CN104055519A - 动作/扰动检测器 - Google Patents
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Abstract
动作/扰动检测器包括：收发单元、振荡单元、混频单元与处理单元。该收发单元接收该振荡单元的输出信号并朝向至少一物体发射出检测信号。该检测信号被该物体反射成反射检测信号，被该收发单元所接收。该收发单元将该反射检测信号送入该振荡单元使其产生自我注入锁定现象，并将该反射检测信号送入该混频单元，以进行频率解调。该混频单元混频该收发单元所传来的该反射检测信号与该振荡单元的该输出信号，并解调成基带输出信号，以输入至该处理单元。该处理单元控制该振荡单元的操作频率，该处理单元对该混频单元所传来的该基带输出信号进行处理以得到动作/扰动信息。
Description
技术领域
本公开涉及一种动作/扰动检测器。
背景技术
随着人口高龄化的社会趋势影响下，医疗照顾服务及生医电子的发展备受瞩目。结合无线通讯的远端居家照料(Remote Homecare)则可让患者不须前往医院即可进行生理信号的感测与记录以节省医疗资源。
在生理信号感测中，呼吸信号及心跳信号极端重要，其可应用在呼吸窒息症(Obstructive Sleep Apnea Syndrome；OSAS)与心跳规律的长期追踪上。而OSAS长期以来占据婴儿猝死死因的前三名，心血管疾病更是影响已开发国家人民健康甚巨。
目前有接触式生理信号感测装置与非接触式生理信号感测装置。接触式生理信号感测装置通过接触人体的方式来进行测量。
此外，动作/扰动检测器用于保全监视或在场人员辨识。一般，以红外线技术实现动作/扰动检测器。但红外线技术容易因环境温度影响而误判，甚至无法检测。
微波式动作检测器利用多普勒原理，比较发射信号与接收信号之间的相位差。如果相位差产生变化，则代表环境中有扰动源。
故而，本申请提出一种动作/扰动检测器，可检测待测者的胸腔起伏，进而从中分析出待测者的生理参数(如呼吸、心跳频率等)，或其他外界扰动信息(如机械振动频率等)。
发明内容
根据本公开的一示范性实施例，提出一种动作/扰动检测器，其包括：收发单元、振荡单元与混频单元。该收发单元接收该振荡单元的输出信号并朝向至少一物体发射出检测信号。该检测信号被该物体反射成反射检测信号，被该收发单元所接收。该收发单元将该反射检测信号送入该振荡单元使其产生自我注入锁定现象，并将该反射检测信号送入该混频单元，以进行频率解调。该混频单元混频该收发单元所传来的该反射检测信号与该振荡单元的该输出信号，并解调成基带输出信号，该基带输出信号代表动作/扰动信息。
为了对本申请的上述及其他内容有更佳的了解，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：
附图说明
图1A显示根据本申请实施例的动作/扰动检测器的方块示意图。
图1B显示根据本申请另一实施例的动作/扰动检测器的方块示意图。
图2绘示本申请的动作/扰动检测器的一实施例。
图3与图4显示根据本申请实施例的实验结果。
图5A至图5D显示根据本申请其他实施例的其他几种可能做法。
【符号说明】
100、100’、200、100A、100B、100C、100D：动作/扰动检测器
10、10A、10B、10C、10D：收发单元
20：振荡单元 30：混频单元
40：处理单元
11、11A、12A、11B、11C、12C：天线
N1：节点
31：混波器 32：低通滤波器
SU：受测者
11D：电光转换器 12D：光电转换器
具体实施方式
本说明书的技术用语是参照本技术领域的习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语的解释以本说明书的说明或定义为准。另外，在可能实施的前提下，本说明书所描述的物件或事件间的相对关系，涵义可包含直接或间接的关系，所谓“间接”是指物件间尚有中间物或物理空间的存在，或指事件间尚有中间事件或时间间隔的存在。再者，以下内容涉及信号耦合电路及方法，对于该领域习见的技术或原理，如果不涉及本申请的技术特征，将不予赘述。此外，图示中元件的形状、尺寸、比例以及流程的步骤顺序等仅为示意，供本领域技术人员了解本申请之用，非对本申请的实施范围加以限制。
另外，以下说明内容的各个实施例分别具有一或多个技术特征，然此并不意味着使用本申请者必需同时实施任一实施例中的所有技术特征，或仅能分开实施不同实施例中的一部或全部技术特征。换句话说，在可能实施的前提下，本领域技术人员可依据本申请的公开内容，并视自身的需求或设计理念，选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地实施多个实施例中部分或全部的技术特征的组合，藉此增加本申请实施弹性。
本申请的公开内容包含动作/扰动检测器，但本申请实施例的技术特征并非对本申请的限制，仅供本申请举例说明暨本技术领域人士了解本申请之用。此外，在可能实施的前提下，本领域技术人员能够依据本申请公开内容来选择等效的元件或步骤来实现本申请，亦即本申请的实施并不局限于本申请所公开的实施例。
另外，如果本申请的动作/扰动检测器所包含的个别元件为已知元件的话，在不影响充分公开及可据以实现的情形下，以下说明对于实现的个别元件的细节将予以节略。
本申请实施例公开动作/扰动检测器，其可用于非接触式/接触式检测受测者的心肺信号。在底下的说明中，是非接触式检测为例做说明，但当知其并非用于限制本申请，本申请也可用于接触式检测。
动作/扰动检测器可发出无线电波/光检测波来对受测者进行检测。由于受测者在检测期间的呼吸与心跳等生理现象所产生的多普勒效应，会对动作/扰动检测器所发射的无线电波/光检测波进行相位调制，将反射后的射频信号/光检测波输入至振荡单元。故而，振荡单元呈现自我注入锁定现象，此自我注入锁定现象会放大受测者的心肺活动的相位调制信息，以易于观察受测者的心肺活动。经由混频单元进行降频后输出电压信号，此电压信号输入至信号处理单元即可得到环境中振动物体(如受测者的心肺)的时域波形与频域信号，可检测振动物体的频率(比如，可检测出受测者的心肺信号)。
现请参照图1A，其显示根据本申请实施例的动作/扰动检测器的方块示意图。如图1A所示，动作/扰动检测器100包括：收发单元10、振荡单元20与混频单元30。
收发单元10电性连接至振荡单元20的差动信号输出端口的一端，以接收振荡单元20的输出信号并朝向受测者发射出射频发射信号/光检测波(也可称为检测信号)。此射频发射信号/光检测波会被受测者所反射。收发单元10接收由受测者所反射的射频接收信号/光反射波(也可称为反射检测信号)。收发单元10电性连接至振荡单元20的输入端口与混频单元30的输入端口。具体来说，收发单元10将反射检测信号送入振荡单元20使其产生自我注入锁定现象，并将反射检测信号送入混频单元30，以进行频率解调。
至于接收由收发单元10所传来的反射检测信号，振荡单元20可由其独立注入信号输入端口来接收，或者是由其差动信号输出端口来接收。
混频单元30的一输入端口电性连接振荡单元20的另一差动信号输出端口。混频单元30混频收发单元10所传来的反射检测信号与振荡单元20的输出信号。混频单元30将受测者生理信号的频率调制信号(其含于收发单元10所传来的反射检测信号内)解调成基带输出信号(其为电压信号)，基带输出信号可代表动作/扰动信息。
于本申请另一实施例中，动作/扰动检测器可还包括处理单元。如图1B所示，其显示根据本申请另一实施例的动作/扰动检测器100’的方块示意图。动作/扰动检测器100’还包括处理单元40。
亦即，处理单元可以不被整合在动作/扰动检测器之中(如图1A)，也可被整合于动作/扰动检测器之中(如图1B)。甚至，在本申请其他可能实施例中，处理单元可置放于远端，而动作/扰动检测器的混频单元30所输出的基带输出信号可通过有线/无线方式来传送至远端的处理单元，此皆在本申请精神范围内。
处理单元40的输出端口电性连接至振荡单元20的电压输入端口。处理单元40输出控制电压给振荡单元20，以决定振荡单元20的操作频率。处理单元40对混频单元30所传来的基带输出信号进行处理(譬如但不受限于，数字滤波、放大、傅立叶变换等)，以得到动作/扰动信息(其譬如但不受限于受测者的呼吸及心跳的时域波形与频率等)。
现请参阅图2，其显示本申请的动作/扰动检测器200的一实施例。在本实施例中，收发单元10包含天线11。天线11电性连接振荡单元20的一输出端与混频单元30的一输入端口。在图2中，节点N1比如使得天线11直接连接至振荡单元20与混频单元30。或者，在其他可能实施例中，节点N1可为循环电路(circulator)或功率分配器(power divider)。
如图2所示，振荡单元20具有：电压输入端口V、差动信号输出端口O1及O2。电压输入端口V接收由处理单元40所传来的模拟控制电压VT。在本实施例中，振荡单元20的差动信号输出端口O1电性连接至收发单元10的天线11，以将输出信号SOUT1传送给天线11。天线11将振荡单元20的输出信号SOUT1朝受测者SU发射，在图2中，射向受测者SU的信号为发射信号STX。此发射信号STX经受测者SU的心肺信号进行频率调制后成为射频接收信号SRX(亦即，多普勒效应)。此射频接收信号SRX被天线11所接收，并成为两路注入信号SIN1与SIN2(基本上，此两路注入信号SIN1与SIN2是相同的)。注入信号SIN1经由振荡单元20的差动信号输出端口O1而输入至振荡单元20。此注入信号SIN1使振荡单元20操作在自我注入锁定状态。另一路注入信号SIN2则输入至混频单元30，以进行混频。
在图2中，混频单元30有两个输入端口与一个输出端口。混频单元30的一输入端口连接至收发单元10的天线11。混频单元30的另一输入端口连接至振荡单元20的差动信号输出端口O2，用以观察振荡单元20输出的频率变化情况。混频单元30的输出端口连接至处理单元40。
混频单元30包括混波器31及低通滤波器32。混波器31连接至收发单元10与振荡单元20。低通滤波器32则连接至混波器31与处理单元40。在本实施例中，混波器31的两端分别电性连接至收发单元10与振荡单元20的差动信号输出端口O2。在本实施例中，混频单元30的输出端为低通滤波器32的输出端。
在本实施例中，处理单元40电性连接至振荡单元20的电压输入端口V。处理单元40产生模拟控制电压VT，以调整振荡单元20的输出频率，以在工作频段内进行信号感测。处理单元40电性连接至混频单元30的输出端(亦即低通滤波器32的输出端)，以将混频单元30所输出的基带输出信号SB进行取样及信号处理后，得到呼吸及心跳的时域波形与频率。
现请参阅图3至图4，其显示根据本申请实施例的实验结果。在本实施例中，受测者距离动作/扰动检测器约一公尺处，坐在椅子上均匀地呼吸。动作/扰动检测器的操作频率约为2.45GHz(当知其并非用以限制本申请)。图3乃是时域波形，其包含呼吸与心跳等生理信息。请再参阅图4，经过傅立叶变换后，频谱表现如图4所示，可辨识出呼吸主频与心跳主频分别约为0.284Hz与1.222Hz，即17呼吸次数/分钟与73心跳次数/分钟。由此可知，本申请实施例的动作/扰动检测器的检测结果与其他医疗仪器感测结果相吻合。
本申请也可其他可能实施例的架构。图5A至图5D显示根据本申请其他实施例的其他几种可能做法。请注意，虽然图5A至图5D的动作/扰动检测器包括处理单元，但由上述实施例可知，图5A至图5D的动作/扰动检测器也可选择性包括处理单元，其皆在本申请精神范围内。
在图5A的动作/扰动检测器100A中，收发单元10A为双天线设计，其包括(发射)天线11A与(接收)天线12A。振荡单元20A的差动信号输出端口O2分别电性连接天线11A与混频单元30。天线11A发射出射频发射信号给受测者。射频接收信号(由物体所反射回)由天线12A接收。所接收的射频接收信号分别连接至振荡单元20A差动信号输出端口O1与混频单元30的一输入端口，使振荡单元20A产生自我注入锁定现象，并使混频单元30进行频率解调。图5A的操作细节原则上相似于图1A、图1B与图2，故在此不重述。
现请参考图5B。在图5B的动作/扰动检测器100B中，收发单元10B为单天线设计，其包括天线11B。振荡单元20B具有电压输入端口V、注入信号输入端口I、及差动信号输出端口O1及O2。天线11B分别电性连接至振荡单元20B差动信号输出端口O1、振荡单元20的注入信号输入端口I、及混频单元30的一输入端口。天线11B发射出射频发射信号至受测者，并接收由受测者所反射回的射频接收信号。在接收到射频接收信号后，天线11B将射频接收信号分别注入至振荡单元20B的注入信号输入端口I与混频单元30的输入端口，使振荡单元20B产生自我注入锁定现象，并使混频单元30进行频率解调。混频单元30的另一输入端口电性连接至振荡单元20B的差动信号输出端口O2。图5B的操作细节原则上相似于图1A、图1B与图2，故在此不重述。在图5B中，节点N2比如可为循环电路或功率分配器。
现请参考图5C。在图5C中，收发单元10C为双天线设计，其包括(发射)天线11C及(接收)天线12C。振荡单元20C具有电压输入端口V、注入信号输入端口I、及差动信号输出端口O1及O2。天线11C电性连接至振荡单元20C的差动信号输出端口O1，发射出射频发射信号给受测者。由受测者所反射回的射频接收信号由天线12C接收。天线12C分别电性连接振荡单元20C的注入信号输入端口I与混频单元30的输入端口，使振荡单元20C产生自我注入锁定现象，并使混频单元30进行频率解调。混频单元30的另一输入端口电性连接至振荡单元20C的差动信号输出端口O2。图5C的操作细节原则上相似于图1A、图1B与图2，故在此不重述。
现请参考图5D，其显示根据本申请另一可能实施例的动作/扰动检测器的实施方式。如图5D所示，不同于现有实施例之处在于，收发单元10D包括电光转换器11D与光电转换器12D。电光转换器11D连接至振荡单元20，其将振荡单元20所传来的电压信号转换为光波，以射向受测者。此光波被受测者反射回光电转换器后，由光电转换器12D转换成电压信号，送至振荡单元20与混频单元30。至于振荡单元20、混频单元30与处理单元40的细节可如上述。由于电光转换器与光电转换器的信噪比(SNR)较佳，故而，图5D的架构更有助于观察受测者的动作/扰动。
以传统连续波雷达而言，其根据接收信号与发射信号间的相位差来判断待测物体的缓慢移动信息(呼吸、心跳)。但受限于信号产生器的相位噪声，此技术在信噪比与系统复杂度之间面临取舍关系。传统连续波雷达虽然在低操作频率时，其灵敏度表现较佳，但在高频底下，灵敏度的提升有限，且易受到杂波效应影响。此外，由于环境中其他物体的回波影响，将使基带信号存在直流位移。因此杂波效应会使放大电路饱和而无法有效感测生理信号。
至于另一现有技术，虽然在高操作频率时，灵敏度表现较佳(当操作频率提升两倍时，感测距离可上升为4倍)，且不受被其他物体所回反射的杂波所影响。但其需要频率解调器，而频率解调器的射频延迟单元难以整合至芯片中。
相反地，在本申请上述实施例中，环境中的检测电波传输路径将产生额外传输延迟，以取代现有技术的射频频段的延迟单元。此外，本申请上述实施例亦使用自我注入锁定技术。故而，本申请实施例结合此两种机制，在不同操作频率下皆可具有高灵敏度。当操作频率较高时，会由自我注入锁定架构所主宰；当操作频率较低时，则由传统连续波架构进行相位解调。本申请上述实施例原则上应可不受杂波效应的影响。由于本申请上述实施例省略射频延迟单元，故而，原则上应可提高体积化程度。
上述可知，相较于传统技术利用多普勒雷达并配合基带信号处理技术，本申请上述实施例原则上应有的优点譬如为：大幅减少电路元件使用、高度集成化、高度抗杂波能力、高灵敏度、降低制造成本及降低功率消耗等优点。
综上所述，虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。
Claims (10)
1.一种动作/扰动检测器，包括：
收发单元；
振荡单元，耦接至该收发单元；以及
混频单元，耦接至该收发单元与该振荡单元；
其中，
该收发单元接收该振荡单元的输出信号并朝向至少一物体发射出检测信号；
该检测信号被该物体反射成反射检测信号，被该收发单元所接收；
该收发单元将该反射检测信号送入该振荡单元使其产生自我注入锁定现象，并将该反射检测信号送入该混频单元，以进行频率解调；
该混频单元混频该收发单元所传来的该反射检测信号与该振荡单元的该输出信号，并解调成基带输出信号，该基带输出信号代表动作/扰动信息。
2.如权利要求1所述的动作/扰动检测器，还包括：
处理单元，耦接至该振荡单元与该混频单元，接收由该混频单元所传来的该基带输出信号；
该处理单元控制该振荡单元的操作频率，该处理单元对该混频单元所传来的该基带输出信号进行处理以得到动作/扰动信息。
3.如权利要求1所述的动作/扰动检测器，其中，该物体的多普勒效应对该检测信号进行相位调制，以成为该反射检测信号。
4.如权利要求1所述的动作/扰动检测器，其中，该收发单元包括：
第一天线，发射该检测信号，并接收该反射检测信号。
5.如权利要求1所述的动作/扰动检测器，其中，该收发单元包括：
第一天线，发射该检测信号；以及
第二天线，接收该反射检测信号。
6.如权利要求1所述的动作/扰动检测器，其中，该收发单元包括：
电光转换器，将该振荡单元的该输出信号转换成光检测波；以及
光电转换器，将该反射检测信号转换成电压信号，以送至该振荡单元与该混频单元。
7.如权利要求1所述的动作/扰动检测器，其中，该振荡单元包括：
第一差动信号输出端口，输出该输出信号至该收发单元，并接收该收发单元所传来的该反射检测信号；
第二差动信号输出端口，将该输出信号送至该混频单元；以及
电压输入端口，耦接至该处理单元，以接收该处理单元的模拟控制电压。
8.如权利要求1所述的动作/扰动检测器，其中，该振荡单元包括：
第一差动信号输出端口，输出该输出信号至该收发单元与该混频单元；
第二差动信号输出端口，接收该收发单元所传来的该反射检测信号；以及
电压输入端口，耦接至该处理单元，以接收该处理单元的模拟控制电压。
9.如权利要求1所述的动作/扰动检测器，其中，该振荡单元包括：
第一差动信号输出端口，输出该输出信号至该收发单元；
第二差动信号输出端口，输出该输出信号至该混频单元；
注入信号输入端口，接收该收发单元所传来的该反射检测信号；以及
电压输入端口，耦接至该处理单元，以接收该处理单元的模拟控制电压。
10.如权利要求1所述的动作/扰动检测器，其中，该混频单元包括：
混波器，连接至该收发单元与该振荡单元，混频该收发单元所传来的该反射检测信号与该振荡单元的该输出信号；以及
低通滤波器，连接至该混波器与该处理单元，将该混波器的混波信号进行低通滤波，以得到该基带输出信号，以输入至该处理单元。
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