适用于植入医疗应用和低占空比系统的超低功耗RF收发器

过去30年来，集成电路和医疗设备一直同步发展。电路技术促进了日趋复杂且高度集成的小型医疗设备的发展。同时，新的医疗应用和治疗技术的出现，对无线连接到基站的植入医疗设备提出了新的要求。植入医疗设备不仅包括诸如心脏起搏器、可植入心律转变去纤颤器、神经刺激器和耳蜗植入等刺激性设备，而且还包括药物灌输系统(drug infusion)、植入诊断传感器和快速发展的植入糖尿病监视器等测控装置。超低功耗RFIC技术是新型植入设备和治疗方法的关键。

本文将简要介绍可进行无线通信的植入医疗设备的发展，并详细讨论在402~405MHz频带或433MHz ISM频带下，特别是用于医疗应用领域的超低功耗RFIC在设计中应考虑的性能因素与挑战。ZL70100 MICS收发器在提供高数据速率的同时还能实现极低功耗。当该收发器以高达800kbps的数据速率运行时，其收发电流不足5mA。该电路具有独特的超低功耗唤醒系统，该系统运行在2.45GHz的频带下，平均睡眠/监听电流不到250nA。系统集成度非常高，且只需三个外部器件(一个晶振和两个去耦电容器)及一个匹配网络即可。

低功耗性能占空比与“监听”

尽管现代IC技术能够实现卓越性能，但与植入医疗应用息息相关的电子系统还是对低功耗设计提出了巨大挑战。举例来说，大多数植入起搏器的使用寿命都要求达到7年以上，最大工作电流只能在10~20μA范围内。通信系统在设备使用寿命期间预计消耗的平均总电流不得超过总预计用电电量的15%，即平均2~3μA，这是起搏治疗技术自身的电流消耗要求所决定的。

植入医疗系统的接收机必须定期“监听”或监视外部通信设备，并在不监听时处于功耗极低的关闭状态以省电。为了节电，监听时间间隔应尽可能长，但由于考虑到治疗需要等应用因素，监听间隔时间一般为1~10秒。

通常占空比和接收机监听原理是众多低功耗系统的基本概念。随着短距离无线传感器的快速发展，这一点正变得日益重要。这些短距离无线传感器多用于恶劣的工业环境下以及安全与跟踪系统中，电池功耗在此条件下显得至关重要。而Zigbee、蓝牙以及802.11等现有协议不具备支持低占空比应用的低功耗监听机制。

植入医疗通信技术简史

传统上，植入医疗设备的通信系统一直采用极短距离的磁耦合技术。这些近场系统要求编程器靠近医疗设备，且数据速率通常在50kbps以下。

为了解决距离上的局限性，上世纪90年代中期，全球最大的植入医疗设备制造商Medtronic请求美国联邦通信委员会(FCC)为植入医疗设备划定特定的通信频带。1998年，ITU-R Recommendation SA1346建议设立402~405MHz的医疗植入通信服务(MICS)频带。随后，FCC于1999年确立了该频带，相关标准与欧1、欧2类似。该频带的确立使得我们能够进行更远距离(通常为2米)通信并实现高速无线连接。

MICS频带不仅突破了老式感应系统的局限性而且还促进了新一代植入医疗设备的发展，从而能够为患者提供更好的医疗服务。随着医疗保健费日益增多，人们开始在家中进行病人监护，该技术的重要性就更加凸显出来了。图1显示了该款新技术的一些优势。

图1：MICS频带技术的优势示例

402~405MHz频带非常适合有关技术需求，这是由人体信号的传播特点、频带体验者的适应性(气象气球等辅助气象设备)以及频带的国际可用性等因素决定的。请注意，频率越高，受身体衰减的影响就越大，不过由于天线增益提高，可在一定程度上补偿这方面的损失。为更好地使用MICS频带，植入医疗设备需要配置超低功耗的高性能收发器，本文后面部分将对此进行探讨。

植入医疗专用收发器设计要求

植入医疗设备专用收发器设计应满足以下基本要求：

1. 在以400MHz通信时要求低功耗。由于植入的电池电量有限且植入电池的阻抗相对较高，从而限制了电源可提供的峰值电流。在通信期间，大多数可植入设备的电流应限制在6mA以下；

2. 在睡眠与周期性“监听”或搜索唤醒信号时要求低功耗；

3. 尽可能减少外部器件数量和设备体积，这也非常重要。起搏器的RF模块不应超过3x5x10mm3，这样才能满足一般起搏器的体积要求。此外，植入式器件非常昂贵，提高集成度可以降低成本。集成度的提高也有助于改善整个系统的可靠性；

4. 必须实现合理的数据速率。起搏器应用目前要求数据速率高于20kbps，预计今后数据速率还会继续提高；

5. 实现较高的系统与数据传输可靠性；

6. 具备卓越的选择性与抗干扰性，特别是能够避免欧洲TETRA无线电的干扰；

7. 通信距离通常应大于2米，因为MICS频带可用于改善超短距离感应链接问题。更远的通信距离意味着需要良好的灵敏度，因为小型天线与人体损耗会影响链路预算与可允许的覆盖范围。天线损耗、匹配损耗、衰减损耗以及人体损耗等都会不同程度地造成高达40~45dB的信号损失。

本文介绍的收发器能够满足上述所有要求。下面我们将讨论一些具体的折衷问题与器件性能。

医疗设备通常可归为两种类型，一种是采用非充电型内置电池的设备(如起搏器)，另一种是采用耦合感应电源的设备，如耳蜗植入应用。前者通过使系统运行时占空比较大，从而实现节电。收发器大多数时间处于关闭状态，因此断态电流(off-state current)与定期查寻通信设备所需的电流必须极低(<1~2μA)。在这两种情况下，都要求收和发能够实现低功耗(<6mA)。

此处所述收发器的工作电压介于2.1~3.5V之间，其峰值RX/TX电流消耗还不到5mA。该电流不仅包含基本的RF收发器电流，而且还包含媒体接入控制器(MAC)电流。MAC可确保用户接收到具备高度完整性的数据，并能够自动执行大部分所需的链路维护工作。此外，MAC协议还可提供低功耗计时器，以在发送数据包后可将植入设备中的接收机关闭一段时间，具体时间长短由编程决定。如果植入设备暂时没有信息可发的话，那么这样就有助于节约电源。

为了实现最低整体功耗，我们建议可植入收发器采用满足应用接收机灵敏度要求的尽可能高的数据速率。要求低数据速率(甚至低至kHz范围内)运行的系统不仅应进行数据缓冲，而且还应以尽可能高的数据速率运行，此外，还应利用功率状态的占空比来降低平均电流消耗。短促数据发送法有助于节电，并减小“干扰”时间窗口(time window)。此外，如果系统电池的阻抗较高，那么电源去耦的要求就更宽松，这是因为电容间的突发电荷更短促。

该收发器使用户能在各种接收器灵敏度基础上选择广泛的数据速率(200-400-800kbps)。为提高灵活性，系统采用2FSK或4FSK调制(200或400kSymbols/s，频率偏差各有不同)。表1总结了系统允许的调制模式及其相应的数据速率和收发器灵敏度等。

表1：数据速率与接收器灵敏度

我们可进行片外数字滤波，这样能降低数据速率并提高接收器的灵敏度。该收发器具有可完全使用无线电的MAC旁路模式。在这种配置情况下，用户可开发定制协议和数据速率。

系统架构

整体系统架构如图2所示。

图2：整体系统架构，植入医疗设备和外部基站均采用ZL70100 MICS收发器

植入医疗设备和外部基站均采用ZL70100。基站包括可传输2.45GHz唤醒信号的其它电路。本文随后将介绍为什么采用这种唤醒方法。一旦通过2.45GHz唤醒信号将系统启动，就需要用402~405MHz MICS频带收发器进行数据交换。

如图3所示，ZL70100 MICS芯片包括三大子系统：400MHz收发器、2.45GHz唤醒接收机和MAC。随后章节将分别介绍各子系统的作用及其基础架构。该芯片可用作植入医疗设备或基站编程器的收发器，具体根据输入引脚的状态而定。

图3：ZL70100 MICS收发器结构图，包括400MHz收发器、2.45GHz唤醒接收器及MAC三大子系统

收发器采用带象频干扰抑制混频器的低中频(IF)超外差架构。低IF能够最小化滤波器和调制器的功耗，而且不会造成高数据速率、零IF架构常见的闪烁噪声和DC偏差问题。FSK调制方案可减少TX放大器的线性要求，从而降低功耗并简化限制接收器。

图3中的400MHz发送器子系统标为半双工RF发送器，其由IF调制器、混频器以及功率放大器组成。IF调制器能够将1(2FSK)或2位(2FSK)异步数字输入数据流转化为中频；升频转换混频器(up-converting mixer)则能够将IF转化为RF频率。请注意，本机振荡器频率在发送和接收模式下是相同的，这有助于尽可能减小接收和发送数据包之间的停滞时间。

TX功率放大器的输出功率在寄存器内可编程，范围在-4.5~-17dBm之间，每个变动幅度小于3dB。所有RF输入上与电容组相匹配的内部天线可对匹配网络进行微调，以便为给定的功率设置提供最大输出功率和最佳接收器噪声指数。天线调节是采用耦合于ADC的峰值检测器和状态机进行校准控制的自动校准过程。

400MHz的接收器子系统放大MICS频带信号，并将载体频率降频转换为IF。LNA增益可编程，范围在9~35dB之间。我们建议植入医疗设备收发器采用较高的增益设置，而选用外部LNA的基站收发器则可采用较低的增益设置。LNA及混频器偏置电流的可编程性可进一步提高灵活性，根据需要优化线性功能(IIP3)、功耗和噪声指数。

我们用多相位IF滤波器来排除影像频率和相邻通道的干扰，并限制噪声带宽。与多相位滤波器相邻的是限制器和接收信号强度指示器(RSSI)块。RSSI的测量结果由5位ADC转换而成的，并可通过业界标准的SPI接口读取，这对执行MICS无干扰通道估测程序非常有用。请注意，外部设备应先通过MICS标准中定义的无干扰通道估测程序来确定适当可用的通道。

我们为提高医疗应用的可靠性定制了专门的协议。该协议由MAC处理，包括以下主要特性：

1. 采用里德-所罗门(Reed-Solomon)前向纠错码(FEC)和循环冗余校验码(CRC)来进行错误检测与纠正。就误码率(BER)为10-3的原始无线电而言，经过FEC与CRC检测和纠错后，其有效BER优于1.5×10-10；

2. 故障情况下数据块能够自动再传输，并实现了流程控制以避免缓冲区溢出；

3. 能发送MICS紧急命令和高优先级消息；

4. 链路看门狗管理功能，确保五秒钟内不能成功通信就关闭链路；

5. 提供链路质量诊断和自动校准控制功能。

通信协议的丰富特性使用户应用不必再为众多链路维护工作而发愁。简单来说，通信链路就是通过SPI接口即可访问的收发缓冲区。需要用户注意的缓冲条件用中断标出，这样使用户能够最好地维护数据流。

超低功耗唤醒接收器

由于必须要节约电池电量，所以大多数植入应用都不常使用MICS RF链路。在极低功耗应用中，收发器在大多数时间内处于睡眠状态，即极低的电流状态。除了发送紧急命令外，使用MICS频带的系统必须先等基站启动通信，经无干扰通道估测(CCA)后再开始通信。植入收发器定期监听启动通信的基站。这种“监听”操作频率应当足够高，以便确保合理的启动时延，由于这种操作定期进行，因此只消耗极低电流，同时，还要提高对噪声源的抗干扰能力，避免启动出现故障。

就极低功耗接收器而言，我们建议采用OOK调制方案，因为这样接收器中无需配置本机振荡器和合成器。在合理功耗下，我们为启动程序设立特定的频带，这样不仅能进一步简化程序，而且还能节约用电。2.45GHz的短距离装置(SRD)频带能够满足上述要求，在100mW EIRP情况下(这是美国的数值，日本等其它少数国家则为10mW)，信号可高达36dB，超过MICS频带最大值25μW的要求。

唤醒系统采用工作在2.45GHz的SRD频带中低功耗RF接收器来读取OOK传输的数据，其主要功能是检测并解码基站发送的特定数据包，然后将信息接通到芯片其它部分。数据包包括收发器设置信息。芯片还能直接通过引脚控制启动，这适用于基站启动、植入设备发送紧急指令或植入设备采用其它唤醒系统的情况。举例来说，可用现有的RSSI测量工具来感应Base 400 MHz通信，以此作为备用的唤醒系统。

为了降低唤醒子系统的平均电流消耗，可为引脚提供应用产生的选通脉冲来控制唤醒系统，也可采用25kHz低功耗(<400nA)内置振荡器内部生成的选通脉冲(strobe pulse)控制唤醒系统。在此过程中，接收器打开并监听有效的唤醒信号。用户根据应用所需的唤醒时延和平均电流消耗来选择监听时间间隔(Twu_period)，在采用外部选通脉冲情况下，平均电流消耗的计算公式为Eq1，其中715μA为2.45GHz RX在监听时消耗的最大电流。

计算示例(如图4所示)中，获得250nA(外部选通)或650nA(内部选通)的电流，其中包括预留的100nA的漏电流。在本例计算中，假定选通时间间隔为1.15秒。实际测量出的室温漏电流低于10nA，也就是说，100nA的预留数字在设计中已经是非常保守的了。

图4：低功耗唤醒系统的电流消耗示例

这里介绍的低功耗唤醒方法可用作其它通信应用的独立唤醒系统。不妨以电池供电的802.11 WLAN系统为例来说明这个问题，802.11 WLAN系统在应用过程中要求电池使用寿命极长，这是因为更换电池非常困难，或者电池成本非常昂贵。这时，可用2.45GHz的唤醒系统来使睡眠／监听电流最小化，而且只有在需要进行通信时才让功耗较大的802.11协议工作。

本文小结

表2：性能测量小结

本文介绍了面向植入医疗应用的超低功耗高性能RF收发器ZL70100。该收发器集成度非常高，包括完整的MAC，为用户应用提供了更好的有效BER。以下我们总结了重要的RF性能参数。特别值得一提的是，极低功耗的2.45GHz监听电路可应用于各种限制用电电量的低占空比应用，未来医疗设备的通信系统必将得到大幅改善。

作者：Peter D. Bradley博士

系统工程设计经理

超低功耗通信部

peter.bradley@zarlink.com

卓联半导体公司