-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Übertragung von Signalen über den
Körper
einer Person. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auch auf die
zur Durchführung
dieser Signalübertragung erforderlichen
System- oder Schaltungskomponenten.
-
Physikalischer Hintergrund
der Erfindung:
-
Die
Eigenschaft von tierischen und menschlichen Körpern, elektrischen Strom zu
leiten, ist seit dem Beginn der Elektrotechnik vor über 200
Jahren bekannt z.B. Froschschenkelversuch von Galvani 1786). Eingehendere
Untersuchungen hierzu wurden jedoch erst ca. 1960 im Hinblick auf
biologische Probleme von R. und K. Cole durchgeführt mit dem Ziel, ein Modell
zu entwickeln, das den elektrischen Widerstand (Impedanz) des Körpers genauer
erfasst und mit einem äquivalenten
Ersatzbild kennzeichnet. Hierbei wurde das elektrische Verhalten
der Zellstrukturen, sowie intra- und extrazellularer Körperflüssigkeiten
berücksichtigt.
Das Ergebnis dieser Untersuchungen führt zu dem in 1 angegebenen elektrischen Netzwerk.
Dabei repräsentiert
R1 die extrazellulare Flüssigkeit und L die Induktivität der Blutgefäße. Die
intrazellularen Eigenschaften werden durch eine Kapazität C und
einen Serienwiderstand R2 beschrieben.
-
Insgesamt
stellt daher der Körper
zwischen zwei Punkten A und B eine von der Frequenz f abhängige komplexe
Impedanz Zk(f) dar, deren Werte im einzelnen
personenabhängig
streuen. Außerdem sind
die Werte auch von den Speisepunkten A und B am Körper abhängig.
-
Ein
weiterer Parameter der das Übertragungsverhalten
des Körpers
für elektrische
Signale wesentlich beeinflusst, ist die Kapazität CE des
Körpers
gegen Erde, die ca. 100 pF beträgt.
Damit ergibt sich dann zunächst
das in 2 dargestellte
lineare Übertragungsmodell.
Die Linearität
kann mit hinreichender Genauigkeit vorausgesetzt werden, da alle hier über den
Körper übertragenen
Signalströme sehr
klein sind (im Bereich < 1 μA).
-
Die
Nutzung der elektrischen Eigenschaften des Körpers zur Übertragung von Datensignalen wurde
schon 1984 realisiert (
GB 2 129
176 ). Eine Untersuchung der damit verbundenen Probleme
erfolgte 1995 am MIT im Rahmen einer Master Thesis von T.G.Zimmerman
(T.G. Zimmerman: Personal Area Networks (PAN): Near-Field Intra-
Body Communication, M.S.thesis, MIT Media Laboratory, Cambridge, MA,
9/1995).
-
Ausgehend
von der Verteilung des elektrischen Feldes eines Körpers entwickelte
Zimmerman ein Modell eines Übertragungssystems,
mit dem von einem Generator durch kapazitive Kopplung über den
Körper
Daten zu einem Empfänger
gesendet werden können.
Er nannte es daher „Personal
Area Network (PAN).
-
Für verschiedene
Anwendungen dieser neuartigen Technologie wurde eine Reihe von US-Patenten
angemeldet, z.B. in E. R. Post et al.: Method and Apparatus for
Transbody Transmission of Power and Information, US Patent 6.211.799
B1, 11/1997, sowie J. E. Brooks: Keyless Entry System, US Patent 5.204.672,
1/1991. Empirische Messungen unter verschiedenen Einkopplungsbedingungen
wurden in K. Partridge et al.: Empirical Measurements of Intrabody Communication
Performance under Varied Physical Configurations, Vortrag an der
Stanford University, 26.2.2003 durchgeführt. Gegenstand dieser Thematik
war auch eine Bachelor Thesis (Honours) an der Universität von Queensland
mit dem Ziel, elektronische Geräte über den
Körper
zu vernetzen („Body Net
Technology").
-
Allen
neueren Arbeiten gemeinsam ist das Prinzip, auf der Senderseite
mittels einer Elektrode das zu übertragende
Signal kapazitiv in den Körper einzukoppeln
und ebenso empfangsseitig auszukoppeln.
-
Der
Rückweg
des Stromkreises wird dabei durch die Erdkapazitäten von Sender und Empfänger oder
durch direkte kapazitive Kopplung zwischen den Masse-Elektroden gebildet,
wie in 3 dargestellt.
-
Im
Unterschied zu einer Funkübertragung mit
elektromagnetischen Wellen wird hierbei das elektrische Feld mit
einer sehr begrenzten Reichweite von einigen Dezimetern genutzt,
mit dem Vorteil einer praktisch leistungslosen Übertragung. Die Ursache hierfür liegt
in der Verwendung relativ niedriger Trägerfrequenzen von einigen hundert
Kilohertz, die zu quasistatischen Feldern führen.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen bereitzustellen, die
es ermöglichen,
auf Grundlage des vorangehend beschriebenen physikalischen Wechselwirkungsprinzips über den
Körper
einer Person, insbesondere Anwenders dieser Technik, einen hinreichend
zuverlässigen
Signaltransfer unter einem geringem senderseitigen Energieverbrauch
zu ermöglichen.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zur Durchführung
eines Signaltransfer über
einen belebten Körper
auf Grundlage kapazitiver Wechselwirkungseffekte, bei welchem senderseitig
ein zu übertragendes
Signal nach Maßgabe
senderseitig anliegender Informationsinhalte generiert und durch
eine Elektrodeneinrichtung kapazitiv in den Körper eingekoppelt wird, wobei
das Signal derart generiert wird, dass dieses durch Pausenabschnitte
voneinander getrennte Datensequenzen umfasst, wobei die Informationsinhalte
durch Modulation eines Trägers
innerhalb der jeweiligen Datensequenz in den Körper eingekoppelt werden.
-
Dadurch
wird es auf vorteilhafte Weise möglich,
den zur Übertragung
des Informationsinhalts erforderlichen Leistungsbedarf zu verringern,
wobei innerhalb der Datensequenzen der Informationsinhalt in einem
vorteilhaft auf das Übertragungsverhalten des
Anwenders abgestimmten Hochfrequenzbereich übertragen werden kann.
-
Vorzugsweise
ist das zeitliche Verhältnis
der Datensequenzlänge
zur Zeitdauer des Pausenabschnitts kleiner als 0,05, insbesondere
kleiner als 0,01.
-
Es
ist in vorteilhafter Weise möglich,
das zeitliche Verhältnis
der Datensequenzlänge
zur Zeitdauer des Pausenabschnitts in Abhängigkeit von der zu übertragenden
Informationsmenge abzustimmen.
-
Die
Informationsinhalte werden gemäß einem
besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung innerhalb der Datensequenzen
durch Modulation des Trägers
nach Maßgabe
eines QPSK-Verfahrens in den Körper
eingekoppelt.
-
Es
ist auch möglich,
zur Signaleinkoppelung mehrere, vorzugsweise drei diskrete Elektrodeneinrichtungen
vorzusehen. Die an die erste Elektrodeneinrichtung angelegte Spannung
kann hierbei die Inphasenkomponente des modulierten Trägers darstellen.
Die an der zweiten Elektrodeneinrichtung anliegende Spannung entspricht
in ihrem zeitlichen Verlauf der Quadraturkomponente des modulierten
Trägers.
Die an der dritten Elektrodeneinrichtung anliegende Spannung entspricht
in ihrem zeitlichen Verlauf dem unmodulierten Träger.
-
Die
Informationsinhalte können
alternativ zu der vorangehend genannten Variante mit drei diskreten
Elektrodeneinrichtungen auch über
eine gemeinsame Einkoppelungselektrodeneinrichtung in den Körper eingekoppelt
werden. Vorzugsweise liegt an dieser gemeinsamen Einkoppelungselektrodeneinrichtung
neben der Inphasenkomponente und der Quadraturkomponente auch der
Träger
an.
-
Vorzugsweise
wird die Trägerfrequenz
auf einen Wert festgelegt, der eine hohe Übertragungsqualität bei den
mit statistisch hoher Wahrscheinlichkeit anzutreffenden Übertragungseigenschaften
eines typischen Anwenders liefert. Weiterhin ist die Frequenz des
Träger
vorzugsweise derart abgestimmt, dass diese einen möglichst
großen
Abstand zu den im jeweiligen Anwendungsfall auftretenden Störfrequenzen
hat.
-
Es
ist möglich,
das Sendesystem so zu konfigurieren, dass die Trägerfrequenz auf die Übertragungseigenschaften
des Anwenders abgestimmt wird.
-
Vorzugsweise
liegt die Trägerfrequenz
im Bereich von 100 kHz bis 500 kHz.
-
Die
eingangs angegebene Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung auch gelöst
durch eine Sendereinrichtung zur Einkoppelung eines Signals in eine
Person bzw. Anwender auf Grundlage des vorangehend angegebenen Verfahrens
-
Diese
Sendeeinrichtung weist vorzugsweise wenigstens eine Elektrodeneinrichtung
auf, an welcher die Inphasenkomponenete, die Quadraturkomponente
und vorzugsweise auch der Träger
eines durch QPSK-Modulation
generierten Signals anliegt.
-
Die
Sendeeinrichtung kann auch drei, der Quadraturkomponenete, der Inphasenkomponente und
dem Träger
jeweils zugeordnete Elektrodeneinrichtungen aufweisen.
-
Die
Sendeeinrichtung ist vorzugsweise einschließlich ihrer Elektrodeneinrichtungen
in einen kartenartigen Grundkörper
oder einen am Körper oder
in der Kleidung/Tasche eines Anwenders oder anderweitig an dem,
oder durch den Anwender tragbaren Artikel (Uhr, Mobilphone, PDA;
(wearable items)) integriert.
-
Die
Sendeeinrichtung ist vorzugsweise mit einer Spannungsversorgungseinheit,
beispielsweise in Form einer Batterie (Flachbatterie) und/oder eines Kondensators
(z.B. Gold Cap), und/oder Solarzelle versehen.
-
Die
Erfindung richtet sich auch auf eine Empfangseinrichtung zum Empfang
eines Signals, das nach Maßgabe
des vorangehend beschriebenen Modulationsverfahrens generiert, oder
durch die vorangehend beschriebenen Sendeeinrichtung in eine Person/Anwender
eingekoppelt wurde.
-
Weitere
Informationen zum physikalischen Hintergrund, sowie Einzelheiten
und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
-
1 eine
Ersatzschaltung des Körperwiderstands;
-
2 ein Übertragungsmodell
des Körpers
-
3 ein
Körperübertragungssystem
-
4 die
Struktur des Senders
-
5 eine
weitere Abblidung zur Struktur des Senders
-
Das
erfindungsgemäß vorgeschlagene
lineare Modulationserfahren QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)-Modulation
ermöglicht
im vorliegenden Fall eine Datenübertragung über den
Körper
mit folgenden Vorteilen:
- 1. Höchste Bandbreiteneffizienz
(Bitrate/pro Hz Bandbreite)
- 2. BER-Wert (Bit/Error Rate) bei vergleichbarem S/N wesentlich
geringer z.B. bei S/N= 10 dB um ca. Faktor 100 [9]
- 3. Hierdurch Möglichkeit,
den Strombedarf des Senders zu reduzieren
-
Ein
wesentlicher Vorteil der vorangehend beschriebenen Anwendungsform
der QPSK-Modulation besteht im vorliegenden Fall darin, dass empfangsseitig
ein synchroner Träger
zur Demodulation verfügbar
ist, der aus dem ankommenden Signal ohne Bedarf nach einer schaltungstechnisch
aufwendigen Costasschleife regeneriert werden. Durch das erfindungsgemäße Konzept
wird es möglich,
den Informationstransfer sowohl senderseitig, als auch empfängerseitig
durch kostengünstig
realisierbare und insbesondere senderseitig nur einen geringen Leistungsbezug
verursachende Schaltungsstrukturen abzuwickeln. Dies ist ein für die praktische
Anwendung sehr wichtiger Gesichtspunkt, insbesondere dann, wenn
der Sender auf einer flachen „smart card„ in Kreditkarten-größe realisiert
wird. Je geringer die Anzahl der für die Funktion des Datengenerators und
des Modulators notwendigen Bauteile ist, umso geringer sind der
Strombedarf und die Herstellungskosten.
-
Das
vorgeschlagene Konzept wird anhand von 4 näher erläutert.
-
Die
Inphasen-, die Quadraturkomponente sowie der Träger können, wie dargestellt auf eine
gemeinsame Elektrodeneinrichtung gespeist werden. Um die Struktur
des Senders besonders einfach zu halten, werden die für die QPSK
notwendigen Inphasen-und Quadraturkomponenten des Trägers getrennt
mittels eines Microcontrollers erzeugt und direkt über ein
LC-Netzwerk auf die gemeinsame, oder – alternativ hierzu- auf getrennte
Signalelektroden gespeist. Als weiteres Signal wird der (unmodulierte) Träger jener
gemeinsamen – oder
einer dritten Signalelektrode zugeführt. Die Addition der beiden
Signalkomponenten sowie des Trägers
erfolgt bei Verwendung getrennter Elektroden, im Körper des
Anwenders, spätestens
am Eingang der Signalelektrode des Vorverstärkers durch die beschriebene
kapazitive Kopplung.
-
Durch
die beschriebenen Maßnahmen
wird einmal die Struktur des Senders besonders einfach und zum anderen
erhält
man empfangsseitig den notwendigen Träger für die Synchrondemodulation
der I-und Q-Komponenten, die vorzugsweise über zwei Komparatoren und Stufen
mit jeweils einer EXOR-Funktion
und anschließender
Tiefpassfilterung realisiert wird. Die EXOR-Funktionen liefern dabei die für die Synchrondemodulation
notwendige Multiplikation mit den beiden orthogonalen Trägern, die mittels
einer PLL und einer 90° Phasenverschiebung gewonnen
werden können.
Nach Pegelwandlung mit zwei weiteren Komparatoren werden die übertragenen
Datensignale der I-und
Q-Komponenten in einem Microcontroller decodiert. Vorzugsweise sperrt ein
von der PLL geliefertes Lock-Detect-Signal bei Unterbrechung der Übertragung
stromsparend den gesamten Decodierprozess.
-
Das
QPSK-System ist vorzugsweise so konzipiert, dass empfangsseitig
bei Verwendung moderner Microcontroller, alle notwendigen analogen
und digitalen Funktionen zur Decodierung der Daten in einem einzigen
Controller -IC realisiert werden können (eventuell auch mit DSP),
wodurch der Hardwareaufwand und die Produktionskosten auf ein Minimum sinken.
Der für
den Strombedarf des Senders wesentliche Vorteil der QPSK-Methode
gegenüber
herkömmlichen
Modulationsverfahren liegt darin, dass bei vergleichbarer Trägeramplitude
die über
das LC-Netzwerk übertragbare
Bitrate bei hoher Störsicherheit
deutlich höher
sein kann, und dadurch bei einem gepulsten Betrieb die Strombelastung
der Batterie gering ist.
-
Das
erfindungsgemäße System
zeichnet sich durch eine hohe Störsicherheit
für die Übertragung
von Daten über
den Körper
mit gleichzeitig kostengünstiger Herstellung
sowohl des Senders als auch des Empfängers in einem Produktionsprozess aus.
-
Da
es bei der Datenübertragung über den Körper zu
starken Störeinflüssen entweder über den als
Antenne wirkendenden Körper
selbst oder bei Anwendungen in Arbeitsmaschinen durch Eigenstörungen kommen
kann, erfolgt vorzugsweise neben der Wahl eines störunempfindlichen
Modulationsverfahrens auch eine zusätzliche Sicherung durch eine
Kanalcodierung bei kritischen Anwendungsfällen.
-
Im
Falle der Körperübertragung
wird vorzugsweise ein fehlerkorrigierendes Verfahren gewählt, so
dass auf einen, (bei fehlererkennenden Verfahren erforderlichen)
Rückkanal
verzichtet werden kann. Das Codierungsverfahren wird vorzugsweise auf
den Charakter etwaiger zu erwartender Störungen abgestimmt.
-
In
vorteilhafter Weise wird im Übertragungsprotokoll
von vornherein zunächst
eine Coderedundanz von beispielsweise 50% vorgesehen, die dann aufgrund
der in praktischen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse mit einer
angepassten Codierung auch verringert werden kann. Als erster Schritt zur
Einführung
einer Kanalcodierung mit Fehlerkorrektur kann eine Blocksicherung
mit Paritätsprüfung (VRC/LRC-Codierung)
verwendet werden, wodurch sich die Codewortlänge verdoppelt. Hierdurch können mit
einem sehr einfachen Algorithmus Einfachfehler im Codewort korrigiert
werden, wodurch die Restfehlerwahrscheinlichkeit für eine Bitverfälschung um
ca. 103 verbessert wird.
-
Es
ist auch möglich,
Kanalcodierungen, wie z.B. ein RS(Reed-Solomon) – Code zu implementieren, mit
dem insbesondere kurzzeitig auftretende Störungen (Burstfehler) wirksam
korrigierbar sind.
-
Durch
das erfindungsgemäße Verfahren,
bei welchem der modulierte Träger
im Burstbetrieb gesendet wird, wird es möglich, auch mit kompakten Batterieeinrichtungen
eine relativ lange Betriebsdauer von ca. 1 bis 2 Jahren einer batteriebetriebenen Sendereinrichtung
zu erreichen. Der Energieverbrauch wird umso geringer, je kürzer die
verwendete Codewortlänge,
bzw. je höher
die erreichbare Bitrate ist, für
die ein Wert von ca. 20kbit/s vorgeschlagen wird. Bei einer Burstwiederholdauer
von 200 ms lassen sich dann bei einem Tastverhältnis von 1:100 Codewörter mit
40 bit (inclusive Kanal-codierung!) übertragen.
-
Der
Sender kann insbesondere auf einer flachen Karte („smart
card„)
in der Größe einer
Kreditkarte aufgebaut sein. Außer
dem bereits diskutierten Batterieproblem ist besonders die genaue
Struktur der Signalelektroden und des LC- Netzwerkes wichtig, entsprechend
dem in 5 dargestellten Grundprinzip
-
Um
hier Bauteiltoleranzen besonders der Induktivität (typisch +/– 5%) hinreichend
Rechnung zu tragen ist es in vorteilhafter Weise möglich, diese Grundstruktur
derart zu modifizieren, dass bei gleich großer Sendespannung eine höhere Bandbreite
des LC-Netzwerkes ohne Verringerung des Gütewertes erreicht wird, um
den Einfluss dieser Toleranzen zu vermindern. Die Festlegung der
Struktur und Größe der Signalelektroden
kann empirisch in Verbindung mit Untersuchungen bezüglich einer
optimalen Ein- und Auskoppelung der Signale über den Körper erfolgen, da die von den
Elektroden erzeugte Verteilung des elektrischen Feldes wesentlich
die Signalamplitude am Empfänger
bestimmt.
-
Bei
körpernah
zu tragenden Karten, z.B. Identifikations- oder Kreditkarten sowie
Karten für keyless-access
Systeme, erstrecken sich die Elektroden vorzugsweise über den überwiegenden
Teil einer Hauptfläche
des Kartenelementes.