超寬帶技術(shù)在電子內(nèi)窺鏡中的應(yīng)用

超寬帶（UWB）是一項(xiàng)高帶寬（480-1320Mb/秒）和短距離（10-50米）的無線傳輸技術(shù)，正逐漸在醫(yī)療應(yīng)用中更多的使用。UWB最初只作為一種軍事技術(shù)開發(fā)，直至1994年美國軍方解密后才開始發(fā)展其商業(yè)用途。早期的UWB芯片組旨在取代主流個(gè)人電腦的USB電纜。但是，醫(yī)療應(yīng)用的要求是不同的，因?yàn)閭鬏攲?shí)時(shí)視頻和超聲波圖像要求低時(shí)間延遲和確定的數(shù)據(jù)吞吐量。阻礙UWB技術(shù)使用的另一個(gè)因素是，商業(yè)UWB芯片組供應(yīng)商要求每年的訂單量達(dá)到幾十萬以上。不過，現(xiàn)在已經(jīng)有一些公司提供針對醫(yī)療市場的需求和產(chǎn)量的UWB芯片組。醫(yī)療設(shè)備制造商已經(jīng)開始將UWB技術(shù)用于電子內(nèi)窺鏡、喉鏡和超聲波傳感器。本文介紹如何將超寬帶技術(shù)應(yīng)用于電子內(nèi)窺鏡。

將UWB技術(shù)用于內(nèi)窺鏡的考慮因素

柔性光學(xué)內(nèi)窺鏡有一根長而細(xì)的管子，其可被導(dǎo)入病人體內(nèi)。新式內(nèi)窺鏡在頂端包含了一個(gè)光源和一個(gè)微小的成像傳感器。通過采用新型LED光源和微型CMOS攝像頭，這種結(jié)構(gòu)是可行的。內(nèi)窺鏡頂端的LED光源的功耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)高功率光源。因此，一組小小的電池就足以支持內(nèi)窺鏡工作幾個(gè)小時(shí)。此外，可用銅導(dǎo)線取代昂貴的光管。還有另一個(gè)優(yōu)勢是圖像可以顯示在液晶顯示器上，并在同一時(shí)間被記錄下來。顯示器的無線連接消除了內(nèi)窺鏡的物理限制，使得病人和醫(yī)生在檢查過程中更加舒適。

數(shù)字傳輸是一種理想的傳輸方式，因其能提供高清晰的畫面質(zhì)量和避免失真。由于醫(yī)生是通過視頻監(jiān)視器來觀察他對病人的操作，畫面應(yīng)實(shí)時(shí)出現(xiàn)在屏幕上---換而言之，延遲要盡可能短。因此，視頻信號不能經(jīng)過壓縮電路或大規(guī)模的協(xié)議棧。UWB的高帶寬、低延遲、低輻射和穩(wěn)固性使得其成為用于內(nèi)窺鏡的理想無線傳輸技術(shù)。

超寬帶無線電技術(shù)

以NTSC品質(zhì)傳輸未經(jīng)壓縮的視頻需要確定性的數(shù)據(jù)傳送速率至少達(dá)到166 MB /秒，而傳統(tǒng)技術(shù)根本沒辦法實(shí)現(xiàn)這樣的數(shù)據(jù)傳送速率。傳統(tǒng)的無線技術(shù)采用一種取決于頻道可用性的無線訪問機(jī)制。這意味著接收范圍內(nèi)的其它設(shè)備可能會(huì)暫時(shí)減少數(shù)據(jù)帶寬。若采用UWB技術(shù)，則在會(huì)話期間永久地保留一個(gè)通道。超寬帶技術(shù)的協(xié)議開銷很低，這對減少傳輸延遲非常重要。通過將數(shù)據(jù)分散到128個(gè)子載波可建立非常穩(wěn)固的無線通道。接下來將對超寬帶技術(shù)的其它優(yōu)勢和細(xì)節(jié)進(jìn)行探討。

UWB 無線通信層

早期的UWB研發(fā)基于不同的物理（PHY）和介質(zhì)訪問控制（MAC）層規(guī)范。在過去三年里，WiMedia聯(lián)盟的MAC層和PHY層規(guī)范已被大多數(shù)超寬帶實(shí)施者采用。與已制定的無線傳輸技術(shù)（如WLAN）不同的是，UWB 每個(gè)傳輸通道占用528MHz 的頻帶。相比之下，無線局域網(wǎng)（WLAN）通道的最大帶寬為20 MHz。三個(gè)528MHz的頻帶組成一個(gè)頻帶組。UWB的整個(gè)頻率范圍為3.1~10.6 GHz，被分為5個(gè)頻帶組?，F(xiàn)已有工作在頻帶群1和3的先進(jìn)雙頻帶收發(fā)器。

WiMedia-UWB所采用的是正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)。每個(gè)528MH頻帶被分成128個(gè)子載波，每個(gè)子載波的波峰正好處在相鄰子載波的零點(diǎn)位置（因而得名‘正交’，見圖1，第27頁）。傳輸信息被分配到這128個(gè)子載波，每個(gè)528MHz信道的最高速率為480 Mb /秒。

由于子載波分布在528MHz 的較大帶寬范圍，因此支持非常低的發(fā)射功率---37微瓦（相比之下，WLAN允許的發(fā)射功耗超過了300 mW）。適于信息傳送的寬帶和超低發(fā)射功率使得UWB在射頻（RF）領(lǐng)域能很好的與其它射頻共存。盡管發(fā)射功率只有37微瓦，但其傳輸距離可達(dá)到10米遠(yuǎn)，并可以穿過一堵25厘米厚的磚墻而不會(huì)影響信號傳送。

圖 1 WiMedia-UWB的每個(gè)528 MHz頻帶被分為128個(gè)子載波。

請注意，每個(gè)子載波的波峰在其相鄰子載波的零點(diǎn)

媒體訪問控制層

UWB無線通信層負(fù)責(zé)射頻(RF)處理，而媒體訪問控制層則負(fù)責(zé)管理UWB網(wǎng)絡(luò)和控制無線通信狀態(tài)。當(dāng)數(shù)個(gè)UWB設(shè)備相距很近時(shí)，它們就構(gòu)成所謂的點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)（ad hoc network）。點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)不是一個(gè)預(yù)先規(guī)劃好的網(wǎng)絡(luò)，而是由距離很近的參與設(shè)備構(gòu)建，參與設(shè)備可酌情加入和退出。

如圖2所示為由三個(gè)UWB設(shè)備構(gòu)建的一個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。其中，設(shè)備A對設(shè)備C來說是不可見的。位于圖中左側(cè)的設(shè)備A即便不能“偵聽”到設(shè)備C，也有可能知道設(shè)備C的存在及其所占用的時(shí)隙，因?yàn)樵O(shè)備A可通過所謂的“信標(biāo)”(beacon)來了解設(shè)備C。信標(biāo)中包含有相鄰近設(shè)備的相關(guān)信息，因而設(shè)備可以彼此了解。在能夠相互接收信息的所有設(shè)備之間，可以進(jìn)行任何方向的直接傳輸數(shù)據(jù)。

UWB采用時(shí)分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)方式，即按照時(shí)隙和幀來組織傳輸。UWB傳輸時(shí)隙組合構(gòu)成超幀(見圖4)。超幀分為信標(biāo)段(BP)和數(shù)據(jù)傳輸段(DTP)。信標(biāo)及有效數(shù)據(jù)占據(jù)超幀的256個(gè)媒體訪問時(shí)隙，一個(gè)媒體訪問時(shí)隙持續(xù)256μs，一個(gè)超幀持續(xù)65.5ms。所有能相互“偵聽”到的網(wǎng)絡(luò)成員都通過收聽到的信標(biāo)來與超幀同步。信標(biāo)中的信息可視為網(wǎng)絡(luò)成員的通信通道。

圖 2 對一個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的三個(gè)UWB設(shè)備的描述

由于按時(shí)隙來組織通道，因此并不需要每個(gè)設(shè)備每時(shí)每刻都在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。一個(gè)設(shè)備只需每隔65.5ms被喚醒來收聽信標(biāo)；如果該設(shè)備沒有任何任務(wù)，將重新返回睡眠狀態(tài)，類似于手機(jī)延長電池壽命的睡眠模式。這樣就延長了電池供電系統(tǒng)的工作時(shí)間。

UWB的無線接口很像電纜：如果有多個(gè)通信成員而通道又有限，就必須對訪問權(quán)限進(jìn)行管理。當(dāng)打算發(fā)送信息到某一通道時(shí)，該設(shè)備成員需要進(jìn)行“偵聽”以確定該通道是否已被別的設(shè)備占用。如果其發(fā)現(xiàn)該通道空閑，就發(fā)送信息。

當(dāng)然，有可能兩個(gè)設(shè)備同時(shí)偵聽該通道，都發(fā)現(xiàn)它是空閑的，并同時(shí)向其發(fā)送信息，這就是所謂的“沖突”。發(fā)生“沖突”時(shí)，設(shè)備將嘗試稍后再訪問通道。這期間，每個(gè)設(shè)備在重試前都等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)長。優(yōu)先級較高的設(shè)備可能比優(yōu)先級較低的設(shè)備先進(jìn)行重試。這種“競爭訪問”機(jī)制是20世紀(jì)70年代隨以太網(wǎng)發(fā)明的，也常用于WLAN。顯然，如果要以最低延遲持續(xù)地傳輸一段視頻流，這種方法就行不通了。