Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ функционирования систем суточного мониторинга работы сердца 16
1.1 Предпосылки создания системы суточного мониторинга ЧСС 16
1.2 Основные принципы конфигурирования элементов суточного мониторинга работы сердца 20
1.3 Современные технологии беспроводной передачи информации 26
1.3.1 Системы передачи информации на основе индуктивной связи 27
1.3.2 Технологии беспроводных сетей 29
1.3.3 Системы передачи информации ISM диапазонов 433 МГц и 869МГц 36
1.4 Экологическая безопасность использования беспроводных технологий при суточном мониторинге работы сердца 39
1.5 Сопоставительный анализ возможных способов
беспроводной передачи биомедицинских данных 46
Выводы по главе 1 48
ГЛАВА 2. Теоретические предпосылки создания беспроводной системы суточного мониторинга работы сердца на основе технологии индуктивной связи 50
2.1 Особенности регистрации частоты сердечных сокращений 50
2.1 Типовой вариант реализации беспроводной системы суточного мониторинга ЧСС на основе индуктивной связи 60
2.2 Требования, накладываемые на беспроводную систему передачи сигнала ЧСС 64
2.3 Анализ возможных вариантов реализации передающего модуля и приемного устройства системы суточного мониторинга Выводы по главе 2 79
ГЛАВА 3. Исследование и оценка эффективности функционирования индуктивной системы передачи данных 82
3.1 Оценка параметров передающей и приемной антенн 82
3.2 Моделирование индуктивного взаимодействия передающей и приемной ферритовых антенн 89
3.3 Особенности компьютерного моделирования беспроводной системы индуктивной связи 91
3.4 Моделирование переходных процессов, возникающих в передающей и приемной антеннах 95
3.5 Анализ установившегося сигнала в передающем и приемном модуле системы суточного мониторинга ЧСС 99
Выводы по главе 3 102
IV. Эксперименалъное исследование особенностей функционирования системы передачи данных на основе индуктивной связи 104
4.1 Экспериментальное исследование селекции кардиоцикла методом дублирования сигнала 104
4.2 Расчет и моделирование варианта аппаратной реализации системы беспроводной передачи биомедицинской информации 108
4.2.1 Исследование характеристик передающего модуля на основе данных компьютерного моделирования 110
4.2.2 Исследование характеристик активного фильтра приемного устройства на основе данных компьютерного моделирования 115
4.3 Исследование особенностей конструктивной реализации передающего модуля и приемного устройства системы суточного мониторинга частоты сердечных сокращений 118
4.4 Экспериментальное исследование реализации целевой функции и функционирования опытного образца передающего модуляи приемного устройства 121
Выводы по главе 4 128
Основные результаты работы 130
Список литературы
- Технологии беспроводных сетей
- Типовой вариант реализации беспроводной системы суточного мониторинга ЧСС на основе индуктивной связи
- Особенности компьютерного моделирования беспроводной системы индуктивной связи
- Исследование характеристик активного фильтра приемного устройства на основе данных компьютерного моделирования
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время сердечнососудистые заболевания занимают первое место в структуре общей заболеваемости населения как в России, так и за рубежом. По данным Всемирной организации здравоохранения около 30% населения мира и 42 % европейского умирают от сердечнососудистых заболеваний. Поэтому в медицине уделяется большое внимание методам и средствам ранней функциональной диагностики состояния сердечнососудистой системы (ССС) человека. С этой целью, в современной медицинской практике широко используются индивидуальные переносные измерительные комплексы регистрации и анализа ЭКГ в течение длительного времени. Такие комплексы позволяют регистрировать кратковременные нарушения в работе сердца в реальных условиях жизнедеятельности человека. Наиболее распространенными комплексами такого типа являются суточные мониторы ЭКГ Холтера.
Основными недостатками Холтеровских мониторов являются неудобство длительного ношения системы суточной регистрации ЭКГ и относительно высокая стоимость информационно-измерительного комплекса. К тому же, использование таких комплексов часто бывает неоправданным из-за функциональной избыточности регистрируемых параметров. В некоторых случаях, более дешевой и менее функционально-избыточной альтернативой использования суточных мониторов ЭКГ может служить применение персональных регистрирующих комплексов суточного мониторинга частоты сердечных сокращений (ЧСС), которая, как известно, является индикатором функционирования сердечной деятельности.
Областями применения суточной регистрации ЧСС являются: контроль состояния больного в кардиологических отделениях после пребывания в палате реанимации, профилактическая и спортивная медицина, медицина катастроф и
др.
Наличие множества задач, связанных с необходимостью организации
функционального контроля состояния сердца определяет актуальность
проведения исследования возможных способов реализации системы суточного
мониторинга ЧСС на основе применения беспроводных технологий передачи
данных, способствующих совершенствованию приборного и
инструментального развития современных медицинских технологий, обеспечению объективизации получаемых данных.
Беспроводная передача информации в системах контроля состояния сердечнососудистой системы может осуществляться с помощью таких современных технологий как: Bluetooth, Zigbee, Wi-Fi, индуктивная связь. Выбор того или иного решения зависит от многих факторов: дистанции связи, целевого назначения системы мониторинга ССС, предполагаемой помеховой
обстановки, длительности регистрации, а также стоимости измерительного комплекса и др.
Вопросам, связанным с методами беспроводной передачи биомедицинской информации посвящены труды отечественных и зарубежных ученых, в т.ч. В.И. Яздовского, О.Г. Газенко, Б.Г. Буйлова, В.В. Ларина, В.В. Розенблата, З.И. Янушкевичуса, Э.Ш. Халфена, Н. Дж. Холтера, Р. Меррелла и др. Однако, несмотря на большой объем исследований в этой области, еще остается множество нерешенных проблем, например, снижение энергопотребления, уменьшение вредного воздействия радиоволн, обеспечение электромагнитной совместимости с другими средствами радиосвязи.
В настоящее время задача передачи данных о состоянии сердечнососудистой системы от пациента к специалисту, находящемуся в удаленном медицинском центре, на большое расстояние решена посредством использования телефонных линий связи. Также решена проблема передачи кардиологической информации при помощи беспроводных устройств на расстояние, измеряющееся десятками метров до беспроводной точки доступа, подключенной к сети Интернет, по которой далее происходит передача данных в медицинский пункт.
Одним из главных недостатков проводных систем суточного мониторинга состояния ССС является наличие проводников, идущих от сенсоров к регистрирующему блоку, что неудобно для длительного ношения. Кроме того, существует опасность ухудшения или разрыва контакта сенсор-тело, а также возможность неадекватной регистрации сердечной деятельности вследствие повышенной нервной возбудимости и обеспокоенности человека за надежность контактов тело-сенсор.
Указанные недостатки определяют актуальность исследований возможных способов мониторинга ССС и средств его обеспечения на основе применения беспроводной связи ближнего действия.
Целью диссертационной работы является разработка метода и устройства беспроводной связи ближнего действия для системы суточного мониторинга функционального состояния сердца человека. Для достижения указанной цели в диссертации решены следующие задачи:
Исследованы методы мониторинга работы сердца человека.
Разработана аппаратура беспроводной связи ближнего действия для систем суточного мониторинга ЧСС.
Проведено моделирование системы суточного мониторинга работы сердца.
Экспериментально исследованы разработанные устройства.
Методы исследования. Поставленные задачи решались путем теоретических исследований с последующей разработкой и изготовлением экспериментальных макетов и их проверкой. В работе использованы методы системного анализа, теории биотехнических систем, теории связи и теории эксперимента. Широко
применялось компьютерное моделирование на основе программных продуктов
Ansys, Matlab, Mathcad, Eagle и Multisim.
Научная новизна работы заключается в том, что:
Доказана эффективность применения в системе суточного мониторинга функционального состояния сердца человека беспроводной технологии на основе индуктивной связи между предлагаемыми передающим и приемным модулями.
На основании анализа помех, возникающих в системах суточного мониторинга, выбран и экспериментально исследован метод дублирования сигнала, показавший свою устойчивость к помехам, связанным с активными движениями человека.
Разработана модель индуктивного взаимодействия передающего и приемного устройств беспроводной связи ближнего действия.
Практическая значимость работы.
Предложенный метод дублирования сигнала обеспечивает вероятность правильного обнаружения на 26% выше вероятности правильного обнаружения, обеспечиваемой применяемым методом двойного дифференцирования.
Предложено схемное решение и энергосберегающая реализация (7мВт) передающего модуля для интервалов радиосвязи до 35 см.
Разработана компьютерная модель индуктивной антенны, позволяющая исследовать распространение электромагнитного поля и передачу данных в линиях связи менее метра.
Основные положения, выносимые на защиту.
Результаты исследования индуктивного взаимодействия передающей и приемной ферритовых антенн для беспроводной связи ближнего действия.
Результаты экспериментальных исследований методов селекции кардиоцикла.
Разработанные передающий и приемный модули системы суточного мониторинга ЧСС на основе индуктивной связи и результаты их исследований.
Реализация результатов работы. Результаты исследования используются в ОАО «Владимирское КБ радиосвязи», г. Владимир, а также внедрены в учебный процесс кафедр «Биомедицинская инженерия» и «Радиотехника и радиосистемы» ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», что подтверждается актами о внедрении и использовании научных и практических результатов диссертации.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4 региональных и международных конференциях.
По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК и 4 в трудах научных конференций.
Работа выполнялась автором в рамках договора о сотрудничестве между Владимирским государственным университетом имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых и Фраунгоферовским институтом интегральных схем (г. Эрланген, Германия), а также по гранту международной программы «Михаил Ломоносов».
Публикации и личный вклад автора. Личный вклад автора определяется разработкой методики беспроводного мониторинга ЧСС, исследованием путей реализации и синтеза системы суточного мониторинга, получением экспериментальных результатов и их анализом.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка используемой литературы, включающего 121 наименование, четырех приложений, изложена на 169 страницах машинописного текста, в том числе 133 страниц основного текста, 13 страниц списка литературы и 23 страниц приложений.
Технологии беспроводных сетей
Согласно результатам социально-гигиенического мониторинга в Российской Федерации, в 2010 году смертность от сердечнососудистых заболеваний занимает первое место [25]. В связи с этим раннее обнаружение опасных для жизни изменений в сердечнососудистой системе человека одна из наиболее важных медицинских задач последнего десятилетия.
Одним из возможных вариантов решения этой задачи является применение дистанционной кардиологии и систем суточного мониторинга ЭКГ (ЧСС).
В последние годы медицинские задачи дистанционной кардиологии перешли в разряд телемедицины. Речь идет об индивидуальной удаленной связи пациента и кардиолога, в рамках которой возможна не только передача или мониторирование ЭКГ на расстоянии, но и непосредственный визуальный контакт обследуемого и врача. В этом случае, для связи используются Интернет-технологии, на основе которых также строятся региональные информационные сети здравоохранения [38].
Необходимость разработки и создания таких систем обусловлена преимуществами, которые они обеспечивают, а именно: объективизация анализа ЭКГ, улучшение качества документации, экономия времени врачей и лаборантов, возможность широкого использования опыта специалистов ведущих медицинских центров и учреждений и создания объединенных архивов данных и многие другие преимущества.
В качестве примера можно привести европейский проект OEDIPE (Open European Data Interchange & Processing for Electrocardiography), который предусматривает создание системы ЭКГ on-line с охватом всего населения Европы [101].
Анализ литературы показывает, что в практической медицине все более остро встает вопрос о создании единых международных стандартов обмена медицинскими данными. Существует множество различных медицинских стандартов: ASTM, ASC Х12, IEEE/MEDIX, NCPDP, HL7, DICOM и т.п, каждый из которых имеет определенную специализацию. Так, стандарт DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) [49] - определяет информационную модель, протокол связи и формат файла для записи. DICOM дополнен тридцатью видами сигналов, которые могут быть использованы в обмене различной медицинской информацией, в том числе ЭКГ [67].
Постоянное развитие технических средств связи и телекоммуникаций, успехи в развитии микроэлектроники позволили существенно уменьшить габариты, создать надежные и достаточно дешевые устройства аналоговой передачи ЭКГ по телефону [56]. В настоящее время на базе аналоговых устройств дистанционной диагностики ЭКГ функционирует большое количество центров по всему миру. Однако принципиальные ограничения аналогового метода (последовательная передача сигналов, недостаточная точность, низкая помехоустойчивость) сохраняются.
Известным способом преодоления рассмотренных выше технических недостатков является переход на цифровые технологии. Ведущими производителями медицинского оборудования выпускаются цифровые телекоммуникационные комплексы съема, передачи и визуализации ЭКГ на основе удаленной передачи с помощью модема. Предпосылкой разработки таких комплексов стали новые математические методы описания сигналов, позволившие создать цифровые процессоры, быстродействие которых оказалось достаточным для решения данной технической задачи исключительно цифровым способом [17]. Анализ литературы показывает, что в настоящее время развитие цифровых телекоммуникационных систем медицинского назначения идет по пути применения беспроводной связи. Например, существуют комплексы, в которых реализована беспроводная связь между блоком съема ЭКГ и персональным компьютером (ПК), выполняющим функцию обработки, хранения, и дальнейшей передачи ЭКГ данных при помощи модема в медицинский пункт [102].
Возможности современной цифровой техники и цифровых каналов связи позволяют реализовать прямое мониторирование ЭКГ при наличии компьютера в непосредственной близости от объекта съема. В связи с этими возникает возможность не только дистанционного анализа ЭКГ, но и дистанционного слежения за динамикой ЭКГ, что решающим образом повышает возможности оперативной объективной и достоверной диагностики.
Известно, что частота сердечных сокращений (ЧСС) является индикатором функционирования сердечной деятельности. Поэтому в ряде случаев, контроль функционирования сердечной деятельности осуществляется с помощью мониторинга ЧСС.
Примерами такого мониторинга являются: 1. Профилактическая и спортивная медицина - контроль пульса (как в течении непродолжительного времени, например у легкоатлетов, так и в течении длительного времени) [7]. 2. Контроль состояния больного в кардиологических отделениях после пребывания в палате реанимации. Проверка адекватности физических нагрузок. Анализ вариабельности сердечного ритма. 3. Медицина катастроф. Для контроля жизненной активности организма людей в чрезвычайных ситуациях (определение потребности в оказании экстренной медицинской помощи).
В медицинской практике анализ ЧСС часто используется для контроля состояния кардиобольного [26]. Например, анализ вариабельности ритма сердца, представляющей собой изменение частоты сердечных сокращений или длительности последовательных R-R-интервалов, используется для количественной неинвазивнои оценки уровня вегетативной иннервации деятельности сердца. Вариабельность синусового ритма отражает степень выраженности синусовой аритмии [9,2,4].
В последние годы получает распространение методика вариационной пульсометрии, дающая важную информацию о степени активности регуляции в вегетативной нервной системе и выраженности адаптационных реакций организма [23]. Сущность этой методики заключается в математическом анализе ритма сердца, основанной на применении статистических оценок выборки динамического ряда значений длительности R-R-интервалов (кардиоинтервалов) [17, 27].
Другим примером использования данных ЧСС является контроль пароксизмальной фибрилляции предсердий [1]. В [84] особо отмечается необходимость суточного мониторирования ЧСС для контроля состояния больного, особенно во время подбора лекарственного препарата при лечении сердечных заболеваний.
Ориентация государства на повышение качества медицинского обеспечения в учреждениях начального и среднего образования подразумевает контроль состояния здоровья школьников. Использование системы суточного мониторинга ЧСС позволит эффективно выявлять ранние функциональные нарушения в сердечнососудистой системе подростков на ранней стадии заболевания, а также определить допустимые физические нагрузки при занятиях спортом.
Типовой вариант реализации беспроводной системы суточного мониторинга ЧСС на основе индуктивной связи
Рассмотренная выше типовая структурная схема беспроводной системы связи с учетом сформулированных технических требований требует некоторой модификации с учетом использования в ней индуктивной связи.
Для повышения помехоустойчивости системы связи часто используют кодирование [21]. Необходимость применения кодирования при беспроводной передаче данных определяется качеством канала связи. Так, в каналах с замираниями используют кодирование Хэмминга, Рида-Солломона и др. Их работа основана на использовании для исправления ошибочных битов избыточности [15]. При использовании индуктивной связи на коротком расстоянии канал связи представляет собой канал связи без замираний. Следовательно, введение в схему системы связи кодера и декодера не приведет к значительному повышению качества передачи ЧСС данных, а только приведет к повышению потребляемой мощности передающего и приемного устройств.
Выбор типа модуляции. Как известно, тип модуляции определяет помехоустойчивость системы связи, ширину спектра передаваемого сигнала, а также максимальную пропускную способность канала связи [41].
Выбор типа модуляции определяется техническими требованиями, накладываемые на приемо-передающую систему, а также особенностями передаваемого сигнала, формируемого микросхемой регистрации ЧСС PECG-01T. Сигнал на выходе микросхемы PECG-01T представляет собой последовательность импульсов.
Наиболее предпочтительными типами модуляции, применительно к системам передачи данных на основе индуктивной связи являются производные амплитудно-импульсной модуляции, частотно-импульсной модуляции, фазо-импульсной модуляции и относительной фазовой телеграфии - подробнее рассматриваются ниже.
Для экономии энергии, при реализации амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) целесообразно использовать уже использующийся для тактирования микросхемы генератор прямоугольных импульсов. Как известно, для достижения малых искажений при передаче информации частота модулирующего сигнала должна быть более чем в 10 раз ниже частоты модулируемого высокочастотного сигнала (чем больше разница между несущей и информационной частотой, тем ниже искажения). Поэтому целесообразно использовать генератор на 128кГц, так как в данном случае несущее колебание является не синусоидальным, а прямоугольным (меандром), и, следовательно, смеситель информационного и несущего сигналов может быть логическим элементом. Применение логического элемента AND позволяет реализовать амплитудно-импульсную модуляцию. Реализация частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) подразумевает использование двух генераторов, работающих на разных частотах. Возможно использование общего с микросхемой PECG-01T генератора. Для исключения второго генератора целесообразно использовать схему умножителя (делителя) частоты, например на 2. Тогда один генератор будет работать на частоте 128 КГц, а второй на частоте 256КГц.
Из-за особенностей использования индуктивной связи - резонансный контур индуктивной антенны имеет очень узкую полосу пропускания, применение частотной манипуляции нецелесообразно.
Главным достоинством фазо-импульсной модуляции (ФИМ), как известно, является высокая помехоустойчивость. Спектр же выходного сигнала является бесконечным и требует ограничения при помощи полосового фильтра [33]. Реализация фильтра в передающем модуле может существенно увеличить ток потребления. Главным недостатком применения фазовой манипуляции является сложность приемного устройства.
В радиовещательных системах фазовый демодулятор обычно выполняется на базе готовых микросхем фазовой автоподстройки частоты, дополнительных фильтров, схем умножения и деления на 2.
Однако в низкочастотном диапазоне готовых микросхем-приемников, на рынке не представлено. Реализация приемника с использованием дискретных элементов сильно увеличит его размеры и вес. К тому же из-за случайных искажений радиосигнала может иметь место неопределенность фазы восстановленной несущей, что является причиной так называемой обратной работы, при которой двоичные посылки принимаются за "негатив".
В отличии от обычной фазовой манипуляции относительная фазо-импульсная телеграфия (ОФТ) [24] может быть реализована как корреляционным так и автокорреляционным методом [28]. Автокорреляционный метод позволяет осуществить демодуляцию ОФТ сигнал без использования системы фазовой автоподстройки частоты. При передаче информации кодируется не сама фаза радиосигнала, а разность фаз (фазовый сдвиг) двух соседних радиоимпульсов. Правило кодирования при ОФТ приведено на рисунке 2.7. Здесь: 1— 1- скачок фазы; 1—»0 - нет скачка фазы; 0— 0 - нет скачка фазы; 0— 1- скачок фазы.
При этом, в передающем модуле в качестве кодера можно использовать элемент «Исключающее ИЛИ». В этом случае на один из входов подается информационный сигнал, а на другой - сигнал, задержанный на один информационный символ. Линию задержки можно реализовать на D-триггере. Непосредственно сам смеситель информационного и несущего колебаний может быть выполнен тоже на базе логического элемента. На рисунке 2.8 приведена структурная схема ОФТ модулятора.
Структурная схема ОФМ модулятора При ОФТ устраняется явление «Обратной работы». Этот вид модуляции имеет высокую помехоустойчивость (выше АИМ и ЧИМ). Приемник, сделанный по схеме «сравнения полярностей» обладает наивысшей помехоустойчивостью. Однако, в этом случае необходимо восстанавливать несущую.
Демодулятор ОФТ сигнала аналогичен фазовому модулятору. Только в этом случае поступивший сигнал сначала задерживается, а потом перемножается с принятым. Однако, реализация аналоговой линии задержки представляет сложную техническую задачу. Аналоговая линия задержки имеет очень большие габариты и не применима в носимых устройствах. Другим, подходящим вариантом реализации демодулятора ОФТ может быть его реализация на базе цифровой схемотехники. Такое решение требует применения АЦП высокого разрешения (16 бит).
В таблице 2.6 приведена сравнительная характеристика рассмотренных видов модуляции для применения в системе беспроводной суточной регистрации ЧСС.
Анализ достоинств и недостатков, приведенных в таблице 2.6, показывает, что АИМ при не высокой помехоустойчивости, обладает весьма важными преимуществами и наилучшим образом подходит для использования в макете приемо-передающей системы. Использование ЧИМ и ФИМ неизбежно приведет к значительному повышению потребления тока потребления передающего модуля, что является критичным.
Например, использование ФИМ требует использования системы фазовой автоподстройки частоты, реализация которой в приемном устройстве существенно повысит его энергопотребление. Помехоустойчивость при использовании АИМ можно повысить путем применения на приемной стороне полосового фильтра с высокой крутизной АЧХ.
Особенности компьютерного моделирования беспроводной системы индуктивной связи
В главе 2, было отмечено, что особенности формирования сигнала в передающем модуле ставят задачу исследования отклика сигнала, передающегося в эфир передающим модулем на приемной стороне. Поэтому необходимо исследовать переходную характеристику принимаемого сигнала.
Как известно, анализ переходного процесса дает возможность оценить скорость установления того или иного параметра после момента коммутации.
В случае моделирования параметров индуктивной приемо-передающей системы такими параметрами являются: напряжение и токи для передающей и приемной антенны.
Исходные данные для моделирования приведены в тексте программы-скрипта (приложение 2). В начале моделирования задается число периодов для расчета. В данном случае период разделен на 22 отрезка, что обеспечивает монотонный характер сигнала на выходе.
Результатом моделирования переходного процесса являются полученные данные мгновенных значений (реальная и мнимая компоненты) напряжения и тока в каждой из четырех катушек приемного устройства, а также получение мгновенных значений (реальная и мнимая компоненты) напряжения и тока в каждой из двух катушек передающего устройства. Сумма напряжений, наводимых на каждой из катушек передающего и приемного устройств, дает результирующую величину наводимого в передающей и приемной антенне напряжения. Ток в последовательно соединенных индуктивностях будет протекать одинаковый.
По полученным данным построена переходная характеристика -зависимость наводимого в приемной антенне напряжения от времени в начальный момент времени после коммутации (рисунок 3.7).
Для получения огибающей отклика на передаваемый сигнал построена зависимость наводимого в приемной антенне напряжения от времени, изображенная на рисунке 3.8. Построение производилось в пакете MathCAD 14. Зависимость наводимого напряжения на антенне приемного устройства от времени (огибающая) Построенная зависимость наводимого в приемной антенне напряжения от времени описывается следующими функциями fl(x) и f2(y): R - активное сопротивление обмотки магнитной ферритовой антенны, Ом; L - индуктивность магнитной ферритовой антенны, Гн; Е - амплитуда установившегося сигнала, В; т - длительность информационного сигнала (импульса), с х - время, с. Функция fl(x) описывает процесс накопления энергии индуктивной антенной, а функция 2(у) - ее разряд.
Таким образом, процесс установления сигнала на приемной стороне занимает 10-15 периодов несущего колебания.
Также по полученным данным построена переходная характеристика -зависимость наводимого в приемной антенне тока от времени в начальный момент времени после коммутации (рисунок 3.9).
Как видно из рисунков 3.7 и 3.9, за 9 периодов напряжение и ток на приемной стороне еще не устанавливаются, что может быть следствием использования ферритовых катушек с большими номиналами индуктивностей.
По полученным данным получена переходная характеристика -зависимость напряжения на катушках передающего устройства от времени в начальный момент времени после коммутации (рисунок 3.10).
По полученным данным построена переходная характеристика -зависимость тока в катушках передающего устройства от времени в начальный момент времени после коммутации (рисунок 3.11).
Зависимость изменения тока на катушках передающего модуля от времени Как видно из рисунков ЗЛО и 3.11, напряжение на катушках передающего модуля изменяется по закону, соответствующему АИМ-модулированному сигналу, а ток изменяется согласно закону накопления и траты энергии в индуктивностях.
Таким образом, при разработке детектора следует учитывать особенности принимаемого сигнала: затяжной фронт и спад, что связано с использованием в системе связи магнитных антенн с большими номиналами индуктивностей.
При проектировании приемных устройств одним из исходных параметров является чувствительность. Знание обеспечиваемой чувствительности приемного устройства определяет параметры и характеристики усилительного тракта и активного фильтра.
В данном случае необходимо определить наводимый в приемной антенне уровень напряжения в зависимости от дистанции связи. Данные, полученные в результате моделирования, позволят оценить уровень сигнала на входе приемного устройства. Также, анализ полученных данных должен дать ответ на вопрос об адекватности применения предполагаемой конфигурации, а именно, двух катушек в передающем устройстве и четырех - в приемном. Поэтому целью проведения анализа установившегося сигнала является определение наводимого на приемных катушках напряжения в зависимости от дистанции связи. Программа-скрипт для определения параметров установившегося сигнала приведена в приложении 3. В результате программа выдает файл со значениями напряжения (реальная и мнимая компоненты), наводимого в каждой из четырех магнитных катушек приемного устройства, а также их сумма в зависимости от дистанции связи. На основе полученных данных, построены зависимости наводимого в приемной антенне напряжения от дистанции связи (рисунок 3.12,3.13).
Исследование характеристик активного фильтра приемного устройства на основе данных компьютерного моделирования
Экспериментальные исследования показали, что передаваемый сигнал имеет высокочастотное заполнение с частотой 128 КГц, а влияние магнитной антенны на передаваемый сигнал весьма значительно, что проявляется ввиде искажения формы передаваемого сигнала.
Приемное устройство. Для оценки основных параметров функционирования приемного устройства: уровня наводимого напряжения (чувствительности), формы принимаемого сигнала приемной антенной, АЧХ полосового фильтра, и характеристик усилителя использовался изготовленный макет приемного устройства.
Предусилитель приемного устройства, имеет невысокий коэффициент усиления (G=4) во избежание усиления шумовой составляющей. Поэтому основное усиление должно производиться после фильтрации сигнала.
В третьей главе была обоснована необходимость разработки активного фильтра 6-го порядка, что определяется требованием достижения уровня чувствительности 200 мкВ. Следует отметить, что при проведении измерений в лаборатории отсутствовали источники сильного ЭМП.
Для подавления внеполосных помех в опытном образце используется полосовой фильтр 6-го порядка изготовленный по схеме Саллен-Ки. На рисунках 4.14 и 4.15 изображена АЧХ полосового фильтра, настроенного на частоту 128 КГц.
В ходе реализации активного фильтра 6-го порядка удалось достичь крутизны характеристики фильтра в 45 дБ/окт, при коэффициенте усиления 5. Полоса пропускания фильтра по уровню -3 ДБ равна 6 КГц, что является достаточным значением, для прохождения информационного сигнала без искажений. Реализация фильтра Саллена-Ки является удобной для построения единичного макетного образца. Для повышения стабильности, в серийном образце приемного устройства желательно использовать фильтр Рауха (с отрицательной обратной связью).
В главе 2 отмечалась необходимость исследования отклика системы передачи данных на передачу АИМ-модулированного информационного сигнала. Для оценки формы принимаемого сигнала во избежании искажений формы сигнала необходимо получить осциллограмму на небольшой дистанции связи. На рисунке 4.16 изображен сигнал, полученный на выходе усилителя, расположенного после полосового фильтра с G- 15 (см. рисунок 4.19) при расстоянии между передающим и приемным устройством 20см.
На рисунке 4.16 хорошо видно, что результаты экспериментального исследования и моделирования в среде Ansys 12 совпадают (форма сигнала).
Выше было отмечено, что расстояние дистанции связи, согласно техническим требованиям, составляет 35-40 см. В связи с этим была проведена экспериментальная оценка уровня сигнала на расстоянии 35 см. На рисунке 4.17 представлена осциллограмма полученного сигнала на расстоянии между передающим модулем и приемным устройством 35 см.
Соответствующие измерения позволили ценить отношение сигнал/шум на выходе макетного образца приемного устройства: 10-11 дБ. Для оценки вероятности ошибки при выделении огибающей АИМ-модулированного сигнала, воспользуемся известной формулой: -h2 РОШ АИМ) = О-5 ехр(- -) (4.3) Где Ьб - отношение сигнал шум на входе демодулятора. Отсюда РОШ(АИМ) Ю"3 При замене модуляции в конечном устройстве на ОФТ, вероятность ошибки можно определить: ш(ОФП=0-5ехР(- 2) (4 4) получаем: РОШ(ОФТ) Ю"5. Таким образом, применение относительной фазовой телеграфии позволяет значительно снизить вероятность появления ошибок, но в ущерб энергопотреблению передающего и приемного устройств.
Анализ полученных форм сигнала в различных точках приемного устройства подтверждает результаты компьютерного моделирования в пакете ANSYS 12, касающиеся большого времени установления сигнала в ходе переходного процесса. С целью определения зависимости амплитуды выходного сигнала на приемной стороне от дистанции связи при различных углах взаимной ориентации приемной и передающей антенн, проведены соответствующие экспериментальные исследования, результаты которых приведены на рисунке 4.18.
Здесь параметром является размах напряжения на выходе усилителя приемного устройства в зависимости от дистанции связи. Как видно из рисунка 4.18, более энергоффективным является соосное расположение передающей и приемной антенн. Например, при дистанции связи 20 см, уровень наводимого напряжения при параллельном и соосном расположении равны соответсвенно: 380 и 490 мВ. Следовательно, соосное рассположение передающей и приемной антенн позволяет повысить эффективность пердачи данных на 29%. Также стоит отметить быстрое снижение эффективности передачи данных при изменении угла взаимного рассположения от 0 до 45 градусов.
Анализ рисунка 4.18 позволяет также определить диапазон необходимой регулировки коэффициента усиления АРУ. При диапазоне изменения дистанции связи 10-40 см, диапазон изменения коэффициента усиления должен составлять от 4.7 до 140.
При экспериментальном исследовании макета беспроводной системы связи одной из задач является оценка и обеспечение минимального энергопотребления передающего модуля (не более 2.5 мА), что потребовало проведения соответствующих измерений.
С этой целью использовался прецизионный измеритель тока и напряжения. В ходе измерения было зафиксировано значение тока потребления 2.23мА, что не превышает установленной величины 2.5 мА. Ток потребления приемного модуля составляет 4.05 мА при положительной полярности и 2.79 мА при отрицательной полярности питания.
Для оценки безопасности использования системы связи на основе индуктивного взаимодействия необходимо определить мощность излучения передающего модуля разработанной системы индуктивной связи. Исходя из общего тока потребления передающего модуля (2.23мА) и известных значений тока потребления его электронных компонентов, расчитано среднее значение тока, протекающего через антенну передающего модуля - 1мА. Используя соотношение: Е = V30 PD/r, (4.5) Здесь Р - излучаемая мощность; D — коэффициент направленного действия антенны; г - дистанция между антенной и точкой наблюдения (направление максимума излучения). находим значение напряженность электрического поля Е на дистанции между антенной и точкой наблюдения 1см и принимая КПД антенны 80%: 21,6 В/м. Так как ферритовая магнитная антенна, согласно проведенным исследованиям (глава 3), обладает направленным дейстием, то в соотношении (4.5) присутствует множитель коэффициента направленного действия.
Таким образом, согласно нормативным требованиям по безопасности использования беспроводных технологий (таблица 1.7), использование изготовленного макета передающего модуля может осуществляться без каких либо ограничений в течение продолжительного времени (суточного мониторинга ЧСС).
Для подтверждения обоснованности вывода о целесообразности использования в передающем модуле и приемном устройстве ферритовой антенны вместо печатной рамочной на плате приемного устройства было размещено 6 витков печатного проводника в форме рамки с размером 77,5x77,5 мм, Клкт- 10 Ом.
Оценка эффективности данной антенны была проведена на основе исследования ее свойств, а именно: измерения значения индуктивности и уровня наводимого сигнала. Результаты произведенных измерений показали, что индуктивность печатной антенны, несмотря на искуственное увеличение размеров приемного устройства с целью увеличения площади рамки, не превышает 10 мГн, а уровень наводимого сигнала ниже уровня наводимого сигнала на ферритовую антенну более, чем в 3 раза. Полученные результаты подтверждают целесообразность использования ферритовой антенны в приемном устройстве. В связи с этим, размеры платы макета приемного устройства могут быть уменьшены до 60x30 мм при реализации опытного образца. Аналогичный вывод можно сделать о целесообразности использования ферритовой антенны в передающем модуле.
