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測試與測量  

醫療裝置的RF無線共存測試

上網時間: 2014年01月07日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:RF  無線共存  PXI  LabVIEW  VST 

以NI PXI硬體實現醫療RF共存測試

該應用案例針對奧克拉荷馬大學(OU)無線與電磁相容性與設計(WECAD)中心的系統測試設置──這是一款在2.4GHz ISM頻帶中採用ZigBee的醫療裝置,可提供無線遙測功能。

奧克拉荷馬大學的WECAD中心針對多種無線技術,包含IEEE 802.11a/b/g/n(WiFi)、藍牙、ZigBee、超寬頻(UWB)與無線電話,開發出共存環境與測試協議,並且採用特定的調變、傳輸功率、頻率通道等參數。WECAD中心的目標在於為採用RF通訊與作業於2.4GHz ISM免授權頻帶的醫療裝置開發出無線共存架構與方法。

LOS與NLOS測試:在醫療裝置的相容性測試階段,可能無法隨意調整無線醫療裝置的傳輸功率。在此情況下,無線訊號的路徑損耗可因應測試設置加以調整。無線醫療裝置之間必須保持距離,接收器的接收訊號強度(RSS)應該盡量減低,而且封包錯誤率(PER)要維持在0%。這樣一來即可模擬接收器位於傳輸器行動區域外緣的狀況,打造出最糟情境。IEEE 802.15.4標準規定相容的裝置必須能夠達到-85dBm以上的靈敏度。為了讓正交相移鍵控(QPSK)調變作業達到10e-5的符碼錯誤率,SNR必須維持在13.5dB。將這些需求納入考量,並且補償傳輸器的功率放大器變化(依不同裝置而有所差異),醫療裝置接收器一端所量測到的RSS應該是-70dBm。而且必須執行基準測試,才能證實無線醫療裝置之間的PER為0%。

圖1的測試設置可用來控制待測醫療裝置的接收訊號強度,而且不必在無響室內執行。最好先在無線醫療裝置的測試點執行環境掃瞄,才能在2.4GHz的ISM頻帶中找到背景雜訊。背景雜訊應該維持在-85dBm以下。值得注意的是,測試設置的規模取決於個人需求,重點在於接收器端RF訊號的RSS。

測試設置的規模有兩種選項:LOS與NLOS。就LOS佈署而言,ZigBee的傳輸範圍大約是20~100公尺。但是不一定能夠找到同等大小的無響室,而且可能還有預算問題。奧克拉荷馬大學的WECED中心採用另一種方式,即透過NLOS測試設置來執行共存測試,並確保測試作業可重複執行。根據IEEE 802.15.4,在幾乎所有已執行的量測作業中,變化係數皆低於2%,因此IEEE 802.15.4的RSS距離有直接的關聯,而且相當穩定。

奧克拉荷馬大學WECAD中心以NLOS設置進行無線共存測試。
圖1:奧克拉荷馬大學WECAD中心以NLOS設置進行無線共存測試。

多路徑環境NLOS測試:就多路徑環境NLOS而言,目前已確定時間延遲擴散(Time Delay Spread)會以符際干擾形式造成位元錯誤。較大的時間延遲擴散不容忽視,因此已傳輸的訊號會因為頻率選擇性衰減而受損,而且還會進一步造成無法減輕的位元錯誤。然而,如果傳輸器的符碼率低於同調頻寬,已接收訊號的通道時間延遲擴散所帶來的不利影響可能會被忽略,而且多路徑傳遞只會造成已傳輸訊號衰減的狀況,高斯(Gaussian)雜訊則成為導致位元錯誤的主要原因。就ZigBee傳輸而言,無線網路能夠在迴響室中運作,而且僅受限於超過5,000的Q係數值,遠超過迴響室外其他的常見情況。Q係數為1,000時,ZigBee PER會低於1%。一般來說,在無線醫療裝置的實際運作環境中,Q係數不會是1,000。因此,就NLOS ZigBee網路測試設置來說,可忽略ZigBee無線網路的延遲擴散這個會造成位元錯誤的因素。

基於ZigBee的醫療裝置測試設置:所有的無線節點都應該置於木製桌面上,且距地面1公尺左右的高度。採用NI PXIe-5652的干擾無線網路以及待測無線醫療裝置之間的間隔距離是由ANSI C63-18所決定的。表1所示的最初與最小距離是根據以NI PXIe-5652模擬干擾無線網路所得的傳輸功率而制定的。NI PXIe-5663E放在待測無線醫療裝置附近,可監測干擾網路的工作週期與平均功率。

ANSI C63-18規定的最初距離與最小距離
表1:ANSI C63-18規定的最初距離與最小距離

最好能夠評估干擾網路的無線醫療接收器與傳輸器。取決於干擾無線網路是否在待測無線網路的傳輸器或接收器附近,可能出現各種不同的干擾現象。如果接收器位於干擾網路中,接收器的封包碰撞情況可能會增加,這屬於隱藏的終端效應。相反的,如果傳輸器位於干擾網路中,通道使用率就會降低,這屬於顯而易見的終端效應。

向量訊號收發器(VST)是一種新的儀器,結合了向量訊號產生器(VSG)與向量訊號分析器(VSA),再搭配FPGA架構的即時訊號處理與控制功能。NI VST還配備使用者可設定功能的FPGA,可以直接在儀器的硬體設計中實作客制化演算法。VST可以取代PXI-5662/3儀器。

以NI LabVIEW軟體實現醫療RF共存測試

無線醫療裝置的傳輸參數(如說封包大小、輪詢視窗、明確的通道評估閾值與工作週期)都會影響共存測試的結果。研究結果顯示,封包越大的話,封包損耗的機率就越高。此外,研究結果也指出,隨著輪詢視窗增加,封包損耗的機率卻會降低。此外,如果干擾程度低於裝置靈敏度指定的程度時,就會感測到閒置或空閒通道,而且干擾情況不會影響通訊。

工作週期也稱為通道使用率,主要取決於干擾無線網路所產生與傳輸的流量。根據研究結果,干擾裝置或干擾網路會提高其工作週期,受影響的網路封包損耗率會因此增加,造成暫時或永久的干擾。因此,執行共存測試時,必須使用兩項傳輸參數設定:一般或製造商所建議的預設設定,以及最糟情境設定(即上述所提供的設定)。

小結

透過NI LabVIEW軟體,可測試無線通道活動的特性,包含工作週期、封包之間的間隔分佈、網路活動,從而有助於執行RF共存測試。NI LabVIEW搭配其圖形化程式設計範例,可協助開發工程師完成共存測試所需的RF波形控制作業。


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