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项目名称:微型 CMOS全集成人体信道通信芯片

申报单位:信息与电子工程学院   申请人:赵博

项目简介

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1. 项目研究背景
芯片技术关系国家经济命脉, 而我国电子信息行业普遍面临“缺芯之痛”, 2018 年我国集成电路进口总额达 20584.2 亿人民币,比 2017 年增加 19.8%,不仅超过了原油这一战略物资,而且超过了农产品+铁矿+铜+铜矿+医药品的总和。 特别是在医疗健康领域, 核心芯片均为国外所垄断, 造成民众的健康“不由自主”。 在医疗健康的无线体域网中, 传统的可穿戴设备通信芯片采用无线通信的方式,如蓝牙等,其功耗比较高,天线尺寸较大,难以满足未来可穿戴式设备对于小巧便携的需求。
2. 项目负责人及研究团队简介(如为参与的合作研究项目,请说明在其中作出的重要贡献)
赵博,中组部青年千人(优秀类),达林顿奖获得者。 积累了 13 年 CMOS 芯片设计经验,在芯片设计领域发表高水平论文 40 余篇, 曾设计了世界上最小的 Radio 芯片。2013 年获顶级会议 ISLPED 最佳设计奖, 2016 年获 ISCAS 最佳 10 篇论文, 2017 年获国际电路与系统协会顶级奖项-达林顿奖, 2018 年获美国国防部提名“DARPA RISER”。为 IEEE 高级会员、IEEE TBioCAS 的 Associate Editor、IEEE TCAS-II Guest Editor,IEEE BioCAS'2016 的Publication Chair,并担任 ISCAS、 BioCAS、 A-SSCC 等重要国际会议的 TPC 成员,以及 JSSC、 TCAS-I、 TBioCAS 等顶级期刊的长期审稿人。
3. 项目特色和主要创新点
与传统的可穿戴通信(如蓝牙)相比,人体信道通信采用人体表面作为信号传输的媒介,功耗降低为 1/10,而且不需要天线。但是,人体信道通信存在一个致命缺陷:在体表传输的通信信号会淹没低频的人体生理信号(如心电图等)。因此,人体信道通信未能实现在产业界应用。 目前国际上最先进的芯片采用片外滤波器,来实现对干扰的抑制。 本项目致力于解决这个缺陷, 提出一种数字化频谱成型技术, 不需要片外滤波器, 首次实现了全集成。干扰抑制比世界上最先进的芯片多出 6.2dB, 而且芯片尺寸缩小为 1/5。
4. 主要标志性成果(如论文,请说明发表时间、刊物名称;如论著,请说明出版时间、
著作名称; 如获奖,请说明获奖名称、获奖时间和等级; 如专利,请说明专利国别、
批准号;如鉴定,请说明鉴定或验收时间、主要技术指标和水平等)
[1] Bo Zhao, et al, “A Low-Power Compact IEEE 802.15.6 Compatible Human BodyCommunication Transceiver with Digital Sigma-Delta IIR Mask Shaping”, IEEE Journalof Solid-State Circuits (JSSC), Early Access in 2018. (中国大陆平均每年不到 1 篇)
[2] Jingna Mao, Huazhong Yang, Yong Lian, and Bo Zhao (通信作者), “A Five-TissueLayer Human Body Communication Circuit Model Tunable to Individual Characteristics”,IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems (TBioCAS), 2018.
5. 项目在科学前沿上所取得的突破或者对国家和区域重大战略需求方面的贡献情况,请阐述其科学意义和社会价值。项目成果如在主要媒体上公开报道的,请说明媒体名称、报道时间和相关评述。
1) 该项目是芯片设计技术的一个重大突破, 解决了人体信道通信芯片的关键难题,芯片测试指标国际领先, 对推进人体信道通信的产业化起着至关重要的作用。
2)赵博作为第一作者发表 JSSC 论文, 是浙大有史以来第 3 篇 JSSC。 JSSC 自 1966 年创刊以来,大陆地区仅发表文章 50 余篇,即平均每年不到 1 篇。
3) 2018 年 12 月 17 日被浙江新闻、 浙大求是新闻网、 浙大首页大图科学头条、 浙大报道、 浙江在线人文频道科技视野报导; 2018 年 12 月 2 日和 21 日两次被浙江大学官方微博报导; 2018 年 12 月 26 日被搜狐科技报导。

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科学解读

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 随着生活方式日新月异的变化,人们对传统的可穿戴式设备提出了更多新的需求。为了解决如何变得轻便、如何让待机时间更长这一难题,浙江大学信息与电子工程学院赵博研究员设计了低功耗小型化人体信道通信收发机芯片。
    要减少穿戴设备的体积,自然首先想到占体积最大的电池设备。传统的无线通信因为信号在空气中损耗大,所以需要消耗更多能耗,进而增大了电池体积。同时,因为无线收发机需要天线,无形中又增加了体积。
    这两条线索都与无线通信形式有关,赵博采用人体信道通信来解决这两个问题。人体信道通信用人体体表作为信号传输的媒介,能显著降低通信的能耗、而且不需要天线。
    一般而言,通信的发射端安装在健康监测设备上(如心电图监测设备),用户通过接收端(如智能手表、手机等)看到数据。要实现这种信号的通信,需要一个21 MHz的载波,实际系统中这个载波在调制后会有一个长长的“尾巴”,一直拖到接近0Hz的低频。然而,一般的生理信号都在2MHz以下的低频段,因此一旦通信信号打开,它的“尾巴”就会严重干扰人体生理信号(如心电图、脑电图等)的监测。
    那如何“抓到”这些微弱的生理信号呢?其他科研人员早有办法,他们通过在芯片外再叠加一个滤波器,可以实现对“尾巴”的抑制比达到-80.3个分贝。作为实验室的产物,这确实已经为解决问题找到了一条途径。
    但是赵博并不满足于片外滤波器,他想在单芯片上实现“修剪尾巴”。他说,特别是当传输距离远、发射功率高的时候,这个“尾巴”成为人体信道通信的严重问题,只有对其进行有效的修剪,才能避免其对人体生理信号的干扰。
这个方法就是数字化频谱成型技术,能够抑制发射机在2MHz以下的低频频谱。较目前世界上最先进的带低频抑制的人体信道通信芯片相比,该芯片首次实现了全集成,对2MHz处“尾巴”的抑制比达到-86.5个分贝,比国际领先水平改进了6.2个分贝。与此同时,通过技术创新,他还缩减了芯片尺寸,比国际最新的人体通讯芯片减小了80%以上,只有0.6724平方毫米。
 
    赵博希望,未来这项芯片技术能够更早地应用到产业化中,“只有产业化才能体现实验室芯片设计的价值。”他表示,这项技术面向可穿戴式设备,可广泛使用到医疗健康领域,如心电图、肌电图的通信设备。

   

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项目团队

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赵博,中组部青年千人(优秀类),达林顿奖获得者。 积累了 13 年 CMOS 芯片设计经验,在芯片设计领域发表高水平论文 40 余篇, 曾设计了世界上最小的 Radio 芯片。2013 年获顶级会议 ISLPED 最佳设计奖, 2016 年获 ISCAS 最佳 10 篇论文, 2017 年获国际电路与系统协会顶级奖项-达林顿奖, 2018 年获美国国防部提名“DARPA RISER”。为 IEEE 高级会员、IEEE TBioCAS 的 Associate Editor、IEEE TCAS-II Guest Editor,IEEE BioCAS'2016 的 Publication Chair,并担任 ISCAS、 BioCAS、 A-SSCC 等重要国际会议的 TPC 成员,以及 JSSC、 TCAS-I、 TBioCAS 等顶级期刊的长期审稿人。

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  • 评论人:季玮 评论时间:2019-04-03
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