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  • 以 mmWave 雷達感測器打造適合居家使用的多患者非接觸式生命跡象感測器

    • NEST007 march   2023 IWR6443 , IWR6843 , IWR6843AOP

       

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  • 以 mmWave 雷達感測器打造適合居家使用的多患者非接觸式生命跡象感測器
  1.   1
  2. 1 簡介
  3. 2 整合的重要性
  4. 3 FMCW
  5. 4 頻擾
  6. 5 混波器
  7. 6 FFT 和峰值偵測
  8. 7 以您想要感測的方向進行波束控制
  9. 8 校準
  10. 9 結論
  11. 10相關網站
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Analog Design Journal

以 mmWave 雷達感測器打造適合居家使用的多患者非接觸式生命跡象感測器

本资源的原文使用英文撰写。 为方便起见,TI 提供了译文;由于翻译过程中可能使用了自动化工具,TI 不保证译文的准确性。 为确认准确性,请务必访问 ti.com 参考最新的英文版本(控制文档)。

1 簡介

人類生命跡象通常透過監控系統進行測量,這些系統歷來依賴於與患者身體的有線連接,通過心電圖和氧飽和度感測器的組合來報告心率和呼吸率。這些感測器很難與新生兒、嚴重燒傷的患者、患有癲癇症的患者或精神科病房的患者保持經常性接觸。對於常移動的患者,當患者在其住家移動時,監測生命跡象可能會是一項挑戰。

毫米波 (mmWave) 雷達感測器可偵測到非常細微的移動,即使是偵測患者胸部也沒問題。由於胸部移動會同時受到呼吸 (基本頻率) 和心率移動 (額外諧波) 的影響,胸部移動的精細量測是以非接觸式方式測量生命跡象。

此功能的主要促成因素是感測器有能力透過頻率調變連續波 (FMCW) 感測,和多輸入多輸出 (MIMO) 天線雷達系統的組合,偵測患者胸部的位置和速度。

感測器也能偵測病床的移動,並通知照護者注意患者可能發生褥瘡,或是一次監控多位患者,例如年老夫婦。此外,mmWave 感測器可偵測人員跌倒,並即時通知照護者。

2 整合的重要性

FMCW 系統中可確保準確且可重複量測的其中一項參數,是頻擾斜率線性度。將完整類比鏈整合在單體微波積體電路中,如此不僅可減少設計對設計的變化,也有助於提升整體量測線性度,因為其可在不同年齡與溫度下進行有效監控與校準。

查看 圖 1 中的德州儀器 (TI) IWR6843 方塊圖,可發現發送器接收器部分唯一的外部元件是標準 40-MHz 晶體。除了這個外部 40-MHz 晶體外,IWR6843 也提供與下列完整的發送器接收器整合:

  • 斜率產生器。
  • 分數相位鎖定迴路。
  • 20-GHz 電壓控制振盪器 (VCO) 可在外部路由 (或從外部來源選擇) 時同步處理多個前端,並在更大的虛擬天線上進行一致的取樣。

IWR6843 也包括適用於發送器和接收器的完整射頻 (RF) 鏈,包括:

  • 軟體可編程功率放大器可提供多種傳輸功率位準,讓連結預算適應環境與 RF 法規時擁有最大彈性。
  • 動態可編程波束控制相移器。
  • 低雜訊放大器可搭配功率放大器編程進行連結預算微調。
  • 這種混頻器會從發送和接收頻擾產生中間頻率 (IF)。
  • IF 類比濾波器。
  • 具最高 25 MHz 取樣頻率的類比轉數位轉換器 (ADC)。

MMIC 系統單晶片整合完整 RF 鏈,可提供功能安全性所需的診斷能力水平。

IWR6843 上整合的全數位訊號鏈處理技術,其中提供:

  • 一種雷達硬體加速器,支援 16 位元範圍、都卜勒或到達角度測距快速傅立葉轉換 (FFT),以及傳統雷達訊號處理當中的固定誤報率 (CFAR)。
  • 600-MHz 可完全編程的數位訊號處理器,提供完全客製化的訊號處理能力。
  • 可完整編程的 200-MHz Arm® Cortex®-R4F 微控制器,適用於叢集、追蹤與應用級程式碼。

除了晶粒級整合外,IWR6843 的變體 IWR6843AOP 搭配封裝上天線,可進一步整合並縮小印刷電路板 (PCB) 面積,適合空間受限的應用或 RF 訊號的 PCB 佈線具有挑戰性時。


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圖 1 IWR6843 方塊圖。

3 FMCW

FMCW 提供最簡單的調變機制,以在測量距離時做到長距離和高準確度。FMCW 也提供徑向尺寸 (雷達和目標之間的直線) 速度量測的平均值,例如高速 (如車輛高速) 或是低速 (如胸部在呼吸時的升降情形)。追蹤這類微小的移動通常稱為都卜勒或微都卜勒偵測。

 

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