医疗设备制造商可在各种无线运用中运用超宽带技能。
超宽带（UWB）是一项高带宽（480-1320Mb/秒）和短间隔（10-50米）的无线传输技能，正逐渐在医疗运用中更多的运用。UWB开端只作为一种军事技能开发，直至1994年美国军方解密后才开端开展其商业用途。前期的UWB芯片组旨在替代干流个人电脑的USB电缆。可是，医疗运用的要求是不同的，因为传输实时视频和超声波图画要求低时刻推迟和确认的数据吞吐量。阻止UWB技能运用的另一个要素是，商业UWB芯片组供货商要求每年的订单量到达几十万以上。不过，现在现已有一些公司供给针对医疗商场的需求和产值的UWB芯片组。医疗设备制造商现已开端将UWB技能用于电子内窥镜、喉镜和超声波传感器。本文介绍如何将超宽带技能运用于电子内窥镜。
将UWB技能用于内窥镜的考虑要素
柔性光学内窥镜有一根长而细的管子，其可被导入患者体内。新式内窥镜在顶端包含了一个光源和一个细小的成像传感器。经过选用新式LED光源和微型CMOS摄像头，这种结构是可行的。内窥镜顶端的LED光源的功耗要远远低于传统高功率光源。因而，一组小小的电池就足以支撑内窥镜作业几个小时。此外，可用铜导线替代贵重的光管。还有另一个优势是图画可以显现在液晶显现器上，并在同一时刻被记录下来。显现器的无线衔接消除了内窥镜的物理约束，使得患者和医师在查看过程中愈加舒适。
数字传输是一种抱负的传输办法，因其能供给高清晰的画面质量和防止失真。因为医师是经过视频监视器来调查他对患者的操作，画面应实时出现在屏幕上—换而言之，推迟要尽或许短。因而，视频信号不能经过紧缩电路或大规模的协议栈。UWB的高带宽、低推迟、低辐射和安定性使得其成为用于内窥镜的抱负无线传输技能。
超宽带无线电技能
以NTSC质量传输未经紧缩的视频需求确认性的数据传送速率至少到达166 MB /秒，而传统技能底子没办法完结这样的数据传送速率。传统的无线技能选用一种取决于频道可用性的无线拜访机制。这意味着接纳规模内的其它设备或许会暂时削减数据带宽。若选用UWB技能，则在会话期间永久地保存一个通道。超宽带技能的协议开支很低，这对削减传输推迟十分重要。经过将数据涣散到128个子载波可树立十分安定的无线通道。接下来将对超宽带技能的其它优势和细节进行讨论。
UWB 无线通讯层
前期的UWB研制根据不同的物理（PHY）和介质拜访操控（MAC）层规范。在曩昔三年里，WiMedia联盟的MAC层和PHY层规范已被大多数超宽带实施者选用。与已拟定的无线传输技能（如WLAN）不同的是，UWB 每个传输通道占用528MHz 的频带。相比之下，无线局域网（WLAN）通道的最大带宽为20 MHz。三个528MHz的频带组成一个频带组。UWB的整个频率规模为3.1~10.6 GHz，被分为5个频带组。现已有作业在频带群1和3的先进双频带收发器。
WiMedia-UWB所选用的是正交频分复用（OFDM）调制技能。每个528MH频带被分红128个子载波，每个子载波的波峰正好处在相邻子载波的零点方位（因而得名‘正交’，见图1，第27页）。传输信息被分配到这128个子载波，每个528MHz信道的最高速率为480 Mb /秒。
因为子载波散布在528MHz 的较大带宽规模，因而支撑十分低的发射功率—37微瓦（相比之下，WLAN答应的发射功耗超过了300 mW）。适于信息传送的宽带和超低发射功率使得UWB在射频（RF）范畴能很好的与其它射频共存。虽然发射功率只要37微瓦，但其传输间隔可到达10米远，并可以穿过一堵25厘米厚的砖墙而不会影响信号传送。
图 1 WiMedia-UWB的每个528 MHz频带被分为128个子载波。
请注意，每个子载波的波峰在其相邻子载波的零点
媒体拜访操控层
UWB无线通讯层担任射频(RF)处理，而媒体拜访操控层则担任办理UWB网络和操控无线通讯状况。当数个UWB设备相距很近时，它们就构成所谓的点对点网络（ad hoc network）。点对点网络不是一个预先规划好的网络，而是由间隔很近的参加设备构建，参加设备可酌情参加和退出。
如图2所示为由三个UWB设备构建的一个点对点网络。其间，设备A对设备C来说是不行见的。坐落图中左边的设备A即使不能“侦听”到设备C，也有或许知道设备C的存在及其所占用的时隙，因为设备A可经过所谓的“信标”(beacon)来了解设备C。信标中包含有相附近设备的相关信息，因而设备可以互相了解。在可以彼此接纳信息的一切设备之间，可以进行任何方向的直接传输数据。
UWB选用时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)办法，即依照时隙和帧来安排传输。UWB传输时隙组合构成超帧(见图4)。超帧分为信标段(BP)和数据传输段(DTP)。信标及有用数据占有超帧的256个媒体拜访时隙，一个媒体拜访时隙继续256μs，一个超帧继续65.5ms。一切能彼此“侦听”到的网络成员都经过收听到的信标来与超帧同步。信标中的信息可视为网络成员的通讯通道。
图 2 对一个点对点网络中的三个UWB设备的描绘
因为准时隙来安排通道，因而并不需求每个设备每时每刻都在接纳和发送数据。一个设备只需每隔65.5ms被唤醒来收听信标；假如该设备没有任何使命，将从头回来睡觉状况，类似于手机延伸电池寿数的睡觉形式。这样就延伸了电池供电体系的作业时刻。
UWB的无线接口很像电缆：假如有多个通讯成员而通道又有限，就有必要对拜访权限进行办理。当计划发送信息到某一通道时，该设备成员需求进行“侦听”以确认该通道是否已被其他设备占用。假如其发现该通道闲暇，就发送信息。
当然，有或许两个设备一起侦听该通道，都发现它是闲暇的，并一起向其发送信息，这便是所谓的“抵触”。产生“抵触”时，设备将测验稍后再拜访通道。这期间，每个设备在重试前都等候一个随机时长。优先级较高的设备或许比优先级较低的设备先进行重试。这种“竞赛拜访”机制是20世纪70年代随以太网创造的，也常用于WLAN。明显，假如要以最低推迟继续地传输一段视频流，这种办法就行不通了。
图3 超级帧被划分红 信标段（BP）和数据传送段（DTP）
为保证能无中止地传输视频流，UWB选用了散布式驻留协议(DRP)。因为UWB根据TDMA，网络成员可保存一些固定的时隙(媒体拜访时隙)以保证和另一设备的通讯。保存通道占用时隙的相关信息在信标时段传送。假如某一时隙被标记为“硬保存”，任何第三方都不行占用该时隙。这是保证视频传输要求确实认性数据传输速率一切必要的。
实施方案
图5所示为内窥镜摄像头单元的框图。窥镜的框图与之类似，除了数字视频接口为显现操控器所替代。UWB物理层根据Wionics Research的RTU7012双波段PHY，契合WiMedia PHY 1.1 和PHY 1.2规范。它可以用于频带组1和3。
在这个比如中，UWB流媒体MAC由苏黎世运用科学大学规划并经过ASIC或FPGA完结，且针对完结低延时的数据传输进行了优化。为了便利将MAC集成到任何体系级芯片（SoC），将ARM高档主机总线（AHB）用作数据传输总线，将ARM外设总线用作操控总线。这些接口使得MAC十分合适集成到根据ARM的体系级芯片。
UWB规范的许多参数都由微操控器固件来操控。这样，在需求增加其它高层协议（如无线USB）时，无须修正任何硬件。运用固件实施方案，可以在规范产生改变的状况下下降危险和进步灵活性。
图 4 电子内窥镜单元的框图
MAC可在UWB设备间以任何方向传输任何数据—而不局限于视频。在这个详细的视频运用中，来自摄像闲的信号经过数字视频接口和AHB传送到SDRAM，该SDRAM用作一个视频中心缓冲器(见图5)。MAC从该SDRAM提取视频数据，并将其传送到UWB网络进行传输。反过来，UWB物理层接纳到的数据则被传送到SDRAM。
在UWB网络和SDRAM之间传输数据时，MAC用作AHB主总线，无需处理器核进行干涉。这意味着，可以将数据传输中解放出来的处理器用于操控后续UWB超帧的MAC设置。在这种架构下，任何AHB总线设备都可成为数据传输的方针或源，无论是传送到UWB-MAC，仍是从UWB-MAC传出。至于和UWB无线模块的接口，UWB-MAC选用WiMedia ECMA369 MAC-PHY接口规范。
内窥镜的其它必备部件包含A/D转换器和用于电池办理的脉宽调制器(PWM)。为将一切部件集成到内窥镜的手柄中，一起坚持低功耗，规范单元ASIC是不错的挑选。但是，假如预知的产值太低，不足以分管本示例中规范单元AS%&&&&&%的开发本钱，可选用可定制的运用处理器（CAP）。这一根据ARM的微操控器具有一切常用的外设和软件驱动以及用于完结用户定制功用的金属可编程逻辑区域。可在CAP金属可编程区域完结UWB-MAC和其它定制IP核，类似于门阵列。该微操控器的其它规范外设，如外部总线接口(EBI)，可用于操控SDRAM，不会导致与内存操控器规划相关的技能危险和本钱。
为便于UWB运用开发，有些供货商供给一款CAP UWB*估套件。CAP器材的固定部分可以作为一个规范的微操控器，和用于仿真金属可编程模块的高密度FPGA协同作业。这个*估套件可以快速地进行装备，仿真现在正开发的规划的功能。可在FPGA中完结UWB-MAC以及其它专用逻辑。
在一块扩展板卡上完结UWB物理层。CAP UWB*测东西套件与一台运转业界规范ARM开发东西的PC衔接，用于完结体系开发和调试。这样的开发办法答应软、硬件开发一起进行，然后大幅缩短了开发时刻。当体系经全面调试后，将UWB MAC和专用逻辑从头映像到CAP的金属可编程模块中，供给了元器材数目较少而完好的UWB收发器。
图5 UWB设备间的MAC数据传送
定论
这种低本钱、中等批量的UWB设备可以用于无线医疗运用。这合适于单向的视频链路，也可以替代超声传感器的粗电缆，一起为患者供给必要的电流绝缘。牙科的X光胶片现在正在被X射线扫描仪所替代，后者可放置在患者口腔的。UWB可用于链接图画显现和存储设备。此外，手术机器人的定位外设可以经过一个牢靠的UWB通道来交流数据。
UWB是一种新式的技能，其具有传输推迟短、传输速率高、功耗小、电磁辐射低的特色。医疗器械制造商现已开端运用视频内窥镜和超声传感器技能，有部分原因是因为UWB具有传统的技能无法完结确实认的数据速率。此外，UWB的协议开支很低，要让医师可以以低推迟或实时地调查患者体内的状况，低协议开支很重要。
