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德州儀器模擬設(shè)計(jì) | 借助毫米波雷達(dá)傳感器打造可居家使用的多患者非接觸式生命體征傳感器

本文作者：德州儀器點(diǎn)擊： 2025-05-06 12:46

前言：

引言

人類生命體征通常通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，這些系統(tǒng)歷來依靠與患者身體的有線連接，通過心電圖和氧飽和度傳感器的組合來報(bào)告心率和呼吸頻率。這些傳感器很難與新生兒、嚴(yán)重?zé)齻颊摺d癇患者或精神病患者保持持續(xù)接觸。對(duì)于那些行動(dòng)自如的患者，當(dāng)他們?cè)诩抑兴奶幾邉?dòng)時(shí)，監(jiān)測(cè)生命體征可能不那么容易。

毫米波 (mmWave) 雷達(dá)傳感器可以檢測(cè)非常細(xì)微的運(yùn)動(dòng)，即使是患者胸部的起伏。由于胸部運(yùn)動(dòng)受呼吸（基頻）和心率運(yùn)動(dòng)（額外諧波）的影響，因此對(duì)胸部運(yùn)動(dòng)的精細(xì)測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生命體征的非接觸式測(cè)量。

該功能的主要促成因素是傳感器能夠通過調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW) 檢測(cè)和多輸入多輸出 (MIMO) 天線雷達(dá)系統(tǒng)的組合來檢測(cè)患者胸部的位置和速度。

該傳感器還可以檢測(cè)床上的運(yùn)動(dòng)并向護(hù)理人員告知潛在的褥瘡，甚至可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)患者，例如一對(duì)老年夫婦。此外，毫米波傳感器可以檢測(cè)到人員跌倒并實(shí)時(shí)通知護(hù)理人員。

集成的重要

線性調(diào)頻脈沖斜坡線性度是確保 FMCW 系統(tǒng)中準(zhǔn)確且可重復(fù)測(cè)量的參數(shù)之一。將整個(gè)模擬鏈集成在單片微波集成電路上，不僅可以減少設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)之間的差異，還有助于提高整體測(cè)量線性度，因?yàn)榭梢栽诶匣蜏囟确秶鷥?nèi)執(zhí)行有效的監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)。

查看圖 1 中德州儀器 (TI) IWR6843 的方框圖可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)送器-接收器部分的唯一外部元件是標(biāo)準(zhǔn) 40MHz 晶體。除了這個(gè)外部 40MHz 晶體之外，IWR6843 還提供完全的發(fā)送器/接收器集成，具有：

• 斜坡發(fā)生器。

• 小數(shù)鎖相環(huán)。

• 20GHz 壓控振蕩器 (VCO)，當(dāng)從外部路由（或從外部源選擇）時(shí)，可同步多個(gè)前端并在顯著更大的虛擬天線上實(shí)現(xiàn)相干采樣。

IWR6843 還包含用于發(fā)送器和接收器的完整射頻 (RF) 鏈，其中包括：

• 軟件可編程功率放大器，可實(shí)現(xiàn)多級(jí)發(fā)送功率，從而在根據(jù)環(huán)境和射頻法規(guī)調(diào)整鏈路預(yù)算時(shí)實(shí)現(xiàn)更大的靈活性。

• 用于波束控制的動(dòng)態(tài)可編程移相器。

• 低噪聲放大器，當(dāng)與功率放大器一起編程時(shí)，可對(duì)鏈路預(yù)算進(jìn)行微調(diào)。

• 可通過發(fā)送和接收線性調(diào)頻脈沖生成中間頻率 (IF) 的混頻器。

• IF 模擬濾波器。

• 采樣頻率高達(dá) 25MHz 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。

圖1 IWR6843 方框圖

在 MMIC 片上系統(tǒng)集成完整的射頻鏈可實(shí)現(xiàn)功能安全所需的診斷能力水平。

IWR6843 上的全數(shù)字信號(hào)鏈處理集成可提供：

• 雷達(dá)硬件加速器，支持經(jīng)典雷達(dá)信號(hào)處理中的 16 位測(cè)距、多普勒或到達(dá)角快速傅里葉變換 (FFT) 和恒定虛警率 (CFAR)。

• 600MHz 完全可編程的數(shù)字信號(hào)處理器，可實(shí)現(xiàn)完全可定制的信號(hào)處理。

• 完全可編程的 200MHz Arm® Cortex®-R4F 微控制器，用于群集、跟蹤和應(yīng)用級(jí)代碼。

除了裸片級(jí)集成之外，IWR6843 的型號(hào) IWR6843AOP 還在封裝上配有天線，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)集成并減小印刷電路板 (PCB) 面積，適用于空間受限型應(yīng)用或射頻信號(hào)的 PCB 布線具有挑戰(zhàn)性的情況。

FMCW

FMCW 提供了十分簡單的調(diào)制方案，可在測(cè)量距離時(shí)實(shí)現(xiàn)寬范圍和高精度。FMCW 還提供徑向尺寸（雷達(dá)與目標(biāo)之間的線）的速度測(cè)量均值，可以是高速（如汽車速度），也可以是低速（如呼吸時(shí)胸部起伏速度）。此類細(xì)微動(dòng)作的跟蹤通常稱為多普勒檢測(cè)或微多普勒檢測(cè)。

線性調(diào)頻脈沖

線性調(diào)頻脈沖描述了 FMCW 中使用的調(diào)制；瞬時(shí)頻率 f(t) 隨時(shí)間呈線性變化，因此這是一個(gè)線性調(diào)頻脈沖。發(fā)送的線性調(diào)頻脈沖和接收的線性調(diào)頻脈沖之間的頻率差與飛行時(shí)間（到達(dá)目標(biāo)并返回的時(shí)間）成正比，因此與到目標(biāo)的距離成正比。

方程式 1 將發(fā)送的波幅表示為：

其中 K 是發(fā)送頻率以時(shí)間為單位增加的斜率（對(duì)于 IWR6843，該值可以是介于 0 MHz/µs 和 250MHz/µs 之間的任何值），AT 是信號(hào)發(fā)送的振幅（發(fā)送功率），f0 是在線性調(diào)頻脈沖開始處發(fā)送的最低頻率（57GHz 或 60GHz，具體取決于所選的 VCO）。

方程式 2 將接收的波幅表示為：

其中，對(duì)于 δ = (2 × d) / v （是飛行時(shí)間的兩倍），d 是到目標(biāo)的距離，v 是光在介質(zhì)中的傳播速度。

混頻器

混頻器將發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)之間的頻率差進(jìn)行倍增（方程式 3）：

按照三角函數(shù)的基本規(guī)則，混頻器的輸出是兩個(gè)正弦之和：一個(gè)正弦的頻率是 f_TX 和 f_RX 之差，另一個(gè)正弦是兩者之和。

使混頻器的輸出通過低通濾波器可恢復(fù) IF 信號(hào)，其頻率是發(fā)送器和接收器之間的頻率差。

方程式 4 將積化和差公式表示為：

混頻器的輸出通過低通濾波器會(huì)產(chǎn)生 IF，這是發(fā)送器和接收器之間的頻率差（因此是一個(gè)與飛行時(shí)間成正比的量）。

方程式 5 是所得到的 IF 信號(hào)：

ADC 將信號(hào)數(shù)字化；請(qǐng)注意，信號(hào)的頻率遠(yuǎn)低于線性調(diào)頻脈沖的頻率，因此很容易通過普通的 ADC。例如，IWR6843 中 ADC 的最大采樣頻率為 25MHz。

從方程式 5 中，您可以清楚地看到用于測(cè)量胸部運(yùn)動(dòng)的心率和呼吸頻率的多普勒元素來自何處。

FFT 和峰值檢測(cè)

一旦信號(hào)只攜帶相關(guān)信息（yIF 頻率是飛行時(shí)間的鏡像），信號(hào)將通過距離 FFT，然后執(zhí)行 CFAR 算法或閾值化算法。圖 2 所示為不同天線之間的飛行時(shí)間差。

圖 2 每根接收天線的相位增加 MIMO 圖示

概括而言，到達(dá)角是根據(jù)每根接收天線處測(cè)量的飛行時(shí)間差得出。在數(shù)學(xué)層面上，方程式 6 將每根天線的轉(zhuǎn)向矢量定義為：

轉(zhuǎn)向矢量用于在每根天線處組合來自每個(gè)目標(biāo)的信號(hào)。方程式 7 表示通過所有天線從每個(gè)目標(biāo)發(fā)出的所有信號(hào)之和，其中 xi 是第 i 根天線接收的信號(hào)：

方程式 8 對(duì)平均功耗的計(jì)算如下：

傳統(tǒng)的接收波束形成（也稱為 Bartlett 波束形成方法）是基于窄帶陣列的較早的到達(dá)方向估算算法。該算法可更大程度地提高波束形成器相對(duì)于特定方向的輸出功率，將方程式 9 中的最大化關(guān)系表示為：

為了計(jì)算每個(gè) θ 的 P(a(θ))，公式 10 將 R 近似為：

其中 X 是信號(hào)矩陣（方程式 11）：

從這些公式中，您可以看到 MIMO 雷達(dá)如何在三個(gè)維度上實(shí)現(xiàn)位置推導(dǎo)。

沿您想要檢測(cè)的方向進(jìn)行波束控制

使用雷達(dá)傳感器捕獲場(chǎng)景數(shù)據(jù)通常需要對(duì)天線波束寬度提供的整個(gè)視場(chǎng)的每一幀周期進(jìn)行航向掃描。該航向掃描可以捕獲相關(guān)和不相關(guān)物體的反射，您需要從掃描中提取和表述特定對(duì)象，或者在本例中，提取和表述需要測(cè)量生命體征的患者。確定患者位置后，可利用傳輸波束形成來聚焦波束，如前所述。

如果患者不在視軸處，則可以激活波束控制。該功能由每個(gè)發(fā)送器上步長為 5.625° 的 6 位可配置移相器實(shí)現(xiàn)，提供 64 種設(shè)置來覆蓋 0° 至 360° 相移。移相器位于相應(yīng)的功率放大器之前，并根據(jù)主波束的聚焦位置為每個(gè)發(fā)送通道分別進(jìn)行編程，請(qǐng)參閱圖 3。移相器通常是基于矢量調(diào)制器的模擬結(jié)構(gòu)，該調(diào)制器使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器在信號(hào)放大之前對(duì)信號(hào)進(jìn)行相移。

圖 3 發(fā)送級(jí)中包含的移相器

當(dāng)有多個(gè)受試者處于雷達(dá)傳感器的不同方位角時(shí)，您可以實(shí)時(shí)對(duì)移相器進(jìn)行編程，要么幀到幀（通常為 100ms 至 200ms），要么更低（使用子幀時(shí)）。例如，波束可以基于子幀以 20° 的步長在 -60° 至 +60° 的范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，全場(chǎng)景掃描持續(xù)時(shí)間不到 200ms，如圖 4 所示。這有助于在一個(gè)房間內(nèi)全方位檢測(cè)多個(gè)受試者的生命體征，這些受試者的角度各不相同，并由發(fā)送波束依次照亮。

圖 4 將每個(gè)子幀的波束轉(zhuǎn)向角更改 20°

Calibration

為了在電壓和溫度變化時(shí)維持性能，TI 毫米波雷達(dá)器件支持射頻初始化階段（調(diào)用 RfInit() 應(yīng)用編程接口）以及運(yùn)行時(shí)（在應(yīng)用執(zhí)行期間）的啟動(dòng)時(shí)間校準(zhǔn)。圖 5 顯示了校準(zhǔn)類型的示例排序，可能包括以下類型：

• 模擬鎖相環(huán)校準(zhǔn)。

• 合成器 VCO。

• 局部振蕩分布校準(zhǔn)。

• ADC 直流失調(diào)電壓。

• IF 放大器高通和低通截止頻率。

• 峰值檢測(cè)器。

• 發(fā)送和接收增益。

• 靜態(tài)電流失配。

• 發(fā)送移相器。

圖 5 功能線性調(diào)頻脈沖、監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)的時(shí)序

圖 6 說明了射頻前端中的一些集成，用于校準(zhǔn)發(fā)送和接收模擬前端參數(shù)。連同 PA 輸出和 LNA 輸入的功率檢測(cè)器，結(jié)合環(huán)回路徑，可以持續(xù)監(jiān)測(cè)和補(bǔ)償整個(gè)前端。

圖 6 IWR6843 的診斷和監(jiān)測(cè)功能概述

結(jié)論

TI 毫米波器件包含 FMCW 雷達(dá)所需的高度集成功能，只需一個(gè)外部 40MHz 晶體，即可為整個(gè)前端計(jì)時(shí)。此類產(chǎn)品可在三個(gè)維度上檢測(cè)精細(xì)的微多普勒運(yùn)動(dòng)，包括檢測(cè)人類的呼吸和心率。

將多個(gè) TX 鏈與移相器進(jìn)一步集成可實(shí)現(xiàn)發(fā)送波束形成和波束控制，從而在更小的視場(chǎng)中實(shí)現(xiàn) SNR 改進(jìn)，同時(shí)保持 MIMO 運(yùn)行以進(jìn)行 3D 傳感。

最后，所有模擬元件的監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)集成可在器件的整個(gè)生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)一致的性能。這種級(jí)別的模擬集成使多患者非接觸式生命體征傳感器能夠居家使用。

本文來源于德州儀器《模擬設(shè)計(jì)期刊》。《模擬設(shè)計(jì)期刊》由德州儀器工程師和專家精心撰寫并匯編，覆蓋從基礎(chǔ)知識(shí)到先進(jìn)技術(shù)、從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器到傳感器應(yīng)用的廣泛主題，為模擬設(shè)計(jì)新手和資深用戶提供實(shí)用信息和解決方案。

關(guān)于德州儀器

德州儀器（TI）（納斯達(dá)克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導(dǎo)體公司，從事設(shè)計(jì)、制造和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個(gè)人電子產(chǎn)品、企業(yè)系統(tǒng)和通信設(shè)備等市場(chǎng)。我們致力于通過半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，讓世界更美好。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，使我們的技術(shù)變得更可靠、更經(jīng)濟(jì)、更節(jié)能，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。登陸 TI.com.cn 了解更多詳情。

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