電子內(nèi)窺鏡中超寬帶的應(yīng)用

　超寬帶(UWB)是一項高帶寬(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。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

　　柔性光學內(nèi)窺鏡有一根長而細的管子，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光源和一個微小的成像傳感器。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光源的功耗要遠遠低于傳統(tǒng)高功率光源。因此，一組小小的電池就足以支持內(nèi)窺鏡工作幾個小時。此外，可用銅導(dǎo)線取代昂貴的光管。還有另一個優(yōu)勢是圖像可以顯示在液晶顯示器上，并在同一時間被記錄下來。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)實時出現(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)傳送速率至少達到166 MB /秒，而傳統(tǒng)技術(shù)根本沒辦法實現(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制。這意味著接收范圍內(nèi)的其它設(shè)備可能會暫時減少數(shù)據(jù)帶寬。若采用UWB技術(shù)，則在會話期間永久地保留一個通道。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)勢和細節(jié)進行探討。

　　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528MHz的頻帶組成一個頻帶組。UWB的整個頻率范圍為3.1~10.6 GHz，被分為5個頻帶組?，F(xiàn)已有工作在頻帶群1和3的先進雙頻帶收發(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528MH頻帶被分成128個子載波，每個子載波的波峰正好處在相鄰子載波的零點位置(因而得名‘正交’，見圖1，第27頁)。傳輸信息被分配到這128個子載波，每個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，但其傳輸距離可達到10米遠，并可以穿過一堵25厘米厚的磚墻而不會影響信號傳送。

　　圖 1 WiMedia-UWB的每個528 MHz頻帶被分為128個子載波。

　　請注意，每個子載波的波峰在其相鄰子載波的零點
媒體訪問控制層

　　UWB無線通信層負責射頻(RF)處理，而媒體訪問控制層則負責管理UWB網(wǎng)絡(luò)和控制無線通信狀態(tài)。當數(shù)個UWB設(shè)備相距很近時，它們就構(gòu)成所謂的點對點網(wǎng)絡(luò)(ad hoc network)。點對點網(wǎng)絡(luò)不是一個預(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UWB設(shè)備構(gòu)建的一個點對點網(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隙，因為設(shè)備A可通過所謂的“信標”(beacon)來了解設(shè)備C。信標中包含有相鄰近設(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，可以進行任何方向的直接傳輸數(shù)據(jù)。

　　UWB采用時分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)方式，即按照時隙和幀來組織傳輸。UWB傳輸時隙組合構(gòu)成超幀(見圖4)。超幀分為信標段(BP)和數(shù)據(jù)傳輸段(DTP)。信標及有效數(shù)據(jù)占據(jù)超幀的256個媒體訪問時隙，一個媒體訪問時隙持續(xù)256μs，一個超幀持續(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來與超幀同步。信標中的信息可視為網(wǎng)絡(luò)成員的通信通道。

　　圖 2 對一個點對點網(wǎng)絡(luò)中的三個UWB設(shè)備的描述

　　由于按時隙來組織通道，因此并不需要每個設(shè)備每時每刻都在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。一個設(shè)備只需每隔65.5ms被喚醒來收聽信標;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)的工作時間。

　　UWB的無線接口很像電纜：如果有多個通信成員而通道又有限，就必須對訪問權(quán)限進行管理。當打算發(fā)送信息到某一通道時，該設(shè)備成員需要進行“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。

　　當然，有可能兩個設(shè)備同時偵聽該通道，都發(fā)現(xiàn)它是空閑的，并同時向其發(fā)送信息，這就是所謂的“沖突”。發(fā)生“沖突”時，設(shè)備將嘗試稍后再訪問通道。這期間，每個設(shè)備在重試前都等待一個隨機時長。優(yōu)先級較高的設(shè)備可能比優(yōu)先級較低的設(shè)備先進行重試。這種“競爭訪問”機制是20世紀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。

　　圖3 超級幀被劃分成信標段(BP)和數(shù)據(jù)傳送段(DTP)

　　為確保能無中斷地傳輸視頻流，UWB采用了分布式駐留協(xié)議(DRP)。由于UWB基于TDMA，網(wǎng)絡(luò)成員可保留一些固定的時隙(媒體訪問時隙)以保障和另一設(shè)備的通信。保留通道占用時隙的相關(guān)信息在信標時段傳送。如果某一時隙被標記為“硬保留”，任何第三方都不可占用該時隙。這是保障視頻傳輸要求的確定性數(shù)據(jù)傳輸速率所必須的。實施方案

　　圖5所示為內(nèi)窺鏡攝像頭單元的框圖。窺鏡的框圖與之相似，除了數(shù)字視頻接口為顯示控制器所取代。UWB物理層基于Wionics Research的RTU7012雙波段PHY，符合WiMedia PHY 1.1 和PHY 1.2規(guī)范。它可以用于頻帶組1和3。

　　在這個例子中，UWB流媒體MAC由蘇黎世應(yīng)用科學大學設(shè)計并通過ASIC或FPGA實現(xiàn)，且針對實現(xiàn)低延時的數(shù)據(jù)傳輸進行了優(yōu)化。為了方便將MAC集成到任何系統(tǒng)級芯片(SoC)，將ARM高級主機總線(AHB)用作數(shù)據(jù)傳輸總線，將ARM外設(shè)總線用作控制總線。這些接口使得MAC非常適合集成到基于ARM的系統(tǒng)級芯片。

　　UWB標準的許多參數(shù)都由微控制器固件來控制。這樣，在需要增添其它高層協(xié)議(如無線USB)時，無須修改任何硬件。使用固件實施方案，可以在規(guī)范發(fā)生變更的情況下降低風險和提高靈活性。

　　圖 4 電子內(nèi)窺鏡單元的框圖

　　MAC可在UWB設(shè)備間以任何方向傳輸任何數(shù)據(jù)---而不局限于視頻。在這個具體的視頻應(yīng)用中，來自攝像閑的信號通過數(shù)字視頻接口和AHB傳送到SDRAM，該SDRAM用作一個視頻中間緩沖器(見圖5)。MAC從該SDRAM提取視頻數(shù)據(jù)，并將其傳送到UWB網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。反過來，UWB物理層接收到的數(shù)據(jù)則被傳送到SDRAM。
在UWB網(wǎng)絡(luò)和SDRAM之間傳輸數(shù)據(jù)時，MAC用作AHB主總線，無需處理器核進行干預(yù)。這意味著，可以將數(shù)據(jù)傳輸中解放出來的處理器用于控制后續(xù)UWB超幀的MAC設(shè)置。在這種架構(gòu)下，任何AHB總線設(shè)備都可成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕嘶蛟矗瑹o論是傳送到UWB-MAC，還是從UWB-MAC傳出。至于和UWB無線模塊的接口，UWB-MAC采用WiMedia ECMA369 MAC-PHY接口標準。

　　內(nèi)窺鏡的其它必備部件包括A/D轉(zhuǎn)換器和用于電池管理的脈寬調(diào)制器(PWM)。為將所有部件集成到內(nèi)窺鏡的手柄中，同時保持低功耗，標準單元ASIC是不錯的選擇。然而，如果預(yù)知的產(chǎn)量太低，不足以分擔本示例中標準單元ASIC的開發(fā)成本，可采用可定制的應(yīng)用處理器(CAP)。這一基于ARM的微控制器具備所有常用的外設(shè)和軟件驅(qū)動以及用于實現(xiàn)用戶定制功能的金屬可編程邏輯區(qū)域?？稍贑AP金屬可編程區(qū)域?qū)崿F(xiàn)UWB-MAC和其它定制IP核，類似于門陣列。該微控制器的其它標準外設(shè)，如外部總線接口(EBI)，可用于控制SDRAM，不會導(dǎo)致與內(nèi)存控制器設(shè)計相關(guān)的技術(shù)風險和成本。

　　為便于UWB應(yīng)用開發(fā)，有些供應(yīng)商提供一款CAP UWB*估套件。CAP器件的固定部分可以當做一個標準的微控制器，和用于仿真金屬可編程模塊的高密度FPGA協(xié)同工作。這個*估套件可以快速地進行配置，仿真目前正開發(fā)的設(shè)計的性能。可在FPGA中實現(xiàn)UWB-MAC以及其它專用邏輯。

　　在一塊擴展板卡上實現(xiàn)UWB物理層。CAP UWB*測工具套件與一臺運行業(yè)界標準ARM開發(fā)工具的PC連接，用于完成系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試。這樣的開發(fā)方式允許軟、硬件開發(fā)同時進行，從而大幅縮短了開發(fā)時間。當系統(tǒng)經(jīng)全面調(diào)試后，將UWB MAC和專用邏輯重新映像到CAP的金屬可編程模塊中，提供了元器件數(shù)目較少而完整的UWB收發(fā)器。

　　圖5 UWB設(shè)備間的MAC數(shù)據(jù)傳送

　　結(jié)論

　　這種低成本、中等批量的UWB設(shè)備可以用于無線醫(yī)療應(yīng)用。這適合于單向的視頻鏈路，也可以取代超聲傳感器的粗電纜，同時為病人提供必要的電流絕緣。