CN106256090B - 电磁感应无线通信系统、方法及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电磁感应无线通信系统，其包括：磁性天线；电天线；耦合到所述磁性天线的调谐电容器，所述调谐电容器被配置成调谐所述磁性天线；控制器，其被配置成控制所述通信系统的操作；耦合到所述控制器的信号源，所述信号源被配置成产生用于驱动所述磁性天线和所述电天线的通信信号；耦合到所述信号源的电压控制单元，所述电压控制单元被配置成产生幅度差、相位差以及用于驱动所述磁性天线和电天线的所述通信信号之间的幅度和相位差中的一个差。
Description
技术领域
本文中所公开的各种示例性实施例大体上涉及一种电磁感应无线电。
背景技术
存在多种说明性地用于近程距离通信的无线系统。一些系统用于在人体周围的通信；其它系统可用于在其它物体内部或周围的通信。例如，无线通信考虑当前基于RF的助听器。通常此类助听器系统在2.5GHz ISM频段下操作。此类系统的特征为借助于横波、同相且涵盖大概30米的相对较大范围的磁场和电场来传播。大范围可能会引起通信内容的安全问题，还可能会造成干扰。此外，由于它们在相对高频下操作，所以此类系统会被人体严重影响。
较为常规的助听器使用磁场感应作为无线通信方法。不利的是，如果天线相对较小(例如在助听器中所要求的那样)，那么基于磁场感应的无线系统的范围有限。具有小型天线的基于磁场感应的系统无法到达人体的所有部位。因此，使用此类系统可能难以提供助听器和手持式控制器之间的通信。
发明内容
下文呈现各种示例性实施例的简要概述。在以下概述中可以做出一些简化和省略，其意在突出并介绍各种示例性实施例的一些方面，但不限制本发明的范畴。足以允许本领域的普通技术人员产生并使用本发明概念的示例性实施例的详细描述将在后续部分呈现。
各种示例性实施例涉及一种电磁感应无线通信系统，其包括：磁性天线；电天线；耦合到磁性天线的调谐电容器，所述调谐电容器被配置成调谐磁性天线；控制器，其被配置成控制通信系统的操作；耦合到控制器的信号源，所述信号源被配置成产生用于驱动磁性天线和电天线的通信信号；耦合到信号源的电压控制单元，所述电压控制单元被配置成产生幅度差、相位差以及用于驱动磁性天线和电天线的通信信号之间的幅度和相位差中的一个差。
另外，各种示例性实施例涉及在人体附近通信的一种方法，其包括：产生通信信号；产生修改后的通信信号，其中修改后的通信信号具有幅度差、相位差以及来自通信信号的幅度和相位差中的一个差；将通信信号施加到磁性天线和电天线中的一个天线；将修改后的通信信号施加到磁性天线和电天线中的另一个天线；控制修改后的通信信号的产生以改进在人体附近通信的方法。
另外，各种示例性实施例涉及一种经指令编码以供由处理器执行的非暂时性机器可读存储媒体，所述非暂时性机器可读媒体包括：用于产生通信信号的指令；用于产生修改后的通信信号的指令，其中所述修改后的通信信号具有幅度差、相位差以及来自通信信号的幅度和相位差中的一个差；用于将通信信号施加到磁性天线和电天线中的一个天线的指令；用于将修改后的通信信号施加到磁性天线和电天线中的另一个天线的指令；用于控制修改后的通信信号的产生以改进在人体附近通信的方法的指令。
附图说明
为了更好地理解各种示例性实施例，参看附图，其中：
图1示出了无线通信系统的框图；
图2示出了在无线通信系统操作期间的电场线和磁场线的图式；
图3示出了在人体附近的耦合电容器CE1和CE2；
图4展示所测量的路径损耗与在10.6MHz下操作的磁感应通信链路的距离之间的对比；
图5展示现有技术的磁感应方法和电磁感应方法的在10.6MHz下的路径损耗测量；
图6展示根据本发明的实施例的磁感应方法和电磁感应方法的在10.6MHz下的路径损耗测量；以及
图7示出了电磁感应无线电的实施例的框图。
为了便于理解，相同参考标号用于表示具有大体上相同或类似结构和/或大体上相同或类似功能的元件。
具体实施方式
描述和图式说明本发明的原理。因此将了解，本领域的技术人员将能够设计各种布置，尽管本文中未明确地描述或展示所述布置，但其体现本发明的原理且包括在其范畴内。另外，本文中所叙述的所有例子主要明确地意在用于教学目的以辅助读者理解本发明的原理和由发明人提供的概念，从而深化本领域，且所有例子不应解释为限于此类特定所叙述的例子和条件。另外，除非另外指明(例如，“或另外”或“或在替代方案中”)，否则如本文所使用的术语“或”指代非排他性的“或”(即，“和/或”)。并且，本文所描述的各种实施例不一定相互排斥，因为一些实施例可与一或多个其它实施例组合从而形成新的实施例。如本文中所使用，除非另外指明，否则术语“上下文”和“上下文对象”应被理解成同义。
在2014年5月5日申请的题为“电磁感应场通信(ELECTROMAGNETIC INDUCTIONFIELD COMMUNICATION)”的相关的第14/270,013号美国专利申请案中，描述一种借助于磁场与电场的组合且不意图形成横向辐射波的在人体附近的电磁通信方法。这产生了提高链路预算并将范围扩展到人体全部和体内的方法。磁场由电流穿过第一线圈来产生。电场可由第一耦合电容器产生，所述耦合电容器具有耦合到人体的第一导电板和耦合到环境的第二导电板。无线通信系统不电连接到地面。可借助于第二线圈和第二耦合电容器由在人体附近的另一地点处的接收器接收磁场和电场，所述第二电容器具有耦合到人体的第一导电板和耦合到环境的第二导电板。
图1示出了无线通信系统的框图。图2示出了在无线通信系统操作期间的电场线和磁场线的图式。图1的无线通信系统包括发射器XMTR和接收器RCVR。发射器XMTR与接收器RCVR之间的通信经由组合电场与磁场来实现，如将进一步描述。磁场H1由电流穿过线圈L1来产生。可由耦合电容CE1上的电压产生电场E1。耦合电容器CE1具有耦合到人体HB的第一导电板和耦合到环境的第二导电板，如下文将进一步示出。提供电容器C1和C2以在所需操作频率下谐振它们的相应电路。
可使用源S1和S2由相同电压产生磁场H1和电场E1。因此，源S1和S2产生待发射的通信信号。在这个说明性实施例中，源S1和S2可横跨线圈L1产生平衡的电压。然而，横跨线圈L1的电压也可能不平衡，并且在此情况下仅需要一个源。
可借助于线圈L2和耦合电容器CE2在定位于人体附近的另一地点处(可能在另一只耳朵中)的接收器RCVR处接收磁场H2和电场E2(它们分别具有与磁场H1和电场E1不同的幅度)。耦合电容器CE2具有耦合到人体HB的第一导电板和耦合到环境的第二导电板，如图3将进一步示出。
此无线通信系统使用在人体附近的无线电磁场通信方法来通信。电磁感应场是磁场H1与电场E1的组合且不意图形成横向辐射波。磁场H1由磁性天线、线圈L1产生，而电场E1由耦合电容器CE1上的电压产生。此耦合电容器CE1具有耦合到人体HB的第一导电板P11和耦合到环境的第二导电板P12。无线系统不电连接到地面。
产生磁场与电场的组合，并且电场存在于人体与环境之间。与源之间的距离每次加倍，磁感应场降低18db，但是沿着人体的距离每次加倍，电感应场仅降低6db。
可借助于线圈L2和耦合电容器CE2由在人体附近的另一地点处的接收器接收磁场H2和电场E2，所述耦合电容器CE2具有耦合到人体的第一导电板P21和耦合到环境的第二导电板P22。
图3示出了在人体HB附近的耦合电容器CE1和CE2。耦合电容器CE1的导电板P11与人体HB耦合。耦合电容器CE1的导电板P12耦合到环境。耦合电容器CE2的导电板P21在另一位置处与人体HB耦合。耦合电容器CE2的导电板P22耦合到环境。CE1具有耦合系数CP1，并且CE2具有耦合系数CP2。耦合系数CP1和CP2在通信系统的路径损耗中起作用。
板P11、P12、P21和P22可由导电材料(例如金属)制成。一般来说，板P11、P12、P21和P22可具有多种形状，且可由介电材料包围，以使得CE1和CE2的总体结构执行电容功能。一般来说，电容器CE1和CE2的尺寸应相对于操作波长较小。
然而，不同应用可能需要在电场与磁场之间组合不同幅度和相位的电场和磁场。因此，下文描述可集成于RF集成电路中且适合于产生可经编程以尤其适合于各种应用的场幅度和相位的混合的系统。所述混合可持续适用。为了理解电场与磁场之间不同幅度和相位的影响，进行了各种测试和测量。这些测试的结果在下文中论述，并且提供关于改变电场与磁场之间的幅度和相位的益处的洞察。
图4展示所测量的路径损耗与在10.6MHz下操作的磁感应通信链路的距离之间的对比。测量结果在自由空间和人体周围是有效的。这是因为人体的介电常数接近空气的介电常数。从测量结果可以看到，两个节点之间30cm的距离产生大约100db的路径损耗。例如，对于基于助听器的磁感应，系统通信在92db的路径损耗下中断。因此，使用这种配置不可能在人体的所有位置周围都具有无线通信。
图5展示现有技术的磁感应方法和电磁感应方法的在10.6MHz下的路径损耗测量。在这个例子中，发射器和接收器分别定位在测试者的左手和右手附近。两臂间隔43cm。测试者坐在椅子上。线圈天线(例如，图1中的L1)和电容器天线(例如，图1中的CD1)上的电压幅度是相同的。发射器和接收器天线是铁氧体线圈和耦合电容器的组合。铁氧体线圈的直径为2mm，长度为7mm，并且具有3.7uH的电感；耦合电容器具有2cm乘以3cm的表面积的尺寸，导电板之间距离4mm，它们之间的区域是具有12pFarad电容的空气。借助于厚度为2到3mm的衣服而与人体隔离的耦合板P11和P21。示出了针对男性和女性两者的磁感应测量(MI)和电磁感应测量(EMI)。针对电磁感应方法研究了不同的使用情况，两个天线都与测试者的皮肤间隔1mm，天线都连接到测试者的皮肤，并且只有一个耦合电容器连接到测试者的皮肤。应指出，在所有使用情况中，相比于磁感应方法，电磁感应方法具有低了至少17.57db的损耗。在此情况下，将相同的电压施加到线圈天线和电容器天线。
图6展示根据本发明的实施例的磁感应方法和电磁感应方法的在10.6MHz下的路径损耗测量。在这个例子中，发射器和接收器分别定位在测试者的左手和右手附近。两臂间隔43cm。测试者坐在椅子里。对于图6中所示出的测量，电容器天线(例如，图1中的CE1)上的电压幅度是线圈天线(例如，图1中的L1)上的电压的两倍。发射器和接收器天线是铁氧体线圈和耦合电容器的组合。铁氧体线圈的直径为2mm，长度为7mm，并且具有3.7uHenry的电感；耦合电容器具有2cm乘以3cm的表面积的尺寸，导电板之间距离4mm，它们之间的区域是具有12pFarad电容的空气。借助于厚度为2到3mm的衣服而与人体隔离的耦合板P11和P21。在此情况下，电容器天线上的电压是线圈天线上的电压的两倍。针对电磁感应方法研究了不同的使用情况，两个天线都与测试者的皮肤间隔1mm，天线都连接到测试者的皮肤，并且只有一个耦合电容器连接到测试者的皮肤。可注意到，在所有使用情况中，相比于磁感应方法，电磁感应方法具有低了至少23.57db的损耗。
从图5和图6中可以看到，可改变电磁感应系统的路径损耗。可借助于改变由无线通信系统产生的磁场和电场的相位和幅度来获得不同的路径损耗值。因此，变化施加到线圈天线和电容器天线的电压的幅度和相位的系统可用于改进无线通信系统的性能。
图7示出了电磁感应无线电的实施例的框图。电磁感应无线电(EIR)可包括数字处理单元DPU、信号处理单元SPU1和SPU2、信号产生器S1和S2、缓冲器B1、B2和B3、调谐电容器TC、电压处理单元VC/PS、磁性天线线圈MA和电天线电容器EA。
数字处理单元DPU可控制EIR的操作，并且处理与通信有关的信号。数字处理单元可包含模拟数字转换器(ADC)和/或数字模拟转换器(DAC)、存储器、存储装置和处理通信信号所需的所有硬件和软件。数字处理单元可包括可为能够执行存储于存储器或其它存储装置中的指令或以其它方式处理数据的任何硬件装置的处理器。由此，处理器可包括微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或其它类似装置。存储器可包括各种存储器，例如，L1、L2或L3高速缓冲存储器或系统存储器。由此，存储器可包括静态随机存取存储器(SRAM)、动态RAM(DRAM)、快闪存储器、只读存储器(ROM)，或其它类似存储器装置。存储装置可包括一个或多个机器可读存储媒体，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储媒体、光学存储媒体、闪存器装置或类似存储媒体。在各种实施例中，存储装置可存储用于由处理器执行的指令，或可存储数据，处理器可对所述数据进行操作。例如，存储装置可存储用于控制硬件的各种基本操作的基本操作系统。它还可存储由EIR接收和处理的数据。并且，存储装置可包括用于处理由EIR接收的数据的指令。
信号处理单元SPU1和SPU2可包含介接到天线电路MA和EA以及数字处理单元DPU所需的硬件。SP1和SP2可包括可为能够执行存储于存储器或其它存储装置中的指令或以其它方式处理数据的任何硬件装置的处理器。由此，处理器可包括微处理器、信号处理器、图形处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或其它类似装置。信号处理单元SPU1可帮助实施发射器功能，而信号处理单元SPU2可帮助实施接收器功能。在此情况下，EIR可具有收发器功能性，并且因此可能够执行双向通信。
在发射器模式中，磁场Um由第一交流电Im穿过磁性天线、线圈MA产生，而电场Ue由电天线电容器EA上的第二交流电压Ve产生。穿过线圈MA的电流Im取决于线圈上的电压：
Im＝Vm/Zcoil，
Zcoil＝2πfLcoil
因此，两个电压Vm和Ve分别限定磁场Um和电场Ue。改变Vm和Ve的幅度中的一个或它们之间的相位改变了磁场Um和电场Ue的组合，并且因此，可完成场的混合，从而改进无线通信系统的性能。
信号处理单元SPU1可命令信号产生器S1和S2产生驱动由线圈MA和调谐电容器TC形成的谐振电路的电流。因此，源S1和S2产生待发射的通信信号。在这个说明性实施例中，源S1和S2可横跨MA产生平衡的电压。然而，横跨MA的电压也可能不平衡，并且在此情况下仅需要一个源。TC是可通过数字处理单元DPU调节以调谐接收器/发射器的集成电容器组。谐振频率可在工业、科学和医学(ISM)频段中的一个频段中选择，例如，10.6MHz。谐振电路可具有对于所需的通信模式数据速率足够的带宽。任选地，带宽可借助于使用(例如)可具有可调节的电阻的电阻器组在谐振电路中插入额外损耗来调适。这可为EIR中的额外功能块。
磁性天线MA上的电压Vm在电压处理单元VC/PS中处理，并且进一步被施加到电天线EA。VC/PS产生施加到电天线EA的电压Ve。VC/PS可相对于Vm减少或增加输入电压Ve。VC/PS还可额外地改变Vm和Ve之间的相位。以此方式，可根据应用需要改变磁性和电场的组合物。可替换的是，施加到电天线EA的电压Ve在电压处理单元VC/PS中处理，并且进一步被施加到磁性天线MA。VC/PS产生施加到磁性天线MA的电压Vm。VC/PS可相对于Ve减少或增加输入电压Vm。VC/PS还可额外地改变Ve和Vm之间的相位。以此方式，可根据应用需要改变磁性和电场的组合物。
在接收模式中，由磁性天线MA接收的电压可与由电天线EA接收的电压组合。在组合两种信号之前，它们之间的相位和/或幅度可进行调适。
例如，当在并联调谐电路中组合两种信号时，所感应的天线电压的幅度在它们之间应具有180度相移，以产生最佳组合的输出信号。由于天线设计和在人体上的定位，这对于全部应用可能并不总是合乎需要的。另外，它们之间的相位可动态地改变，并且VC/PS可持续地对此类改变作出反应。
信号处理单元SPU2可处理从天线MA和EA接收的电压。应指出，VC/PS可具有双向功能。在由TC和MA形成的谐振电路处的信号可通过缓冲器B2和B3缓冲。额外的缓冲器B1可可用于监测所接收的磁场和电场强度之间的差值。可替换的是，接收器和发射器还可具有单独的接收和发射VC/PS。
DPU可调节用于实施发射器和接收器之间的通信的电场和磁场之间的幅度和相位特性。关于通信环境的信息可基于各种所采集的测试数据。并且，可针对通信系统的每一单个用户进行测试测量。另外，各种信道测量信号可包括为通信信号的一部分，以便确定在无线通信系统操作期间通信信道的变化。这些信道测量接着可用于调节磁场和电场之间的相位和幅度。另外，反馈环圈可用于进一步监测和调节磁性信号和电信号之间的相位和幅度。
EIR可实施为不同集成电路(IC)的组合或实施在单个IC上。另外，DPU、SPU1和SPU2在图7中示出为单独的物理和功能块，但是DPU、SPU1和SPU2可实施在单个处理器中，所述处理器可为其自身的IC。并且，SPU1和SPU2可实施在单个信号处理单元上，所述信号处理单元可为其自身的IC。DPU或DPU、SPU1和SPU2的组合可被称作控制EIR的操作的控制器。
本领域的技术人员应了解，本文中的任何框图表示体现本发明的原理的说明性电路的概念视图。另外，在所示电路中，还可视需要包括额外元件，或可改变电路结构以实现与所示电路相同的功能结果。
尽管已经具体参考各种示例性实施例的特定示例性方面来详细地描述各种示例性实施例，但应理解，本发明能够容许其它实施例且其细节能够容许在各种显而易见的方面的修改。如对本领域的技术人员显而易见的，可实现变化和修改。同时仍保持在本发明的精神和范畴内。因此，前述公开内容、描述和图式仅出于说明性目的，并且不以任何方式限制本发明，本发明仅由权利要求书限定。
Claims (20)
1.一种电磁感应无线通信系统，其特征在于，包括：
磁性天线；
电天线；
耦合到所述磁性天线的调谐电容器，所述调谐电容器被配置成调谐所述磁性天线；
控制器，其被配置成控制所述通信系统的操作；
耦合到所述控制器的信号源，所述信号源被配置成产生用于驱动所述磁性天线和所述电天线中的一个天线的通信信号；
耦合到所述信号源的电压控制单元，所述电压控制单元被配置成产生修改后的通信信号，所述修改后的通信信号与用于驱动所述磁性天线和电天线中的一个天线的通信信号之间具有幅度差、相位差、幅度相位差中的一个差；以及用修改后的通信信号来驱动磁性天线和电天线中的另一个天线。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，电压控制单元耦合到所述电天线。
3.根据权利要求1或2中所述的系统，其特征在于，电压控制单元耦合到所述磁性天线。
4.根据权利要求1或2中所述的系统，其特征在于，所述系统是收发器。
5.根据权利要求1或2中所述的系统，其特征在于，所述控制器包括数据处理单元和信号处理单元。
6.根据权利要求1或2中所述的系统，其特征在于，所述控制器包括数据处理单元、第一信号处理单元和第二信号处理单元，其中所述第一信号处理单元是所述系统的接收器部分的一部分，并且所述第二信号处理单元是所述系统的发射器部分的一部分。
7.根据权利要求1或2中所述的系统，其特征在于，调谐电容器可由所述控制器调节。
8.根据权利要求1或2中所述的系统，其特征在于，包括耦合到所述调谐电容器和所述磁性天线的可变电阻器。
9.根据权利要求1或2中所述的系统，其特征在于，所述电压控制单元具有连接到所述控制器的输出端，其中所述输出端产生指示所接收的磁场强度和所接收的电场强度之间的差值的信号。
10.一种在人体附近通信的方法，其特征在于，包括：
产生通信信号；
产生修改后的通信信号，其中所述修改后的通信信号与用于驱动磁性天线和电天线中的一个天线的通信信号之间具有幅度差、相位差、幅度相位差中的一个差；
将所述通信信号施加到磁性天线和电天线中的一个天线；
将所述修改后的通信信号施加到所述磁性天线和所述电天线中的另一个天线；
控制所述修改后的通信信号的所述产生，以改进在所述人体附近通信的所述方法。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，另外包括接收辐射信号。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，另外包括调谐所述磁性天线。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，调谐所述磁性天线包括变化耦合到所述磁性天线的调谐电容器的电容。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，调谐所述磁性天线还包括调节耦合到所述调谐电容器和所述磁性天线的可变电阻器。
15.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，另外包括：
监测在所述磁性天线和所述电天线处的信号；以及
基于所监测的信号调节所述修改后的通信信号。
16.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行实现以下步骤：
产生通信信号；
产生修改后的通信信号，其中所述修改后的通信信号与用于驱动磁性天线和电天线中的一个天线的通信信号之间具有幅度差、相位差、幅度相位差中的一个差；
将所述通信信号施加到磁性天线和电天线中的一个天线；
将所述修改后的通信信号施加到所述磁性天线和所述电天线中的另一个天线；
控制所述修改后的通信信号的所述产生以改进在人体附近通信的方法。
17.根据权利要求16所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述步骤还包括：另外包括接收辐射信号。
18.根据权利要求16所述的计算机可读存储介质，其特征在于，所述步骤还包括：另外包括调谐所述磁性天线。
19.根据权利要求18所述的计算机可读存储介质，其特征在于，调谐所述磁性天线包括变化耦合到所述磁性天线的调谐电容器的电容。
20.根据权利要求19所述的计算机可读存储介质，其特征在于，调谐所述磁性天线还包括调节耦合到所述调谐电容器和所述磁性天线的可变电阻器。
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