摘要本文讨论了红外无线通讯的特点，及其在移动式生物电记录系统中的应用。在此基础上设计了一种利用红外无线通讯采集传输生物电信号的系统，并着重讨论了红外通讯中的干扰问题，提出了解决方法。

The Infrared Radio Communication in a Portable

Bio-Electric Signal Recording System

Cheng Bing, Yu Mengsun

(Beijing Xinxing Biomedical Engineering R&D Center,100037)

Abstract

The characteristics of an infrared radio communication and its application in a portable bio-electric signal recording system are discussed. Based on that, a system of collecting and transmitting bio-electric signal using infrared radio communication was designed. The problem of interference is discussed and a solution is given.

Key words:Infrared radio communication; A system of collection; Data transmission

1移动式生物电记录系统

生物电记录系统已广泛地应用于各大、中、小型医院，尤其是心电、脑电、肌电等的检测、监护的方法和仪器已成为辅助诊断必不可少的组成部分。一些新器件、新方法的应用，使生物电检测和记录的技术日益成熟。目前，大多数生物电记录系统中的信号传输都直接使用电线，这样使得整个系统易于实现且性能稳定。但在许多特殊的医务监督场合，如运动实验等，需省去被测人体和检测记录仪器之间的直接电线连接，使被测人可在一定范围内活动，同时监测他的各项生物电参数。因此需要一种移动式生物电记录系统。移动式生物电记录系统与普通生物电记录系统的主要区别是在信号传输的通路上多了一段短距离的无线通信。这样做增加了系统的灵活性，使操作更加简便。另外，移动式生物电记录系统采用的全浮地设计可以有效地抑制共模及工频的干扰。其完全的电隔离设计，可以从根本上保证被测人的安全。下面是一个移动式生物电记录系统的组成框图(图1)。

图1移动式生物电记录系统组成框图

生物电信号由传感器采集，经放大和A／D转换之后变成数字信号送给微处理器。微处理器将信号初步处理之后送去显示或存储。同时将信号送给发射装置进行编码和调制，然后转换成可以在空气中传输的声、光、无线电波等信号发射出去。接收装置将信号接收后再还原成电信号，然后经解调和解码后送至PC主处理机进行记录存储和进一步的处理。

2媒介的选择及红外媒介的特性

移动式生物电记录系统设计的关键是传输媒介的选择和设计。在短距离无线通讯领域中应用的传输媒介主要为电磁波，另外机械波也可作为一种传输媒介。

超声波是一种常见的用于短距离无线传输的机械波。其传输距离一般为几米至几十米。超声波在空气中的传播速度为340m/s，相对电磁波是非常慢的。在超声波传输系统中，使用的频率为20～100KHz，目前常见的超声发射与接收器件的标称频率为40KHz。频率取得太低，外界杂音干扰较多，频率取得太高，在传播过程中衰减较大。超声发射与接收器件所具有的固有频率特性，使超声波传输系统即使不用选频电路，也具有较高的抗干扰性能^［1］。它的方向性和反射特性与红外线相同，但受其频率特性和传播速度的限制，超声波传输系统的传输速率较低，因此主要应用在低速的数据传输和遥控、遥测等领域。

电磁波是一个很大的家族，从高频的宇宙射线到低频的微波、无线电波，还包括紫外线，可见光和红外线，在不同的频段，其特性相差很大。一般而言，频率越低，波长越长，所发射的能量越分散，覆盖面越大，方向性越差。所以覆盖面和方向性是一对矛盾。比较适用于高速，短程无线通讯的频段是红外频段和无线电频段，频率范围从10⁴～10¹⁴Hz。

无线电和红外是相互补充的两种传输媒质，不同的应用场合使用不同的媒质。无线电频率低，波长长，所发射的能量分散，没有方向性，覆盖面大，能穿越障碍物，比较适合于用户流动性很大、或者要求传输信号能通过墙壁、或进行长距离传输而发射功耗最小的各种场合。而红外线则频率高，波长短，所发射的能量集中，有一定的方向性且不能穿越障碍物，比较适合用在室内，短距离，小活动范围的场所。

作为一种近距离、室内通讯的手段，红外辐射具有胜过无线电波的几个明显的优点：能高速转换和传送的红外发射器和探测器成本很低，易于实现；抗干扰能力强，工作可靠性高；红外光谱区域很宽，实际上对红外带宽没有限制。另外，当一条红外通讯线路采用直接探测强度调制方式时，短的载波波长和大面积、平方率探测器会产生高效的空间多样性，这能防止多路通讯的衰减现象。相比之下，无线电通讯线路在接收的信号幅度和相位方面通常都有较大的起伏现象。从多路衰减的自由度考虑，可以大大简化红外通讯线路的设计。

3红外通讯线路的设计

3.1分类

红外通讯线路可以采用不同的设计方法，可以根据两种标准方便地将它们加以分类。第一类判断标准是根据发射器和接收器之间的方向角度来确定的。定向通讯线路采用定向的发射器和接收器，为了建立一条通讯线路，发射器必须对准接收器。而非定向通讯线路则采用广角发射器和接收器，这样可以减轻对方向性的要求。定向通讯线路的设计可以使发射功率的利用效率达到最大，因为在这种情况下，它可以使光程(路径)损耗达到最小，受周围光噪声的影响也最小。而另一方面，非定向通讯线路则可以做到使用更方便，尤其对可以动的终端设备，因为这些设备不需要瞄准发射器或接收器。建立混合型的通讯线路也是可能的，它可将具有不同方向角度的发射器和接收器结合起来。

第二类分类的判断标准是根据在发射器和接收器之间的通讯线路是否存在不间断的视觉线。视觉线(LOS)通讯线路就要依靠这样的视觉线通道，而非视觉(Non-LOS)线通讯线路通常是依靠从天花板或某些其它漫反射表面的光反射来进行的。LOS通讯线路的设计可使发射器功率的利用效率达到最大而多路失真减到最小。Non-LOS通讯线路的设计方法则增加了使用这种线路方便性，甚至当发射器和接收器之间有阻挡物－例如人或隔板时，也允许这种通讯线路继续工作^［2］。

3.2直接探测强度调制(IM／DD)波道

无线电系统的调制技术包括幅度调制、相位调制和频率调制，以及由这些技术拓宽的某些其它调制方式。无线电接收器采用一根或多根天线，每根天线后面有一个外差或零差下转换器(降频变换器)，它由一个本机振荡器所组成。其工作原理是依靠以一种通用的电磁振动模式来接受载波和本机振荡信号，该信号的电压与接受到的载波电场的振幅成线性关系。

在廉价无线红外系统中，要以单一电磁振动模式来收集大量的信号功率是极其困难的。这种空间上不相干的接收方式要想对AM，PM，FM或通过任何其它方法来检测AM或PM就变得相当困难。对红外通讯线路来说，最可行的调制方式是强度调制(IM)，要求波形是在载波的瞬时功率上进行调制的。最实用的下转换技术是直接探测(DD)。在该技术中，光电探测器产生一个电流，它正比于接收到的瞬时功率，亦即与接收到的电场的平方成正比^［2，3］。

3.3硬件电路的设计

移动式生物电记录系统要求能在短距离内高速、可靠地传输数据，并且发射方的功耗应尽可能的低。因此本系统中的红外通讯线路是按照混合视觉线来设计，使光程路径损失很低，发射功率降至最小。相对地，混合视觉线型通讯线路没有多路传输的失真现象，可容许较高的比特传输速率。

硬件电路的设计如图2所示。

图2红外通讯的硬件电路

U1，U7采用反向器组成一个振荡电路，Y1、Y2为1.8432M的晶振，振荡频率是传输波特率的16倍。它们分别给U2和U6提供16倍波特率的时钟输入。

U2，U6采用HP公司的HSDL－7000编解码器，它的作用是将串行通信占空比为100%的信号调制成占空比为3／16的窄脉冲，它的另一个通路同时可将占空比为3／16的窄脉冲还原成占空比为100%的串行信号^［4］。这样可降低发射方的功耗。如图3所示：

图3HSDL－7000编解码器波形图

U3，U5采用HP公司的HSDL－1000红外发射接收器。它使用占空比为3／16的开关(通断)键控调制方式。波特率2.4～115.2kHz，峰值波长875nm，LED脉冲电流幅度250mA，方向角为60°，传输距离为1m。发射模块将来自编码器的电脉冲转化成<