0 引言

    随着无线通信技术的不断发展，无线体域网在健康监测、慢性病防治、老人看护等可穿戴设备中有着广泛的应用^[1]。国际电子电气工程协会（IEEE）于2012年2月发布IEEE 802.15.6无线体域网（WBAN）标准，对其物理层（PHY）和无线媒体介入控制层（MAC）进行了规范^[2]。该标准为穿戴式及植入式设备而设计，满足短距离近人体无线通信的低功耗、高安全性、高可靠性的要求^[3]。随着可穿戴式设备的大规模应用，体域网将具有广阔的应用空间。在此背景下，开发一款支持IEEE802.15.6协议的SoC基带芯片将具有巨大的市场价值。

    随着电子系统集成度的大幅提高，SoC的设计规模也在不断扩展，因此SoC的验证工作也越来越复杂。统计表明，SoC流片一次的成功率大约为35%，其失败的主要原因是验证工作不够充分^[4]。为了提高芯片的良品率，在体域网基带开发的同时，必须做好验证平台的设计工作。

    可穿戴式SoC主要用于健康医疗设备，需要对体温、血氧、血压、心率、心电等信号进行采集和传输，这对人体健康检测及疾病预防有重要作用，其需要较高的传输性能。同时由于信号的传输速率不同^[5]，在接收端会产生不同的延时及成功收包率。因此在验证平台的设计中需要考虑以下需求：(1)基带协议一致性验证，协议帧格式正确是保证基带完成通信的基础。(2)传输可靠性验证，尽可能地为数据提供一个高质量通信链路。(3)多种健康信息的服务质量（QoS）验证。针对体域网传输信号的多样性，模拟发送不同速率的测试向量，验证其服务质量是否满足可穿戴设备要求。

    目前，研究人员大多使用传统的商业软件无线电平台对基带的功能进行验证，例如USRP、bladeRF及HackRF等。与使用FPGA硬件电路实现协议处理的体域网基带不同，此类平台通过上位机软件算法实现协议的处理与开发，并且接口封闭不便于进一步开发，因此不能满足体域网基带SoC验证需求。

    结合IEEE802.15.6标准中窄带通信物理层电路设计规范，本文设计并开发了包含FPGA、射频前端、混合信号前端、电源管理等模块的硬件系统。结合穿戴式健康应用的特殊需求，设计并实现了体域网数据流状态机，对多输入向量进行自动加载，实现了体域网基带在不同速率下，对延时、功耗的自动测量。针对自主开发的IEEE802.15.6的基带IP核设计了精准的时序采集模块，实现了协议帧的提取，验证了协议的一致性。同时，为控制节点数据传输，便于直观地进行测试，设计并实现了上位机软件，对测试结果和中间过程进行实时追踪。

1 平台总体结构设计及硬件实现

    如图1所示，验证平台硬件系统由高集成度FPGA、收发机电路及电源管理电路组成^[6]。

1.1 收发机电路

    收发机电路按照IEEE802.15.6标准中物理层窄带通信收发机标准设计，包括混合信号前端及调制解调前端。

    本设计采用图2的零中频结构收发机，与传统超外差收发机相比只需要一次变频，结构简单具有较高集成度，符合体域网可穿戴设备小型化、便于携带的要求。但是由于本振频率较高，需要性能较高的压控振荡器及频率合成器，因此使用集成的零中频调制解调芯片MAX2837及混合信号前端芯片MAX19712。 

    MAX2837是一款零中频收发前端，包括压控振荡器（VCO）、晶体振荡器、频率合成器、混频器、低通滤波器、功率放大器及低噪声放大器等。通过SPI接口配置内部寄存器。内部资源丰富仅需要几个简单的外围元件即可以组成一个完整的电路。

    MAX19712是超低功耗、高集成度的混合信号模拟前端（AFE），内置10位数模转换（DAC）及模数转换器（ADC），全双工工作模式，最大工作速度22 MHz，使用SPI接口配置寄存器。

    考虑到平台功能的扩展性，基带数据接口按照高速信号布线规则设计^[7]，以满足其他高速信号基带的验证需求。

1.2 电源管理电路

    由于线性稳压器（LDO）效率低、发热大、不符合体域网低功耗特点，本文选择使用开关电源（DCDC）进行电源管理。系统前端使用9 V适配器供电，两款集成DCDC芯片产生3.3 V和2.85 V电压，分别为MAX2837和MAX19712供电。图3为电源结构拓扑图。

2 验证需求分析

    针对体域网基带在可穿戴式设备的健康监测、疾病预防等方面的特殊应用，提出以下验证需求。

2.1 协议一致性验证

    根据ISO/OSI-IEEE802参考模型，节点间的通信过程即为PHY帧及MAC帧的交换传递过程。确保协议帧格式的一致是基带验证的基本需求。

    (1)物理层协议帧

    物理层协议帧由物理层汇聚协议(PLCP)前导码、PLCP帧头和数据单元组成。

    前导码用于接收机进行同步定时和载波偏移恢复。PLCP帧头则包括能够成功译码的必要信息，如图4所示。

    (2)MAC层协议帧

    MAC层帧由帧头、可变长度帧体及帧尾校验码组成。帧头包含了控制和地址信息，帧体为所负载数据，帧尾为16位的CRC校验序列。

2.2 传输可靠性验证

    高可靠性的收发链路是体域网基带验证的基础，体域网可穿戴设备的健康医疗的特殊性也对收发可靠性提出了较高的要求。通过分析发送和接收的射频信号和基带信号在时域及频域波形参数，验证其是否符合IEEE802.15.6窄带物理收发机标准。

2.3 多种健康信息服务质量验证

    穿戴式体域网设备主要用于人体生理信号数据的采集、传输，如体温、血氧、计步、血压、心率、心电等。不同信号需要不同的传输速率。表1列出了几项常用的人体生理信号传输速率。

    验证平台需要模拟出不同速率的数据流，对信号接收延时及成功收包率进行统计，得出基带对多种信号的服务质量（QoS）。

3 体域网数据流状态机

    根据上述需求，本文针对体域网基带SoC设计了一个基于FPGA的体域网数据流状态机状态机，作为验证的综合激励信号发生单元，如图5所示。

4 上位机软件

    为了显示收发数据、确定参考时间，便于计算成功收包率及延时，并对验证过程进行实时的跟踪，本文设计了基于LabVIEW的上位机人机交互程序。图6为软件流程图。

5 结果与分析

5.1 传输可靠性验证 

    验证时发送固定的二进制数序列“00001111000101-0111011”，测量信号时域及频域信号参数。图7为发送的射频和基带信号，图8为射频信号的频谱，图9为载波的频谱。接收端解调后的基带信号如图10所示，经比较可知，信号与发送的一致。表2为具体收发性能参数。

5.2 多种健康信息服务质量验证

    在不同速率下发送长度固定的100个连续数据。使用上位机对收发数据比较，得出成功收包率及延时。经过多次测量计算平均值，得出表3结果。

    结果表明数据发送速率越高，其成功收包率越低。接收延时随着发送速率增加呈减小趋势，但变化不明显。

6 结束语

    本文针对穿戴式健康SoC的设计验证需求，设计并实现了一套集成有硬件系统、含穿体域网数据流状态机、支持IEEE802.15.6基带信号信号采集的IP及上位机用于控制、跟踪的测试软件。该平台针对自主开发的IEEE802.15.6基带信号处理IP核进行了大量的测试验证，基本满足了体域网基带芯片的设计验证需求。同时也可以扩展应用到其他近距离无线通信芯片的设计验证应用中。

参考文献

[1] 骆丽，吴凤姣.应用于无线体域网2.4 GHz超低功耗唤醒接收机的设计[J].北京交通大学学报，2013，37(2)：57-62.

[2] 10.1109/IEEESTD.2012.6161600，IEEE Standard for local and metropolitan area networks-part 15.6：wireless body area networks[S].

[3] 王志军，胡封晔，尹颖奇，等.基于无线体域网的传输功率控制和调度算法[J].通信学报，2015，36(10)：271-277.

[4] 李辉.TD_LTE基带芯片验证系统信号完整性研究[D].南京：南京理工大学，2013.

[5] 陆希玉，肖振宇，金德鹏，等.基于单载波超宽带的高速异构无线体域网[J].清华大学学报（自然科学版），2013，53(3)：410-414.

[6] 陆许明，温伟杰，谭洪舟.基于FPGA的OFDM基带软硬件联合验证平台的设计[J].电子技术应用，2013，39(3)：30-36.

[7] RAAD B B.A 2.4 GHz high data rate radio for picosatellites[C].Proceedings of the 2014 8th International Conference on Telecommunication Systems Services and Applications，Kuta，Indonesia，2014：1-6.