信装置100来产生使用人体作为数据传输信道的通信系统。

图4是示出根据本发明的第一示范性实施例的通信装置的框图，而图5示出图4的通信装置中的各个部分的信号波形。

如图4中所示，通信装置100包括电极单元110、缓冲器120、高通滤波器(HPF)130、放大器140、比较器150、时钟和数据恢复(CDR)单元160、以及控制器170。如图1中所示，通信装置100与人体接触以经由人体向主机200发送信息。

即，通信装置100通过电极单元110与皮肤直接接触，电极单元110使少量电流流入皮肤以测量体脂肪，以便能够通过人体进行信息通信。此外，通信装置100在其与主机200耦合时实现人体通信，使得通过人体向另外的通信装置发送期望的数据，而且该另外的通信装置接收、恢复、并发送信号到所耦合的主机。

如图4中所示，根据本发明的该示范性实施例的通信装置100被配置为利用基带信号而不是利用射频(RF)模块来实现数据通信，从而通信装置100产生信号并经由电流发送/接收该信号而不对该信号执行频率调制处理。

现在将更详细地描述通信装置100接收通过人体传输的信号的情况。

与人体直接接触并发送/接收信号的电极单元110使已经从主机200发送到通信装置100、而且包含从控制器170产生的基带信号的电流流向人体300。此外，电极单元110接收通过附接有电极单元110的人体发送的基带信号的数据信号。图5的“a”部分示出从图4的“a”部分发送的信号的波形，即，在通信装置100的电极单元110处接收的信号的波形。

缓冲器120通过增加其输入阻抗来减少通信装置100的电流的消耗。

HPF 130消除通过电极单元110接收的信号中包含的在通过人体的传输过程期间的噪声。该噪声是因本发明中使用作为数据传输信道的人体的组分的非均匀性而产生的，而且其在传输过程中被添加到信号并由HPF 130消除。当信号中存在低频噪声和高频噪声时，利用带通滤波器(BPF)来消除除包含数据的信号分量之外的噪声分量是有效的。然而，实验结果显示，使用人体作为传播介质的通信装置100在使用HPF而不是BPF时具有优越的信号恢复性能。将参照图6对此作更详细的说明。

根据本发明的示范性实施例，利用HPF 130来消除所接收的信号中的噪声，但是匹配滤波器或积分转储(integrate-and-dump)滤波器可以代替通信装置100的配置中的HPF 130。

放大器140放大通过缓冲器120和HPF 130发送的信号以便于在控制器170中进行信号恢复。图5的“b”部分示出图4的“b”部分的信号的波形，其在信号的噪声通过缓冲器120和HPF 130被消除后由放大器140放大。

比较器150将已消除噪声的信号与参考电压进行比较并以二进制编码信号的形式输出该信号。即，比较器150通过将所接收的信号与该参考电压进行比较来确定逻辑“0”或逻辑“1”。比较器150向CDR单元160发送作为参考电压与所接收的信号之间的比较结果而产生的脉冲波形信号。图5的“c”部分示出图4的“c”部分的信号的波形，即，通过比较器150产生的信号。如图5中所示，从比较器150输出的信号的脉冲宽度和电平变得不均匀一致。此外，由控制器170恢复并从其中输出的信号的电压电平依赖于电源电压电平，从而，当电源电压的电平不够大使得无法有效地实现数据通信时，应当增加该信号的电压电平。该情况下，可以利用直流/直流(DC/DC)变换器来产生高电平电压并将其施加到比较器150，从而增加输入到控制器170的信号的电压电平。

CDR单元160分析所接收的数据帧并执行时钟和数据恢复功能。对于时钟恢复，应当知道每个编码的开始时间和结束时间，而且这样的时间信息可以包含在所发送的数据帧的前同步码中。于是，CDR单元160在接收来自比较器150的数据时分析数据帧的前同步码，检查每个编码的开始时间和结束时间，纠正所接收的数据信号的周期，并检测错误。CDR单元160可以包括通常用于时钟和数据恢复的电路。

控制器170检查并纠正来自CDR单元160的数据信号中的错误，并恢复通过电极单元110接收的信号。此时，控制器170可以使用从CDR单元160提取的时间信息。可以将通过上述过程恢复的信号发送到与通信装置100耦合的主机200，或者可以将其存储在通信装置100中的存储器(未示出)中。图5的“d”部分示出由控制器170恢复的信号的波形。

根据本发明的上述示范性实施例，分开地提供并单独地使用CDR单元160和控制器170，从而减少数据处理负荷并有效地使用资源，但是也可以将控制器170配置为执行CDR单元160的功能。

现在将描述通信装置100发送信号的情况。

当已经接收到来自主机的数据信号的通信装置100希望通过人体300发送数据信号时，控制器170接收来自与通信装置100耦合的主机200的数据信号并对该信号执行量化和编码以产生基带信号。此时，控制器170选择适合通信状态的编码方法并产生信号。所产生的数据流可以具有多种类型的信号，诸如不归零(NRZ)信号、归零(RZ)信号、曼彻斯特信号等等。在对数据进行脉冲编码调制之后，控制器170施加具有适合通信装置100的电平的电压，产生基带信号，并向电极单元110发送基带信号。电极单元110接收基带信号并通过人体300输出该信号，以便可以通过人体进行数据通信。通过上述过程产生的信号具有图5的“d”部分中所示的波形。

此外，控制器170可以具有用于控制输入和输出阻抗的阻抗控制功能。通过阻抗控制功能，即便当附接有通信装置100的人体300的部分已经改变或者健康状态已经改变时用作为传输信道的人体300的阻抗可能已经改变，也可以借助控制阻抗来实现稳定的数据通信。另外，控制器170定义数据传输过程期间通信装置100之间的通信次序和规则以防止数据冲突现象并提高传输效率，从而避免通信资源的浪费。

通信装置100不使用RF模块进行频率调制，因为其被配置为将模拟信号转换为基带信号并发送该基带信号，从而根据本发明的示范性实施例的通信装置100具有较低的功率损耗。

图6示出使用BPF的人体通信装置的信号恢复性能，而图7示出根据本发明的所述示范性实施例的通信装置的信号恢复性能。如图6和图7中所示，该通信装置在使用HPF而不是BPF时执行优异的信号恢复。

图6和图7的“in”部分示出通过电极单元110接收的信号的波形，图6的“comp_out”部分示出BPF的输出波形，而图7的“hpf_out”部分示出HPF 130的输出波形。

如图6和图7中所示，在另外的通信装置100处通过人体以脉冲的形式接收从根据本发明的该示范性实施例的通信装置100发送的信号。

当利用BPF处理该脉冲信号时，输出正弦波脉冲。当通过比较器150处理该正弦波脉冲时，输出具有非均匀一致宽度的脉冲。即，处理1位输入信号以输出具有不同脉冲宽度的信号，而且输出信号可以与输入信号相比被延迟。

其间，当利用根据本发明的示范性实施例的通信装置100处理输入信号时，HPF的输出脉冲波形看起来与如图7中所示的输入信号类似。当利用比较器150处理看起来与输入信号类似的输出脉冲波形时，比较器150输出具有与如图7中所示的输入信号的脉冲宽度对应的脉冲宽度的波形。当使用根据本发明的示范性实施例的通信装置100时，所恢复的信号变得与相应的输入信号十分类似，从而减少错误发生的可能性。这表明，在消除在通过人体传输期间产生的噪声方面，根据本发明的示范性实施例的通信装置100的信号恢复性能比BPF的优越。

图8是示出代替图4的HPF的结构的框图，而图9示出图8的各个部分的信号波形。

在根据本发明的示范性实施例的通信装置100中，可以用配置用于基于前馈方法消除噪声的结构来代替HPF 130。如图8中所示，设计用于消除噪声的结构包括延迟单元410、低通滤波器(LPF)420、以及减法器430。

通过电极单元110接收并经缓冲器120处理的信号具有图9的“9a”部分中所示的波形。LPF 420是提供用于仅提取信号中包含的低频噪声并输出图9的“9c”部分中所示的波形。为了同步因LPF 420的信号处理造成的延迟时间，利用延迟单元410延迟输入信号以使得产生图9的“9b”部分中所示的波形。由减法器430处理两个信号以从“7b”部分的信号中减去“7c”部分的信号，使得产生如图9的“9d”部分中所示的已消除低频的信号。即，其具有与使用HPF 130相同的效果。

图10是示出根据本发明的第二示范性实施例的通信装置的框图。如图10中所示，根据本发明的第二示范性实施例的通信装置包括与根据本发明的第一示范性实施例的通信装置100相同的元件，而且进一步包括开关180。然而，根据本发明的第二示范性实施例的电极单元110具有多个电极。

电极单元110具有尺寸和形状各异的多个电极。可以将各个电极划分为地电极、以及用于发送数据信号的信号电极并相应地使用，而且电极单元110的各个电极之间的间隔可以被不同地改变和使用。

开关180根据控制器170的控制信号来切换电极单元110中包含的多个电极，使得各个电极作为地电极或信号电极工作。

图11示范性地示出根据本发明的第二示范性实施例的通信装置中的电极布置。根据本发明的第二示范性实施例的电极单元110可以具有如图11中所示的各种布置。如图11的(a)部分中所示，电极单元可以包括两个电极，一个电极用作为用于发送信号的信号电极，而另一个用作为用于接地的地电极。此外，如图11的(b)和(c)部分中所示，可以提供三个电极进而使用其中之一作为地电极并使用其余的作为信号电极。此时，控制器170和开关180可以考虑通信装置100所附接到的位置以及要发送的数据的量来选择地电极。另外，可以使用电极单元110中包括的全部电极作为信号电极而不是将电极划分为地电极和信号电极。换句话说，可以将通信装置100浮置。

当使用通信装置100作为发送器并通过将电极单元110的多个电极其中之一设置为地电极来发送数据信号时，可以一致地维持所发送的信号的输出电压以便可以发送更高级别的功率，从而增强数据传输效率。另一方面，当使用通信装置100作为接收器时，由于所接收的信号的功率与附接有电极的人体的区域的尺寸成比例地增加，地电极可以中断信号的接收。因而，当使用通信装置100作为接收器时，将电极单元110的各个电极设置为用于接收信号的信号电极以便改善接收性能。

图12示出在使用地电极和信号电极的情况下、以及在使用信号电极的情况下的根据本发明的第二示范性实施例的通信装置。图12示出用作为发送器的通信装置100f和用作为接收器的另外的通信装置100g。其中，在(a)中，将用作为接收器的通信装置的电极单元110中包含的多个电极其中之一设置为地电极，并将其余的设置为信号电极。在(b)中，将电极单元110中包含的全部电极设置为信号电极。如图12的(a)和(b)中所示设置电极的结果是，用作为接收器的通信装置100g输出59mV的电压，而用作为发送器的通信装置100f输出5mV的电压。该结果表明，当使用全部电极作为信号电极而不是将电极划分为地电极和信号电极时，可以改善接收性能。根据本发明的第二示范性实施例的通信装置100包括多个电极而且以多种方式使用该多个电极，从而控制发送/接收效率并将通信装置100容易地附接到人体的曲线区域。

虽然已经参照当前考虑的实用示范性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，意在涵盖包含在所附权利要求书的精神和范围内的各种变体和等价配置。

Claims (10)

1.一种用于在能够发送数据的主机与人体之间作为媒介并通过所述人体发送/接收数据的人体通信装置，所述人体通信装置包括：

电极单元，与所述人体直接接触，用于通过所述人体以电流的形式发送信号并从所述人体接收信号；

高通滤波器，用于消除通过所述电极单元接收的信号中包含的噪声；

比较器，用于将通过所述高通滤波器发送的信号与参考电压进行比较；以及

控制器，用于恢复通过所述比较器发送的信号，向所述主机发送所恢复的信号，产生基带信号，并通过所述电极单元向所述人体发送所述基带信号。

2.如权利要求1所述的人体通信装置，进一步包括放大器，用于放大从所述高通滤波器发送的信号并向所述比较器发送经放大的信号。

3.如权利要求2所述的人体通信装置，进一步包括时钟和数据恢复CDR单元，用于分析从所述比较器发送的信号并掌握所接收的信号的恢复的开始和结束时间。

4.如权利要求3所述的人体通信装置，其中所述控制器利用脉冲编码调制来产生信号。

5.如权利要求4所述的人体通信装置，其中所述控制器恢复所接收的信号并向与所述通信装置相连的主机发送所恢复的信号。

6.如权利要求5所述的人体通信装置，进一步包括直流/直流DC/DC转换器，用于增加所述比较器的输出电压。

7.如权利要求1至6其中之一所述的人体通信装置，其中所述高通滤波器包括：

延迟单元，用于延迟并输出通过所述电极单元接收的信号；

低通滤波器，用于处理所接收的信号；以及

减法器，用于将所述延迟单元和所述低通滤波器的输出信号相减。

8.如权利要求1所述的人体通信装置，其中所述电极单元包括分别具有不同的尺寸的多个电极。

9.如权利要求8所述的人体通信装置，进一步包括开关，用于控制发送和阻断到所述多个电极的信号。

10.如权利要求9所述的人体通信装置，其中当所述通信装置被用于数据发送时所述开关将所述多个电极其中之一设置为地电极。

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