超宽带调频收发机的分析与设计 针对医疗电子无线体域网及无线个人网 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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周波（Bo Zhou） 著

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• 超宽带
• UWB
• 调频
• 收发机
• 医疗电子
• 无线体域网
• 无线个人网
• 通信系统
• 射频电路
• 信号处理
• 低功耗设计

店铺： 妙语书言图书专营店

出版社： 北京理工大学出版社

ISBN：9787568213646

商品编码：29372050960

包装：平装

出版时间：2015-12-01

基本信息

书名：超宽带调频收发机的分析与设计 针对医疗电子无线体域网及无线个人网

定价：36.00元

作者：周波（Bo Zhou）

出版社：北京理工大学出版社

出版日期：2015-12-01

ISBN：9787568213646

字数：

页码：149

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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《超宽带调频收发机的分析与设计 针对医疗电子无线体域网及无线个人网》阐述了超宽带调频收发机的系统架构和工作原理，给出了多款收发机设计实例及测试结果；介绍了众多模拟和射频子模块的结构及电路实现；详细阐释了发射机及接收机设计，并给出了系统级功耗优化方案。
　　全书内容共分8章：章介绍超宽带调频技术的应用及优势；第2章阐述超宽带调频的原理、收发机架构及系统设计考虑；第3章介绍子载波生成的结构和电路设计，并给出芯片Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的测试结果；第4章讨论射频频率调制及中心频率校正的电路实现，并给出芯片Ⅳ和Ⅴ的测试结果；第5章阐述宽带射频鉴频器及子载波处理的架构设计和电路实现，并给出芯片Ⅵ和Ⅶ的测试结果；第6章介绍超宽带调频收发机的射频前端模块及超宽带天线的设计，并给出系统级测试方案、测试结果和链路预算；第7章阐述低功耗收发机设计，提出系统级功耗优化方案，并给出芯片Ⅷ的测试结果；第8章补充介绍超宽带调频发射机的另类实现。

目录

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章 FM-UWB的应用及优势
1．1 超宽带技术
1．2 UWB的分类
1．2．1 IR-UWB
1．2．2 FM-UWB
1．2．3 Chirp-UWB
1．3 UWB在WBAN／WPAN及BioMedical上的应用
1．4 FM-UWB的优势
1．5 本书内容安排

第2章 FM-UWB的原理、架构及系统设计考虑
2．1 FM-UWB的原理及收发机架构
2．2 FM-UWB收发机子模块的实现
2．2．1 子载波生成
2．2．2 射频频率调制及中心频率校正
2．2．3 宽带射频鉴频器
2．2．4 子载波处理
2．3 FM-UWB收发机的系统参数
2．4 FM-UWB收发机的设计考虑
2．4．1 有限模和△一∑的比较
2．4．2 多相与单相结构的比较
2．4．3 高数据率实现
2．4．4 子载波波形选择及失真考虑
2．4．5 子载波调制因子的选择
2．4．6 射频调制因子的选择
2．4．7 低功耗设计考虑
2．4．8 可重构设计
2．5 本章小结

第3章 子载波生成
3．1 子载波生成的架构实现
3．2 子载波生成的电路实现
3．2．1 PFD
3．2．2 电荷泵
3．2．3 相位选择与双模分频器
3．2．4 小数调制器
3．3 子载波生成的核心模块——多相Relax VCO
3．3．1 常见的两相结构
3．3．2 新型的四相结构
3．3．3 独特的八相结构
3．4 带Hvbrid-FIR滤波特性的子载波生成
3．5 测试结果
3．5．1 FSK子载波生成的测试结果
3．5．2 多相RelaxVC0的测试结果
3．6 本章小结

第4章 射频频率调制及中心频率校正
4．1 射频频率调制
4．1．1 适合RFFM的VC0类型
4．1．2 LCVC0的结构选择
4．1．3 RFFM使用的LCVC0电路设计
4．2 射频中心频率校正及其设计考虑
4．3 中心频率校正的电路实现
4．3．1 系统框图
4．3．2 高频分频器
4．3．3 数字鉴频器
4．3．4 积分器
4．3．5 亚连续操作
4．3．6 时钟频率的选择
4．4 双通路射频压控振荡器
4．5 测试结果
4．5．1 高βRF的测试结果
4．5．2 低βRF下的测试结果
4．6 本章小结

第5章 宽带射频鉴频器及子载波处理
5．1 常用的宽带射频鉴频器架构
5．1．1 可再生结构
5．1．2 延时相乘结构
5．2 宽带射频鉴频器的电路实现
5．2．1 基于双带通滤波器的鉴频电路
5．2．2 基于模拟相位内插型延迟线的鉴频电路
5．3 子载波处理的架构设计
5．3．1 四路过零点检测型SCP
5．3．2 单路过零点检测型SCP
5．4 子载波处理的电路实现
5．4．1 抗混叠滤波器
5．4．2 下变频器
5．4．3 低通滤波器
5．4．4 限幅器
5．4．5 数字FSK解调
5．5 测试结果
5．6 本章小结

第6章 FM-UWB收发机的射频前端、天线及系统测试
6．1 发射端的输出放大器
6．2 接收端的预放大器
6．2．1 预放大器电路
6．2．2 预放大器噪声分析
6．3 射频前端寄生效应及封装模型
6．4 UWB天线
6．5 收发机的测试方案
6．6 收发机的测试结果
6．7 收发机的链路预算
6．8 本章小结

第7章 FM-UWB收发机的功耗优化及实现
7．1 收发机功耗优化的可行性分析
7．2 基于数据边沿检测触发的动态功耗优化方法
7．3 动态功耗优化方法在收发机系统中的设计实现
7．4 功耗优化型收发机的设计实例
7．5 测试结果
7．6 本章小结

第8章 FM-UWB发射机的另类实现
8．1 基于电流型子载波的发射机结构
8．2 基于电流型子载波的发射机实现
8．2．1 电流型子载波生成
8．2．2 电流型射频频率调制
8．2．3 基于AFC的频率校正
8．2．4 输出放大器
8．3 本章小结

参考文献

作者介绍

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文摘

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序言

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《超宽带调频收发机的分析与设计——赋能医疗电子无线体域网及无线个人网》 一、 内容概述 本书深入探讨了超宽带（UWB）调频（FM）收发机的原理、关键技术、设计方法及其在医疗电子无线体域网（WBAN）和无线个人网（WPAN）领域的应用。旨在为读者提供一个全面、系统且具备前瞻性的技术指南，以应对日益增长的低功耗、高精度、短距离无线通信需求，特别是在对数据安全、隐私性和实时性有着严苛要求的医疗健康领域。 本书的内容结构紧凑，逻辑清晰，从基础理论的引入，到关键技术环节的深入剖析，再到实际的设计与实现，最后落脚于具体的应用场景，层层递进，力求为读者构建一个完整而深刻的知识体系。 二、 核心技术与原理 1. 超宽带（UWB）技术基础： UWB的定义与特点： 详细阐述UWB作为一种全新的无线通信技术，其核心在于利用极宽的频谱（通常为GHz级别）来实现极短脉冲的传输。重点分析UWB的低功率谱密度、高数据传输速率、出色的抗多径能力、高定位精度以及优异的安全性等关键优势，并将其与传统窄带通信技术进行对比，凸显其独特性。 UWB的频谱划分与应用： 介绍国际上对UWB频谱的划分原则和主要频段，探讨不同频段在特定应用场景下的优势和限制。 UWB的物理层关键技术： 深入解析UWB信号的产生方式，如脉冲无线电（Impulse Radio, IR-UWB）和多载波UWB（Multi-band OFDM, MB-OFDM）等主流技术。详细讲解脉冲的编码、调制（如PAM、PPM、PPM/PAM组合等）以及时域和频域的特征。 2. 调频（FM）在UWB中的应用： FM调制原理回顾： 简要回顾经典的模拟调频（FM）和数字调频（FM）调制原理，为理解UWB-FM结合奠定基础。 UWB-FM收发机的优势： 重点分析将FM调制技术引入UWB信号的必要性和优势。探讨FM调制如何与UWB的短脉冲特性相结合，以实现更灵活的信号设计、更简化的收发机结构、更强的抗干扰能力以及在某些场景下更低的功耗。尤其强调FM在保持UWB固有优势的同时，可能带来的频谱利用效率提升以及在特定应用中的适用性。 UWB-FM信号的时域与频域特性： 详细分析UWB-FM信号在时域上的脉冲形状、周期以及频率的变化规律，并在频域上展示其宽频谱特性，以及FM调制对频谱分布的影响。 3. UWB-FM收发机的关键模块分析： UWB信号产生模块： 探讨实现UWB脉冲信号产生的方法，包括振荡器（如压控振荡器VCO）、脉冲整形电路（如微分器、积分器）以及驱动电路等。详细分析不同电路拓扑对脉冲形状、宽度和频率的控制能力。 FM调制模块： 讲解如何将基带信息信号（如医疗数据、控制信号）加载到UWB脉冲的瞬时频率上。分析压控振荡器（VCO）作为FM调制核心的实现方式，以及与之匹配的滤波器和耦合电路。 UWB信号接收模块： 剖析UWB-FM信号的接收流程，包括天线、低噪声放大器（LNA）、混频器、中频（IF）滤波器、解调器和基带处理电路。重点分析UWB信号的窄脉冲对接收链路设计提出的挑战，以及如何通过高效的匹配滤波、时序恢复和数据判决来提高接收性能。 FM解调模块： 详细介绍UWB-FM信号的解调方法，如斜坡检测器、锁相环（PLL）解调器或数字解调技术。分析不同解调方式的优缺点及其在UWB-FM系统中的适用性。 基带信号处理模块： 探讨接收到的基带信号的后续处理，包括信号放大、滤波、模数转换（ADC）、数据解码、纠错编码（ECC）以及信息提取等。 三、 设计方法与优化策略 1. 电路设计与仿真： 器件选型： 详细指导读者如何根据UWB-FM收发机的性能指标（如工作频率、带宽、功耗、噪声系数、线性度等）来选择合适的半导体器件，包括高频晶体管、二极管、电感、电容以及IC芯片等。 电路拓扑选择： 深入分析不同电路拓扑在UWB-FM收发机中的优劣，例如直放式接收机、超外差接收机、零中频（Zero-IF）接收机等，并结合UWB-FM的特性进行比较和推荐。 PCB版图设计： 强调UWB频率下的PCB版图设计的重要性，包括阻抗匹配、信号完整性、串扰抑制、接地策略以及电磁兼容性（EMC）等方面的注意事项。 仿真工具应用： 指导读者如何使用主流的电路仿真软件（如ADS, Cadence, Spectre等）对设计的电路进行建模、仿真和性能分析，以验证设计方案并指导优化。 2. 性能指标分析与优化： 灵敏度： 分析影响接收机灵敏度的关键因素，如噪声系数（NF）、带宽、匹配滤波器的性能等，并提出优化策略。 动态范围： 探讨接收机在处理强弱信号时的能力，分析阻塞信号和互调失真对动态范围的影响，以及如何通过增益控制、滤波器设计等手段来改善。 抗干扰能力： 详细分析UWB-FM收发机在复杂电磁环境下的抗干扰机制，以及如何通过选择合适的调制方式、滤波器和信号处理算法来提高抗干扰性能。 功耗优化： 针对医疗电子应用中低功耗的需求，详细介绍功耗优化的方法，包括器件的低功耗设计、低功耗工作模式、动态电压与频率调整（DVFS）以及高效的电源管理等。 时序同步与定位精度： 探讨UWB技术在精确测距和定位方面的优势，以及如何通过高精度时序同步算法和接收端的设计来最大化定位精度，这对于医疗监测尤为重要。 四、 医疗电子无线体域网（WBAN）及无线个人网（WPAN）应用 1. WBAN在医疗健康领域的应用： 概念与特点： 详细阐述WBAN是指在人体周围形成的一个小型无线网络，用于连接植入式、穿戴式或附近的医疗传感器设备，实现对生理信号的实时监测。强调其在低功耗、低数据率、高可靠性和高安全性等方面的需求。 UWB-FM在WBAN中的优势： 重点分析UWB-FM收发机如何满足WBAN的严苛要求。例如，UWB的短脉冲和窄带宽特性有助于降低功耗和减少干扰；FM调制可以简化硬件设计，提高频谱利用率；高精度定位能力可以用于患者的精确定位和医疗设备的追踪；良好的安全性则能保护敏感的患者数据。 典型应用场景： 远程生理信号监测： 如心电图（ECG）、血压、血氧、体温、血糖等传感器的无线数据采集与传输，为慢性病管理、老年护理和术后康复提供支持。 植入式医疗设备通信： 如心脏起搏器、胰岛素泵、神经刺激器等与外部控制设备的通信，实现参数设置、数据读取和固件升级。 智能医疗器械连接： 如无线连接的听诊器、血压计、体温计等，方便医护人员进行数据采集和分析。 跌倒检测与紧急呼叫： 利用UWB的定位和运动检测能力，实现跌倒的自动检测并触发紧急求助信号。 医疗设备资产追踪： 在医院内部对医疗设备进行实时定位和追踪，提高管理效率。 2. WPAN在个人及家庭健康领域的应用： 概念与特点： WPAN是连接个人设备（如智能手机、平板电脑、智能穿戴设备）的短距离无线网络，可以延伸至家庭环境，实现设备间的互联互通。 UWB-FM在WPAN中的应用： 智能家居健康管理： 连接智能家居中的健康监测设备（如智能体重秤、智能床垫、智能镜子等），实现健康数据的集中管理和分析。 个性化健康助手： 通过智能手机或智能手表等设备，配合UWB-FM收发机，实现对个人健康信息的实时追踪、运动分析和健康建议。 无线医疗数据同步与共享： 将个人健康数据安全地同步到云端或分享给医生，方便远程诊断和个性化治疗。 增强现实（AR）/虚拟现实（VR）在健康应用中的支持： UWB的低延迟和高精度特性可以为AR/VR在医疗培训、康复治疗等领域的应用提供更好的用户体验。 3. 系统集成与互操作性： 与现有通信标准的兼容性： 讨论UWB-FM系统如何与现有的Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等通信标准进行协同工作，以及在异构网络环境下的互操作性问题。 协议栈设计： 介绍适用于WBAN和WPAN的UWB-FM协议栈设计，包括MAC层、网络层和应用层，确保数据的可靠传输和有效的网络管理。 安全性考量： 重点分析UWB-FM在医疗电子应用中的安全性需求，包括数据加密、认证、访问控制和隐私保护等，并探讨相应的安全机制和设计。 五、 未来展望 本书最后将展望UWB-FM收发机在医疗电子WBAN和WPAN领域未来的发展趋势，例如： 更高的集成度与智能化： 讨论将UWB-FM收发机集成到更小的芯片中，并赋予其更强的AI处理能力，实现更智能的健康监测和预警。 与其他新兴技术的融合： 如与5G/6G、人工智能、大数据等技术的结合，构建更强大、更普惠的智慧医疗生态系统。 在更多前沿医疗领域的应用： 如手术机器人、远程手术、个性化精准医疗等。 总结： 《超宽带调频收发机的分析与设计——赋能医疗电子无线体域网及无线个人网》是一本集理论深度、技术广度与应用实践于一体的专业著作。它不仅为研究人员和工程师提供了坚实的技术基础和实用的设计方法，更为推动医疗电子和个人健康通信技术的发展贡献了重要的参考价值。通过对UWB-FM收发机的深入剖析，本书将有力地支持无线健康监测、远程医疗和个性化健康管理等关键领域的技术创新和应用落地。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧和排版初看之下颇为专业，但深入阅读后，我发现其对“调频（FM）”这一概念的理解和应用似乎与当前UWB领域的主流技术路径存在一定的认知错位。当前UWB技术在实现高精度定位和低功耗通信时，更多地依赖于脉冲的超宽带特性和时域分析，而非传统的窄带FM调制方案。虽然书中花费了不少篇幅讨论了如何将FM技术融入到某些特定的超宽带架构中，但这种结合的必要性和优越性并未得到充分有力的论证。读者很难从中获得一个清晰的认知：为什么在已经有成熟的脉冲重复频率（PRF）调制或直接序列扩频UWB方案时，我们还需要费力地去设计一个“超宽带调频收发机”？书中对相关技术指标的对比分析显得不够全面和客观。例如，在讨论功耗和频谱效率时，它似乎忽略了商业化产品中对兼容性的严格要求——UWB辐射功率必须远低于噪声水平，以避免干扰现有窄带系统。如果书中能更集中火力探讨如何利用FM的某些独特优势来解决WBAN/WPAN中特有的安全性和抗窃听问题，或许这本书的价值会显著提升。目前的呈现更像是对两种技术的简单叠加，而非深度融合后的创新。

评分☆☆☆☆☆

对于一个致力于开发下一代无线个人网（WPAN）解决方案的开发者而言，本书在电磁兼容性（EMC）和人体安全（SAR）评估方面的论述力度实在不够。超宽带技术的一个核心优势是其极低的发射功率，这本应是其在医疗应用中大获全胜的关键。然而，书中对如何进行精确的SAR（比吸收率）计算，以及如何设计符合国际严格标准的滤波和屏蔽结构，只是泛泛而谈。在实际的PCB设计层面，UWB收发机对走线阻抗控制、耦合抑制的要求极高，这本书中缺乏对高频PCB布局与走线艺术的深入指导。我特别希望看到关于如何设计多层板堆叠结构以最小化地线反弹噪声（Ground Bounce）的实例，以及如何有效隔离发射和接收路径，以防止大功率发射脉冲淹没微弱的接收信号。这些都是决定一个原型板能否成功通过认证并进入临床试用的“生死线”。现在看来，这本书更像是一份停留在设计原理阶段的教科书，距离我们实际面对的制造挑战和规范遵循还有一段距离。

评分☆☆☆☆☆

作为一名长期关注前沿通信技术在健康领域应用的研究者，我最近终于拜读了这本《超宽带调频收发机的分析与设计 针对医疗电子无线体域网及无线个人网》。首先必须承认，这本书的选题非常抓人眼球，它精准地落在了当前最具爆发潜力的两个热点——UWB（超宽带）技术和医疗物联网的交汇点上。然而，我阅读下来，最大的感受是它在理论深度与工程实践的衔接上，似乎留下了一些让人略感遗憾的空间。例如，书中对UWB脉冲的生成与接收机制的阐述，虽然涵盖了基本原理，但对于如何在高噪声、低功耗要求的医疗环境中，设计出具备足够抗干扰能力和精确测距性能的实际收发链路，缺乏更深入的系统级仿真和硬件实现层面的剖析。特别是关于多径效应在人体附近复杂的非视距（NLOS）传播环境中如何被有效抑制和利用，书中给出的方案略显保守，更侧重于理论模型的推导，而不是针对特定医疗应用场景（如跌倒检测或生命体征监测）的优化算法探讨。我期待看到更多关于软硬件协同设计的案例，例如如何利用FPGA或专用ASIC来实现实时数字信号处理，以适应无线体域网（WBAN）对极低延迟和高数据率的动态需求。总体而言，它是一本合格的理论入门读物，但对于希望将UWB技术快速落地到临床环境的工程师来说，可能还需要查阅更多具体的标准化文档和实测报告来弥补这方面的不足。

评分☆☆☆☆☆

这本书在设计流程的叙述上，给我一种“先有理论，再找应用”的倒置感，而不是当前工程师更倾向的“由应用需求驱动设计”的模式。例如，它在介绍如何设计一个用于高精度体温传感的UWB链路时，没有首先明确指出医疗级传感所需的最小可分辨温差（Equivalent Temperature Resolution）对应的精度要求，也没有直接给出实现该精度的所需时间分辨率或脉冲带宽的量化指标。所有的设计参数似乎都是基于一个通用的UWB模型推导出来的，缺乏与具体医疗参数（如血糖监测的实时性、心电信号采集的带宽要求等）的强耦合。这使得读者很难将书中的数学公式直接转化为实际的产品规格书。要让这本书真正成为一本实用的设计手册，它需要引入更多自顶向下（Top-Down）的设计实例，从具体的医疗需求出发，反向推导出收发机的关键指标，例如如何通过优化脉冲塑形来最大化信噪比（SNR），同时将功耗控制在微瓦级别，这才是超宽带技术在可穿戴医疗设备中真正需要攻克的难题。

评分☆☆☆☆☆

阅读这本书时，我发现它在系统架构的层次划分上显得有些陈旧。在讨论医疗电子应用时，它似乎仍然主要围绕着传统的点对点通信模型进行展开，对于当前医疗物联网的趋势——即分布式、自组织网状网络（Mesh Networking）和动态频谱共享（DSS）的概念涉猎不足。WBAN和WPAN的未来必然是多节点协同工作，需要收发机具备强大的网络接入能力和智能的波束形成（Beamforming）能力，尤其是在涉及植入式设备时，多普勒效应导致的频率偏移和信道衰落需要更精妙的接收机设计来补偿。书中对MIMO（多输入多输出）技术在UWB-WBAN环境中的应用潜力提及甚少，这在提升数据吞吐量和链路可靠性方面是至关重要的。一个真正面向未来设计的收发机，必须内置高效率的能耗管理模块，能够根据数据传输的重要性动态调整发射功率和工作周期。本书如果能在这些更具前瞻性的网络层和应用层接口上增加讨论，它将更具参考价值。