ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ И ОБНАРУЖЕНИЕ ПРОГЛАТЫВАЕМЫХ МАРКЕРОВ СОБЫТИЙ
ELECTROMAGNETIC PROBING AND DETECTION OF SWALLOWED EVENT MARKERS

Ссылка на родственную заявку
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет в соответствии с предварительной заявкой на выдачу патента США № 62/365,727, поданной 22 июля 2016 года, под названием «Электромагнитное зондирование и обнаружение проглатываемых маркеров событий», содержание которой полностью включено в настоящий документ для любых целей.
Уровень техники
[0002] Настоящее изобретение относится, в общем, к различным устройствам и способам зондирования и обнаружения события. В частности, настоящее изобретение относится к проглатываемым идентификаторам, которые используют электромагнитную энергию для передачи сигнала, отображающего событие зондирования или обнаружения.
[0003] Проглатываемые маркеры событий (IEM), которые включают в себя электронные схемы, предназначены для использования в самых разных областях медицины, в том числе для диагностики и лечения. Современные способы обнаружения проглатываемого идентификатора предусматривают установление смачиваемого контакта с двумя точками на коже и измерение разницы потенциалов, возникающей при активации проглатываемого идентификатора. Слабые уровни сигнала и сильный фоновый шум накладывают определенные ограничения на эти стандартные способы, что делает сигналы обнаружения и декодирования, передаваемые проглатываемым идентификатором, сложными и требующими интенсивных вычислений. Два других ограничения придают связи между проглатываемым датчиком и внешним детектором необычный характер. Первое из них заключается в том, что из-за крайне небольшой мощности проглатываемого датчика и его малых размеров может быть обеспечена лишь односторонняя связь. Нет никаких подтверждений, возвращаемых пересылаемому устройству, что характерно практически для всех систем двусторонней связи, которые преобладают во всем мире. Второе ограничение заключается в том, что из-за небольших размеров, ограниченного перечня безопасных материалов, которые могут проглатываться, и очень низких производственных затрат при таком применении с коммерческой точки зрения нецелесообразно - а, вероятно, технически невыполнимо или, по крайней мере, в высшей степени затруднительно - добавлять в цепь синхрогенератор. Таким образом, отличительная особенность, присущая такой связи, заключается в неопределенности по передаваемой частоте. Поскольку большинство систем коммерческой связи работает в среде, где частота известна вплоть до десятков частей на миллион, перед проглатываемым датчиком, который запитывается от источника пониженной мощности и желудочных жидкостей, стоит задача по генерированию центральной частоты с диапазоном изменений, точность которых лежит в пределах +/-1 %. Таким образом, важной составляющей аспектов согласно настоящему изобретению является реализация протокола связи для радиочастотных систем, где мощность передачи очень мала в сравнении с фоновым шумом детектора, а неопределенность по передаваемой частоте высока в сравнении со стандартными современными системами. В сравнении с другими радиочастотными системами проглатываемые датчики характеризуются крайне ограниченными размерами, как в отношении катушек, передающих сигналы, так и любых конденсаторов, которые могут использоваться для аккумулирования энергии в перерывах между сеансами связи. Кроме того, санитарно-гигиенические соображения и мнения регуляторных органов, таких как FDA (Управление по контролю за продуктами питания и лекарственными средствами США), лимитируют количество определенных металлов, которые могут проглатываться пациентом, что ограничивает общую доступную мощность, как для зондирования, так и для связи. Эти протоколы связи эффективно повышают уровни сигнала, доступные для внешнего детектирования и декодирования. Существует запрос на повышение уровней сигнала, принимаемого с проглатываемых идентификаторов, для облегчения их обнаружения, в том числе с помощью приемников, располагаемых на различных частях тела пациента, или носимых пациентами.
Сущность изобретения
[0004] Согласно одному из аспектов настоящего изобретения предложено электронное устройство. Это электронное устройство содержит устройство управления; схему возбуждения, связанную с устройством управления; и источник пониженной мощности, связанный с устройством управления; причем источник пониженной мощности выполнен с возможностью подачи разницы потенциалов на устройство управления и схему возбуждения в результате вхождения источника пониженной мощности в контакт с токопроводящей жидкостью. Источник пониженной мощности содержит первый материал, электрически связанный с устройством управления, и второй материал, электрически связанный с устройством управления и гальванически развязанный с первым материалом. Индуктор соединен со схемой возбуждения, причем схема возбуждения выполнена с возможностью пропускания тока через индуктор, при этом величина тока, пропускаемого через индуктор, варьируется для генерирования кодированного сигнала, который удаленно детектируется приемником.
[0005] Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена приемная схема. Эта приемная схема содержит резонансный контур; малошумящий усилитель напряжения, соединенный с резонансным контуром; и цепь приемника-процессора, связанную с выходом малошумящего усилителя напряжения; при этом приемник-процессор выполнен с возможностью приема аналогового сигнала, отображающего импульсный радиосигнал, преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал и декодирования цифрового сигнала с целью воспроизведения данных, передаваемых в виде импульсного радиосигнала. Кроме того, приемник предназначен для ежедневного ношения пациентом в течение длительного периода времени. Следовательно, его размеры и энергопотребление ограничены.
[0006] Согласно еще одному из аспектов предложена приемная схема. Приемная схема содержит приемный индуктор; трансимпедансный усилитель, связанный с приемной рамкой; усилитель, связанный с выходом трансимпедансного усилителя; и цепь приемника-процессора, связанную с выходом усилителя; при этом приемник-процессор выполнен с возможностью приема аналогового сигнала, отображающего импульсный радиосигнал, преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал и декодирования цифрового сигнала с целью воспроизведения данных, передаваемых в виде импульсного радиосигнала.
[0007] Настоящее изобретение раскрыто выше в общих чертах, и поэтому его описание может содержать определенные упрощения, обобщения, включения и/или пропуски некоторых деталей; соответственно, специалисты в данной области техники должны понимать, что краткое раскрытие настоящего изобретения носит исключительно иллюстративный, а ни в коем случае НЕ ограничительный характер. Прочие аспекты, признаки и преимущества устройств и/или процессов и/или иной предмет заявленного изобретения, описанные в настоящем документе, станут понятными после ознакомления с идеями, представленными в настоящем документе.
[0008] Согласно одному или более аспекту настоящего изобретения сопутствующие системы включают в себя, помимо прочего, схемы и/или средства программирования для реализации аспектов способа, описываемого в настоящем документе; при этом схемы и/или средства программирования могут представлять собой по существу любое сочетание аппаратных средств, программного обеспечения и/или программно-аппаратных средств, выполненных с возможностью реализации аспектов способа, описываемого в настоящем документе, в зависимости от варианта конструкции, выбранного разработчиком системы. Помимо указанных аспектов в содержании настоящего документа, включая текст (например, формулу и/или подробное описание) и/или чертежи настоящего изобретения, изложены и описаны различные иные аспекты способа и/или системы.
[0009] Представленное выше краткое раскрытие настоящего изобретения носит исключительно иллюстративный характер, и предполагается, что оно никоим образом не ограничивает объем прилагаемой формулы. Помимо иллюстративных аспектов и признаков, описанных выше, после ознакомления с последующим подробным описанием и в привязке к чертежам станут очевидными дополнительные аспекты и признаки заявленного изобретения.
Краткое описание чертежей
[0010] Новые признаки аспектов, описанных в настоящем документе, подробно раскрыты в прилагаемой формуле. Однако эти аспекты, как в отношении их организации, так и в отношении способов их применения, можно лучше понять, ознакомившись с последующим описанием в привязке к прилагаемым чертежам, где:
[0011] На фиг. 1 проиллюстрирована система распознавания и обнаружения на базе электромагнитного поля согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0012] На фиг. 2 показан человек, проглотивший проглатываемый идентификатор согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0013] На фиг. 3 показан приемник для обнаружения электромагнитного поля, создаваемого проглатываемым идентификатором, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0014] На фиг. 4A показан вид сбоку проглатываемого идентификатора согласно одному из аспектов настоящего изобретения, содержащего гальванически развязанный элемент.
[0015] На фиг. 4B показан вид сверху проглатываемого идентификатора согласно одному из аспектов настоящего изобретения, содержащего гальванически развязанный элемент.
[0016] На фиг. 5 представлена блок-схема одного из аспектов проглатываемого идентификатора согласно одному из аспектов настоящего изобретения, содержащего разнородные металлы на своих противоположных концах.
[0017] На фиг. 6 представлена блок-схема еще одного из аспектов проглатываемого идентификатора согласно одному из аспектов настоящего изобретения, содержащего разнородные металлы на одном и том же своем конце, отделенные друг от друга непроводящим материалом.
[0018] На фиг. 7 проиллюстрирован ионный перенос или путь прохождения тока через электропроводящую жидкость, когда проглатываемый идентификатор, показанный на фиг. 9, входит в контакт с проводящей жидкостью и находится в активном состоянии, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0019] На фиг. 7A представлен увеличенный вид поверхности разнородных материалов, показанных на фиг. 7, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0020] На фиг. 8 проиллюстрирован проглатываемый идентификатор, показанный на фиг. 5, с pH датчиком согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0021] На фиг. 9 представлена блок-схема, иллюстрирующая один из аспектов устройства управления, используемого в системе, показанной на фиг. 5 и 6, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0022] На фиг. 10 показан первый компонент с индуктором согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0023] На фиг. 11 показан второй компонент с индуктором согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0024] На фиг. 12 проиллюстрирован проглатываемый идентификатор согласно одному из аспектов настоящего изобретения, который включает в себя проводящий коммуникационный компонент и компонент с индуктором.
[0025] На фиг. 13 представлен вид в разрезе сбоку, иллюстрирующий проглатываемый идентификатор, показанный на фиг. 12, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0026] На фиг. 14 проиллюстрирован один из аспектов проглатываемого идентификатора, показанного на фиг. 4A и 4B, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0027] На фиг. 15 проиллюстрирован один из аспектов проглатываемого идентификатора, показанного на фиг. 12-13, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0028] На фиг. 16 проиллюстрирован проглатываемый идентификатор согласно одному из аспектов настоящего изобретения, содержащий интегральную микросхему и отдельный компонент с индуктором, сформированным на отдельной подложке.
[0029] На фиг. 17 проиллюстрирован проглатываемый идентификатор согласно одному из аспектов настоящего изобретения, содержащий индуктор, сформированный на непроводящей мембране.
[0030] На фиг. 18 проиллюстрирован проглатываемый идентификатор согласно одному из аспектов настоящего изобретения, содержащий индуктор, сформированный на одном или обоих разнородных материалах, показанных на фиг. 13, после напыления разнородных материалов на интегральную микросхему.
[0031] На фиг. 19 представлено схематическое изображение проглатываемого идентификатора, содержащего индуктор и однотактную схему возбуждения индуктора, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0032] На фиг. 20 представлено схематическое изображение проглатываемого идентификатора, содержащего индуктор и двухтактную схему возбуждения индуктора с Н-мостом, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0033] На фиг. 21 представлено схематическое изображение проглатываемого идентификатора согласно одному из аспектов настоящего изобретения, содержащего индуктор и однотактную схему возбуждения индуктора, где слой первого металла разделен на две области, а слой второго металла предусмотрен в одной области.
[0034] На фиг. 21A представлено схематическое изображение проглатываемого идентификатора согласно одному из аспектов настоящего изобретения, содержащего индуктор и однотактную схему возбуждения индуктора, где слой первого металла разделен на две области и слой второго металла разделен на две области.
[0035] На фиг. 22 представлено схематическое изображение проглатываемого идентификатора согласно одному из аспектов настоящего изобретения, содержащего индуктор и двухтактную схему возбуждения индуктора с Н-мостом, где слой первого металла разделен на две области, а слой второго металла предусмотрен в одной области.
[0036] На фиг. 22A представлено схематическое изображение проглатываемого идентификатора согласно одному из аспектов настоящего изобретения, содержащего индуктор и двухтактную схему возбуждения индуктора с Н-мостом, где слой первого металла разделен на две области и слой второго металла разделен на две области.
[0037] На фиг. 23 показана структура индуктивного элемента или индуктора, сформированного на изолирующей подложке, который может быть использован в качестве индуктивного элемента в интегральной микросхеме проглатываемого идентификатора, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0038] На фиг. 24 показана структура многослойного индуктивного элемента или индуктора, сформированного на изолирующей подложке, который может быть использован в качестве индуктивного элемента в интегральной микросхеме проглатываемого идентификатора, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0039] На фиг. 25 показана конфигурация двухслойного двухполюсного индуктора согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0040] На фиг. 26 представлено схематическое изображение двухслойного двухполюсного индуктора, показанного на фиг. 25, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0041] На фиг. 27 представлена схема двухслойного двухполюсного индуктора, показанного на фиг. 25 и 26, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0042] На фиг. 28 показана конфигурация четырехслойного двухполюсного индуктора согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0043] На фиг. 29 представлено схематическое изображение четырехслойного двухполюсного индуктора 612, показанного на фиг. 28, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0044] На фиг. 30 представлена схема четырехслойного двухполюсного индуктора, показанного на фиг. 28 и 29, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0045] На фиг. 31 проиллюстрирована конфигурация n-слойного n-полюсного индуктора согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0046] На фиг. 32 представлено схематическое изображение n-слойного n-полюсного индуктора, показанного на фиг. 31, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0047] На фиг. 33 представлена схема n-слойного n-полюсного индуктора, показанного на фиг. 31 и 30, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0048] На фиг. 34 проиллюстрирована конфигурация симметричного двухслойного трехполюсного индуктора с отводом от средней точки согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0049] На фиг. 35 представлено схематическое изображение двухслойного трехполюсного индуктора с отводом от средней точки, показанного на фиг. 34, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0050] На фиг. 36 представлена схема индуктора, показанного на фиг. 34 и 35, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0051] На фиг. 37 показана принципиальная схема резонансной (колебательной) схемы возбуждения индуктора согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0052] На фиг. 38 представлена блок-схема импульсной схемы возбуждения индуктора согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0053] На фиг. 39 представлена принципиальная схема импульсной схемы возбуждения индуктора, показанной на фиг. 38, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0054] На фиг. 40 представлена структурная схема схемы удвоителя напряжения батареи, показанной на фиг. 38 и 39, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0055] На фиг. 41 представлена принципиальная схема каскадов каждого контура удвоителя напряжения, показанного на фиг. 40, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0056] На фиг. 42 представлена принципиальная схема цепи генератора импульсов, показанной на фиг. 38 и 39, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0057] На фиг. 43 представлена упрощенная принципиальная схема разрядной схемы индуктора, показанной на фиг. 38 и 39, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0058] На фиг. 44 представлен график синхронизации и полярности импульсного коммуникационного протокола, который может быть сформирован импульсной схемой возбуждения индуктора, показанной на фиг. 38-43, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0059] На фиг. 45 представлен график шаблонной функции и функции самосвертки разреженных импульсов импульсного коммуникационного протокола, проиллюстрированного на фиг. 44, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0060] На фиг. 46 представлен график изменяемых шаблонов, который может быть использован для идентификации передающей частоты импульсной функции, показанной на фиг. 44, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0061] На фиг. 47 показан приемник с управлением по напряжению, предназначенный для обнаружения электромагнитного поля, генерируемого проглатываемым идентификатором, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0062] На фиг. 48 показано графическое представление импульсного отклика приемного индуктора согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0063] На фиг. 49 показан приемник с управлением по напряжению, предназначенный для обнаружения электромагнитного поля, сгенерированного проглатываемым идентификатором, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0064] На фиг. 50 показан приемник на переключателях тока согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0065] На фиг. 51 показана еще одна приемная схема согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0066] На фиг. 52 проиллюстрирована схема приемника, содержащая приемные индукторы, расположенные перпендикулярно друг к другу, и соответствующие приемники, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0067] На фиг. 53 проиллюстрирована схема приемника, содержащая приемные индукторы, расположенные перпендикулярно друг к другу, и соответствующие приемники, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
1
n
[0068] На фиг. 54 проиллюстрирована схема приемника, содержащая множество приемных индукторов L1-Ln и множество приемников RX-RX, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0069] На фиг. 55 показана приемная схема согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0070] На фиг. 56 представлен график, иллюстрирующий спектр передачи импульсов, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0071] На фиг. 57 представлен график синхронизации и полярности импульсного коммуникационного протокола, который может быть сформирован импульсной схемой возбуждения индуктора, показанной на фиг. 38-43, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0072] На фиг. 58 представлен график синхронизации и полярности импульсного коммуникационного протокола, который может быть принят приемными схемами, показанными на фиг. 47-53, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0073] На фиг. 59 представлен график синхронизации и полярности импульсного коммуникационного протокола, который может быть принят приемными схемами, показанными на фиг. 47-53, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0074] На фиг. 60 проиллюстрирован 40-битный пакет, принятый приемными схемами, показанными на фиг. 47-53, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0075] На фиг. 61 представлен тонкий спектр пакета, принятого приемными схемами, показанными на фиг. 47-53, согласно одному из аспектов настоящего изобретения.
[0076] На фиг. 62 представлен график, иллюстрирующий пример последовательности импульсов с элементарными сигналами «ноль»; и график, иллюстрирующий пример последовательности импульсов с элементарными сигналами «единица».
[0077] На фиг. 63 представлен график комбинированных данных (0+1), увязанных с шаблоном, иллюстрирующий нахождение частоты и совмещения, где максимальный пик определяет оба эти параметра.
[0078] На фиг. 64 показано графическое представление элементарного подсигнала «A» и элементарного подсигнала «B» согласно графикам, указанным выше.
[0079] На фиг. 65 представлен график, иллюстрирующий, как комбинирование элементарных подсигналов «А» и «В» согласно представленным выше описаниям дает элементарный сигнал «ноль» = [A B] и элементарный сигнал «единица» = [B A].
[0080] На фиг. 66 представлен график, иллюстрирующий, как может выглядеть составной сегмент при SNR (отношение «сигнал-шум») = 5000.
[0081] На фиг. 67 показан график шаблона, который был получен путем суммирования элементарного подсигнала «А» и элементарного подсигнала «В», и который используется при декодировании с целью установления корректной частоты и начальной точки пакета.
[0082] На фиг. 68 представлен график типичной свертки с низким уровнем шума для составного сегмента по наилучшему совпадению; зависимость суммарной свертки шаблона от числа сегментов.
[0083] На фиг. 69 представлен график спектра при SNR = 5000, представляющий собой график зависимости максимальных значений свертки для каждой предполагаемой частоты от предполагаемой частоты.
[0084] На фиг. 70 показаны оценки веса элементарного подсигнала «A» для каждого сегмента в случае со сверхмалым уровнем шума: (ось X: число сегментов; ось Y: корреляционное значение).
[0085] На фиг. 71 представлен увеличенный вид веса элементарного подсигнала «А» в начале пакета: (ось X: число сегментов; ось Y: корреляция с «шаблоном A»).
[0086] На фиг. 72 показано нанесение на график корреляционных значений элементарного подсигнала «A» и элементарного подсигнала «В».
[0087] На фиг. 73 представлен график зависимости значений элементарного сигнала «ноль» от числа сегментов.
[0088] На фиг. 74 представлен график зависимости веса элементарного сигнала «ноль» и элементарного сигнала «единица» от числа сегментов.
[0089] На фиг. 75 представлен график зависимости оценок веса битовой длины от числа сегментов.
[0090] На фиг. 76 представлен график, иллюстрирующий пакет с низким уровнем шума, где показаны две линии: более глубокая линия обозначает вес битовой длины, а менее глубокая линия обозначает дешифрованное значение бита.
[0091] На фиг. 77 показаны четыре графика, иллюстрирующие наилучший составной сегмент при разных отношениях «сигнал-шум».
[0092] На фиг. 78 представлены различные графики, иллюстрирующие суммы «bestThisSums», которые представляют собой «наилучшие суммы», свернутые с использованием «шаблона», для различных значений SNR.
[0093] На фиг. 79 показаны различные графики спектра при разных значениях SNR.
[0094] На фиг. 80 показаны оценки веса битовой длины, использованные для успешного декодирования пакета, при указанных разных уровнях SNR.
[0095] На фиг. 81 показаны первые четыре элементарных сигнала «А» для дополнительного «короткоимпульсного» протокола.
[0096] На фиг. 82 показан график переданного сигнала, исходя из предположения, что на каждый идентификатор приходится 240 элементарных сигналов.
[0097] На фиг. 83 показаны оценки веса элементарного подсигнала «А» по каждому сегменту для случая со сверхмалым уровнем шума.
[0098] На фиг. 84 показаны оценки веса элементарного сигнала «F» по каждому сегменту для случая со сверхмалым уровнем шум.
[0099] На фиг. 85 представлен график зависимости оценок веса всех элементарных сигналов «A»-«W» от числа сегментов.
[0100] На фиг. 86 представлен график, иллюстрирующий зависимость оценок веса каждого идентификатора от числа сегментов.
[0101] На фиг. 87 представлен график, иллюстрирующий пакет с низким уровнем шума (-5,5 дБ).
[0102] На фиг. 88 приведен пример корректной частоты с низким уровнем шума, иллюстрирующий первый составной сегмент из сегментов длиной идентификатора.
[0103] На фиг. 89 показан второй составной сегмент из сегментов длиной идентификатора.
[0104] На фиг. 90 представлено два графика, на которых показаны, соответственно, указанные выше первый и второй составные сегменты в присутствии шума.
[0105] На фиг. 91 показан шаблон, использованный для сегментов длиной идентификатора.
[0106] На фиг. 92 проиллюстрирована свертка составного сегмента, показанного на графике 2270, с использованием шаблона, показанного на фиг. 91.
[0107] На фиг. 93 проиллюстрирована свертка составного сегмента, показанного на графике 2280, с использованием шаблона, показанного на фиг. 91.
[0108] На фиг. 94 показан спектр, иллюстрирующий суммы величин двух пиков для каждого сегмента длиной идентификатора в зависимости от частоты; а на фиг. 95 показаны спектры как для анализа растяжения/сжатия сегментов длиной кадра, так и для анализа растяжения/сжатия сегментов длиной идентификатора.
[0109] На фиг. 96 представлены результаты работы с повышенным уровнем шума, где график показывает спектр для сегментов длиной кадра в зависимости от частоты, а SNR = -13.5 дБ.
[0110] На фиг. 97 показана зависимость спектра сегментов длиной кадра от частоты, где SNR = -17,5 дБ, но только с 120 элементарными сигналами в расчете на идентификатор.
[0111] На фиг. 98 представлен указанный выше второй сегмент с тем же набором данных, что и на графике 2280 (см. фиг. 90), но при частоте на 10 единиц выше.
[0112] На фиг. 99 показан второй составной сегмент из сегментов длиной идентификатора с величиной SNR = 7 дБ, но при частоте 551 единиц вместо 501.
[0113] На фиг. 100 представлен график, иллюстрирующий спектр грубых частот для эмулятора датчика на расстоянии 9 дюймов от детектора.
[0114] На фиг. 101 представлен график, иллюстрирующий спектр точных частот для эмулятора датчика на расстоянии 9 дюймов от детектора.
[0115] На фиг. 102 представлен график, иллюстрирующий составной сегмент длиной кадра, полученный с детектора на расстоянии 9 дюймов от источника.
[0116] На фиг. 103 представлен график, иллюстрирующий BestSums с использованием данных, собранных на расстоянии 9 дюймов от источника.
[0117] На фиг. 104 представлен график, иллюстрирующий идентификаторы и уровни сигнала пакета с использованием данных, собранных на расстоянии 9 дюймов от источника.
[0118] На фиг. 105 представлен график, иллюстрирующий спектр грубых частот для эмулятора датчика на расстоянии 24 дюйма от детектора.
[0119] На фиг. 106 показан спектр точных частот P3SS2 для эмулятора датчика на расстоянии 24 дюйма от детектора.
[0120] На фиг. 107 показан полнокадровый спектр точных частот для эмулятора датчика на расстоянии 24 дюйма от детектора.
[0121] На фиг. 108 представлен график, иллюстрирующий лучший составной полнокадровый сегмент вместе с наилучшим шаблоном для сигнала, полученного на расстоянии 24 дюйма от источника.
[0122] На фиг. 109 представлен график, иллюстрирующий результат BestSums (результат свертки шаблона с составным сегментом) по данным, собранным на расстоянии 24 дюйма от источника.
[0122] На фиг. 110 представлен график, иллюстрирующий значения идентификаторов и результаты декодирования пакета по данным, собранным на расстоянии 24 дюйма от источника.
[0124] На фиг. 111 представлен график, иллюстрирующий BestSums с использованием данных, собранных на расстоянии 24 дюйма от источника.
Подробное описание изобретения
[0125] Последующее подробное описание представлено в привязке к прилагаемым чертежам, которые являются его неотъемлемой частью. На этих чертежах одни и те же компоненты на нескольких видах обозначены одинаковыми символами и номерами позиций, если иное не явствует из контекста. Иллюстративные аспекты, раскрытые в подробном описании, на чертежах и в формуле настоящего изобретения, не следует рассматривать как носящие ограничительный характер. При этом могут быть использованы и иные аспекты, и могут быть внесены другие изменения без отступления от объема или сущности заявленного предмета, представленного в настоящем документе.
[0126] Перед представлением детального описания различных аспектов зондирования и обнаружения проглатываемых идентификаторов с использованием электромагнитных сигналов следует отметить, что различные аспекты, раскрытые в настоящем документе, не ограничены в своем применении или использовании деталями конструкции и схемой расположения составных частей, которые проиллюстрированы на прилагаемых чертежах и в описании. Правильнее сказать, что раскрытые аспекты могут быть включены или интегрированы в другие аспекты, их вариации и модификации, и могут быть осуществлены или практически реализованы различными способами. Соответственно, аспекты зондирования и обнаружения проглатываемых идентификаторов с использованием электромагнитных сигналов, которые описаны в настоящем документе, носят иллюстративный характер, и никоим образом не ограничивают объем или применение заявленного изобретения. Более того, если не указано иное, термины и выражения, используемые в представленной заявке, были выбраны с целью описания аспектов таким образом, чтобы это было удобно читателю, и не претендуют на то, чтобы ограничивать их объем. Кроме того, следует понимать, что любой один или более раскрытый аспект, вариант представления аспекта и/или его пример может быть объединен с одним или более другим раскрытым аспектом, вариантом представления аспекта и/или его примером без каких бы то ни было ограничений.
[0127] Кроме того, при ознакомлении с последующим описанием следует понимать, что такие термины, как «передний», «задний», «внутренний», «наружный», «верхний», «нижний» и т.п. являются словами, используемыми из соображений удобства, и их не следует рассматривать как носящие ограничительный характер. Терминология, используемая в настоящем документе, не должна восприниматься как ограничительная в том смысле, что устройства, раскрытые в настоящем документе, или их части могут быть подсоединены или использованы с другой ориентацией. Различные аспекты будут подробнее описаны в привязке к чертежам.
[0128] Как было указано выше, стандартные средства обнаружения проглатываемого идентификатора предусматривают установление смачиваемого контакта с двумя точками на коже и измерение разницы потенциалов, обусловленной электрическим током, протекающим через тело пациента после активации проглатываемого идентификатора. Слабые уровни сигнала и сильный фоновый шум могут накладывать определенные ограничения на эти стандартные способы, использующие электрический ток, что делает сигналы обнаружения и декодирования, передаваемые проглатываемым идентификатором, сложными и требующими интенсивных вычислений. Кроме того, при использовании обычных способов зондирования и обнаружения сигнал пропадает или «замирает»», поскольку приемник перемещается из брюшной полости в сторону таких участков тела, как шея, грудной отдел или грудная клетка, рука, запястье, нога или, например, бедро.
[0129] Общий обзор
[0130] Согласно различным аспектам настоящего изобретения для генерирования электромагнитных сигналов может быть использована электромагнитная катушка в виде электрического проводника, такого как провод в форме катушки, спирали или змеевика. Электрические токи, генерируемые в электромагнитных катушках, взаимодействуют с магнитными полями в таких устройствах, как индукторы и сенсорные обмотки. При этом либо электрический ток проходит через провод катушки, генерируя магнитное поле, или же внешнее магнитное поле, меняющееся во времени и проходящее через внутреннее пространство катушки, генерирует электродвижущую силу (напряжение) в проводнике. Как будет подробнее описано ниже, электромагнитный сигнал может быть сгенерирован индуктором, сформированным на полупроводниковой подложке, содержащей активные зоны устройства. Проводящие элементы индуктора могут быть сформированы на диэлектрическом слое, лежащем поверх полупроводниковой или, например, стеклянной подложки. Проводящие элементы могут быть структурированы с формированием рисунка и вытравлены с получением требуемой формы, такой как, например, плоская спираль. Область подложки, расположенная под индуктором, может быть удалена с целью уменьшения коэффициента индуктивной добротности. Обращение тока при беспроводной связи и потребность в устройствах беспроводной связи меньших размеров стимулируют значительные усилия, направленные на оптимизацию и миниатюризацию электронных устройств радиосвязи. Пассивные компоненты (такие как индукторы, конденсаторы и трансформаторы) играют важную роль в работе этих устройств, и поэтому прикладываются усилии, нацеленные на уменьшение размеров и повышения эффективности производства и КПД (коэффициента полезного действия) указанных пассивных компонентов.
[0131] Дискретные индукторы и конденсаторы представляют собой пассивные электромагнитные компоненты, применяемые в устройствах, использующих переменный ток и радиочастоты, таких как генераторы колебаний, усилители и фильтры сигналов, для обеспечения частотно-зависимых эффектов. В частности, напряжение на индукторе зависит от произведения индуктивности и производной по времени тока, протекающего через индуктор. Стандартный индуктор содержит множество обмоток, охватывающих сердечник, выполненный из ферромагнитного или изоляционного материала. Хотя сердечник индуктора не является обязательным компонентом, использование, например, ферромагнитного сердечника повышает величину индуктивности. Индуктивность также зависит от количества витков катушки (в частности, индуктивность пропорциональна квадрату числа витков) и площади сердечника. Стандартные дискретные индукторы выполняются в виде спирали (эта форма также называется соленоидной) или тороида. Сердечник обычно изготавливается из железа, кобальта или никеля (или ферромагнитного сплава), характеризующегося наличием магнитных доменов. Ток, подаваемый на индуктор, возбуждает магнитное поле в материале сердечника, инициируя упорядочивание доменов, что в итоге повышает проницаемость материала, а это - в свою очередь - повышает индуктивность.
[0132] Разработки, осуществляемые в области полупроводников в течение многих лет, направлены на получение более производительных устройств с уменьшенными размерами. Одна из задач, стоящих перед разработчиками и производителями полупроводниковых схем, заключается в интеграции высокопроизводительных конденсаторов и индукторов в полупроводниковое устройство. В идеальном варианте эти компоненты формуются на относительно небольшой площади поверхности полупроводниковой подложки с использованием способов и методик, типичных для сферы производства полупроводников. Однако в сравнении с размерами топологических элементов и шириной печатных проводников активных устройств индукторы и конденсаторы слишком велики, и их сложно встроить в полупроводниковые устройства, которые обычно характеризуются размерами субмикронного диапазона. Следует иметь в виду, что индукторы могут быть сформированы, например, на стеклянной подложке, а не на полупроводниковой подложке.
[0133] Большинство индукторов, формируемых на полупроводниковой или стеклянной подложке, имеют форму спирали, причем плоскость этой спирали располагается параллельно поверхности подложки. Для формирования спирального индуктора могут быть использованы самые разные способы, такие как, например, маскирование, формирование рисунка и травление слоя проводящего материала, сформированного на поверхности подложки. Может быть также сформировано множество взаимосвязанных спиральных индукторов для получения требуемых свойств индуктивности и/или для упрощения процесса производства. См., например, патент США № 6,429,504, описывающий многослойный спиральный индуктор; и патент США № 5,610,433, в котором раскрыт высокоэффективный индуктор с высоким коэффициентом добротности, состоящий из множества слоев, каждый из которых содержит два и более подслоя. Катушки, расположенные в различных слоях, могут быть соединены друг с другом, например, по последовательной схеме таким образом, что ток протекает через индукторы в одном и том же направлении.
[0134] Коэффициент добротности (Q), представляющий собой важный показатель качества индуктора, определяется как отношение индуктивного реактивного сопротивления к активному сопротивлению. Индукторы с высоким коэффициентом добротности (например, с низким активным сопротивлением) дают узкий пик Q в зависимости от частоты входного сигнала, где пик наблюдается на резонансной частоте индуктора. Индукторы с высоким коэффициентом добротности особенно целесообразно использовать в частотно-зависимых цепях с узкими полосами пропускания частот. Например, повышение показателя Q для индуктора, функционирующего в составе генератора колебаний, снижает уровень фазовых шумов этого генератора колебаний и удерживает частоту генератора колебаний в более узком частотном диапазоне. Поскольку величина Q находится в обратной зависимости от активного сопротивления индуктора, минимизация активного сопротивления приведет к повышению величины Q. Один из известных способов минимизации активного сопротивлении заключается в увеличении площади поперечного сечения проводящего материала, образующего индуктор.
[0135] Различные аспекты настоящего изобретения эффективно применяют альтернативные физические явления к стандартным способам обнаружения проглатываемого идентификатора с помощью электрического тока. Согласно одному из аспектов, например, настоящее изобретение предлагает способы зондирования и обнаружения проглатываемых идентификаторов с помощью электромагнитных полей, генерируемых электрическими токами, возбуждаемыми в желудочной жидкости проглатываемым идентификатором, который может без особого труда перемещаться внутри и на поверхности тела пациента. Для приема электромагнитного поля и его преобразования в напряжение может использоваться приемное устройство, т.е. антенна, такая как индуктор. После этого указанное напряжение может приниматься любыми подходящими для этой цели устройствами, такими как дискретные или интегральные электронные схемы. См., например, работу «Связь с участками тела: моделирование каналов, системы связи и ЭМС», авторы Wang, Jianqing и Qiong Wang, Сингапур, издательство John Wiley & Sons Singapore Pte. Ltd., 2013 год, где раскрыты способы обеспечения связи с участками тела.
[0136] Для обеспечения узкой направленности с тем, чтобы приемник электромагнитного поля не снимал сигналы с соседних пациентов, поверх приемной антенны (например, индуктора) может быть установлен магнитный экран. При размещении антенны между экраном и телом приемник будет принимать только те поля, которые перемещаются в теле пациента. Для повышения эффективности экрана он может быть выполнен в виде параболической поверхности, где антенна (индуктор) устанавливается в фокальной точке с целью усиления мощности сигнала, как это делается в параболических спутниковых антеннах.
[0137] На фиг. 1 проиллюстрирована система 100 распознавания и обнаружения на базе электромагнитного поля согласно одному из аспектов настоящего изобретения. На фиг. 1 показан человек 102, недавно проглотивший проглатываемый идентификатор 104. Проглатываемый идентификатор 104, который подробнее будет описан ниже, генерирует кодированный электромагнитный сигнал при вхождении в контакт с желудочно-кишечными жидкостями, содержащимися в желудке человека 102. Хотя кодированный электромагнитный сигнал может быть выполнен с возможностью отображения множества переменных величин, в одном из аспектов кодированный электромагнитный сигнал отображает событие проглатывания. Согласно одному из аспектов событие проглатывания может быть соотнесено, помимо прочих переменных, с фактом принятия человеком 102 дозы лекарственного препарата, его типом и дозировкой или сочетанием указанных факторов.
[0138] Реализация системы 100 может включать в себя различные варианты. Например, согласно одному из аспектов может быть использован проглатываемый идентификатор, описанный в привязке к фиг. 4-9. При такой реализации проглатываемый идентификатор запитывается при вхождении в контакт с токопроводящей жидкостью, а затем генерирует электромагнитное поле, которое может детектироваться, например, антенной-индуктором. Эта методика обеспечивает определенное преимущество, поскольку электромагнитное поле лучше проникает на поверхность кожи пациента в сравнении с током. Электромагнитное поле на поверхности кожи может выявляться с помощью антенны-индуктора, снабженной N-ым числом обмоток, где N представляет собой целое число; а в необязательном варианте - ферромагнитным сердечником для повышения чувствительности. Поскольку тело пациента 102 способствует прохождению электромагнитного поля, система 100 обеспечивает дополнительную гибкость, например, в плане места расположения и размещения антенны-индуктора проглатываемого идентификатора 104 и/или приемника 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 150 и 152.
[0139] Согласно другому аспекту проглатываемый идентификатор может включать в себя усилитель, предназначенный для усиления сигнала, сгенерированного интегральной микросхемой проглатываемого идентификатора. Обмотка индуктора может располагаться на этой же интегральной микросхеме проглатываемого идентификатора. Согласно еще одному из аспектов обмотки индуктора могут быть напечатаны на непроводящей мембране, размещенной между электродами, выполненными из разнородных материалов, которая располагается на поверхности проглатываемого идентификатора (например, на его юбке). В других аспектах антенна-индуктор может быть напечатана с использованием проводящего перевариваемого материала, либо на непроводящей мембране, либо на интегральной микросхеме. Согласно еще одному из аспектов обмотка индуктора может быть добавлена в качестве отдельной интегральной микросхемы, соединяемой с интегральной микросхемой проглатываемого идентификатора. Кроме того, система 100 может работать на различных частотах, лежащих, например, в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц, что дает возможность уменьшить размер передатчика-индуктора и приемной антенны-индуктора. Верхняя граничная частота может быть детектирована по пороговому значению, при котором тело человека 102 начинает поглощать электромагнитную энергию. Такая верхняя граничная частота может составлять около 400 МГц без каких-либо ограничений. В других вариантах реализации рабочая частота может варьироваться, например, в пределах от 10 МГц до 1 ГГц.
[0140] Согласно различным аспектам настоящего изобретения индуктор с N-ым числом обмоток может располагаться с двух сторон интегральной микросхемы проглатываемого идентификатора. Возбуждение будет положительным на одной стороне и отрицательным на другой стороне для усиления или удвоения мощности сигнала. Проглатываемый идентификатор может быть выполнен с возможностью передачи множества частот, а не одной частоты, посредством добавления множества передатчиков и множества индукторов, или одного передатчика, соединенного с множеством индукторов через мультиплексор (MUX), или одного передатчика и одного индуктора, соединенных с множеством подстроечных элементов, таких как два или более конденсатора, через мультиплексор. Согласно другим аспектам настоящего изобретения в интегральную микросхему проглатываемого идентификатора могут быть добавлены или на нее могут быть нанесены магнитные материалы, такие как, например, ферритовый индуктор для повышения индуктивности передающего индуктора. В других аспектах электроды проглатываемого идентификатора могут быть выполнены в форме индуктора.
[0141] Согласно другим аспектам настоящего изобретения проглатываемый идентификатор может быть выполнен с возможностью непосредственного взаимодействия с устройством мобильной связи, таким как мобильный телефон, спутниковый телефон или смартфон, при условии наличия сигнала повышенной мощности и обеспечения безопасности данных.
[0142] Электромагнитный сигнал, испускаемый проглатываемым идентификатором 104, может детектироваться приемником, связанным с человеком 102. Согласно различным аспектам настоящего изобретения проглатываемый идентификатор 104 и любой из приемников 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 150 и 152 могут быть рассчитаны на одностороннюю и - в некоторых случаях - двустороннюю связь. Приемники 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 150 и 152 могут быть выполнены с возможностью зондирования и обнаружения проглатываемого идентификатора 104, и могут располагаться на теле или за пределами тела человека 102. Таким образом, приемники 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 150 и 152 могут располагаться на теле человека 102 или за пределами тела человека 102, но в непосредственно близости к нему с тем, чтобы приемник мог без труда обнаружить относительно слабый электромагнитный сигнал.
[0143] Согласно одному из аспектов настоящего изобретения приемник 106 может располагаться в кармане, примыкая к брюшной полости человека 102, или в любом другом месте на нижней части тела человека 102 для зондирования и обнаружения проглатываемого идентификатора 104 после того, как его проглотит человек 102. Согласно другому аспекту приемник 108 может располагаться в кармане, примыкая к грудному отделу или верхней части тела человека 102. Согласно еще одному из аспектов приемник 116 может располагаться на кармане или воротнике и носиться вблизи шеи или горла или иного места в непосредственной близости от головы человека 102. Согласно другому аспекту приемник 110 может располагаться на нарукавной повязке и носиться, например, на верхней части руки человека 102 вблизи плеча. Согласно еще одному из аспектов приемник 112 может располагаться на часах и носиться на запястье человека 102. Согласно еще одному из аспектов приемник 152 может располагаться на браслете и носиться на запястье человека 102. Согласно еще одному из аспектов приемник 150 может располагаться на поясе и носиться на талии человека 102. Согласно другому аспекту приемник 114 может располагаться на лодыжечной повязке и носиться на лодыжке человека 102. Согласно различным другим аспектам приемник может располагаться в любом другом месте на теле человека 102 или вблизи него. Согласно другому аспекту приемник 118 может располагаться за пределами тела человека 102, но вблизи него. Например, приемник 118 может располагаться в кармане 120 предмета 122 одежды, носимого человеком 102.
[0144] Приемники 106, 108 и 116, которые непосредственно примыкают к телу человека 102, могут быть закреплены с помощью клея, нанесенного на поверхность приемника 106, 108 и 116, контактирующую с кожей. Приемники 110, 112 и 152, которые носятся на руке или запястье человека, могут быть закреплены на повязке или браслете, которые удерживают приемник 110, 112 или 152 на месте. Согласно одному из аспектов приемник 112 может иметь форм-фактор, схожий с наручными часами. Приемник 118 может свободно лежать в кармане 120 предмета 122 одежды, носимого человеком 102. Приемник 150 может носиться на запястье как браслет.
[0145] В представленных вариантах осуществления систем зондирования и обнаружения проглатываемых идентификаторов могут потребоваться электромагнитные сигналы малой энергии для ограничения распространения поля за пределами тела человека 102 с целью сохранения конфиденциальной информации, которая содержится в электромагнитных сигналах.
[0146] Согласно различным аспектам настоящего изобретения электромагнитный экран или «колпак» может располагаться поверх приемной антенны-индуктора для защиты приемника от электромагнитных волн, поступающих с источников, внешних по отношению к телу человека 102. Согласно некоторым аспектам экран может иметь форму параболического отражателя, фокусирующего электромагнитное поле, исходящее от тела человека, на приемную антенну-индуктор. Согласно другим аспектам может быть предусмотрено два индуктора, расположенных на проглатываемом идентификаторе перпендикулярно или под прямым углом друг к другу для обеспечения более неоднородного приема электромагнитного сигнала. Помимо антенны-индуктора в конструкции приемника могут быть предусмотрены и антенны иных форм, такие как дипольные или прямоугольные микрополосковые антенны.
[0147] На фиг. 2 показан человек 102, проглотивший проглатываемый идентификатор 104 согласно одному из аспектов настоящего изобретения. При погружении проглатываемого идентификатора 104 в электролитную жидкость, которая обычно присутствует в желудке 132, активируется внутренняя аккумуляторная батарея малой мощности, которая запитывает электрические цепи проглатываемого идентификатора 104. Как можно видеть, проглатываемый идентификатор 104 испускает электромагнитное поле 136 в тело 130 человека 102. Проглатываемый идентификатор 104 содержит индуктор в резонансном контуре, задающий частоту электромагнитного поля 136. Электромагнитное поле 136 проходит через тело 134 и выходит на его поверхность, где оно может быть обнаружено приемником 106, расположенным вблизи брюшной полости тела 130. Приемник 106 содержит антенну-индуктор для детектирования электромагнитного поля 134. Проглатываемый идентификатор 104 включает в себя схемы, предназначенные для декодирования электромагнитного поля 134 с получением информации, запрограммированной в проглатываемом идентификаторе 104.
[0148] На фиг. 3 показан приемник 106 для обнаружения электромагнитного поля, создаваемого проглатываемым идентификатором согласно одному из аспектов настоящего изобретения, таким как проглатываемый идентификатор 104, описанный в привязке к фиг. 1 и 2. Приемник 106 содержит резонансный контур 140 и электронную часть 142 для обработки кодированного электромагнитного сигнала, поступающего с проглатываемого идентификатора. Резонансный контур 140 может содержать антенну-индуктор 144 и подстроечный конденсатор 146 для обеспечения резонирования на рабочей частоте.
[0149] Передача сигналов проглатываемым идентификатором
[0150] На фиг. 4A и 4B показаны различные виды проглатываемого идентификатора 200 согласно одному из аспектов настоящего изобретения, содержащего гальванически развязанный элемент 208. Гальванически развязанный элемент 208 выходит за наружные края интегральной микросхемы 202. На фиг. 4B представлен вид сверху идентификатора 200, показанного на фиг. 4A. Как можно видеть на фиг. 4A, интегральная микросхема 202 содержит верхний электрод 204, выполненный из первого материала, и нижний электрод 206, выполненный из второго материала; причем первый и второй материалы являются разнородными и имеют разный электрохимический потенциал. Как показано на фиг. 4B, гальванически развязанный элемент 208 имеет форму диска. На фиг. 4A и 4B показано, что верхний и нижний электроды 204 и 206 и интегральная микросхема 202 располагаются в центре или ближе к центру дискообразного гальванически развязанного элемента 208. Расстояние от края гальванически развязанного элемента 208 до края интегральной микросхемы 202 и электродов 204 и 206 может варьироваться, а в некоторых аспектах оно составляет около 0,05 мм или больше, например, около 0,1 мм или больше, включая около 1,0 мм или больше, например, около 5,0 мм или больше, и включая около 10 мм или больше; при этом в некоторых аспектах указанное расстояние может превышать примерно 100 мм. Индуктор или индуктивные элементы могут располагаться на гальванически развязанном элементе 208, извлекая выгоду из увеличенной доступной площади поверхности относительно площади поверхности, доступной на интегральной микросхеме 202.
[0151] В примере, приведенном на фиг. 4A-4B, верхний и нижний электроды 204 характеризуются плоской конфигурацией. Однако в других аспектах электроды 204 и 206 могут иметь любую удобную форму, например, квадратную, дискообразную и прочую, как плоскую, так и любую другую. Дискообразный гальванически развязанный элемент 208 имеет плоскую дисковую структуру; при этом край указанного гальванически развязанного элемента 208 выходит за пределы края верхнего и нижнего плоских электродов 204 и 206 и интегральной микросхемы 202. В проиллюстрированном примере радиус гальванически развязанного элемента 208 превышает радиус верхнего и нижнего электродов 204 и 206, например, примерно на 1 мм или больше, например, примерно на 10 мм или больше.
[0152] Следует отметить, что в любом приведенном примере гальванически развязанный элемент 208 может или не может выходить за пределы края электродов 204 и 206 или интегральной микросхемы 202. Например, как показано на фиг. 4A-4B, гальванически развязанный элемент 208 выходит за край верхнего и нижнего электродов 204 и 206, а также интегральной микросхемы. Однако в других примерах гальванически развязанный элемент 208 может задавать край, соразмерный краю одного из электродов, например, нижнего электрода 206, но так, чтобы он не выходил за край обоих электродов 204 и 206 или интегральной микросхемы 202; при этом гальванически развязанный элемент 208 может содержать край, выходящий за пределы края верхнего электрода 204, но не за пределы края нижнего электрода 206.
[0153] На фиг. 5-9 проиллюстрированы различные аспекты систем 210, 220 и 260 проглатываемого идентификатора согласно различным аспектам настоящего изобретения. Системы 210, 220 и 260 проглатываемого идентификатора, представленные на фиг. 5-9, содержат твердотельный полупроводниковый переключатель 400, соединенный с индуктором 401. Твердотельный полупроводниковый переключатель 400 переключает питание (переменного или постоянного тока) на индуктор 401, управляемый электронным устройством управления 218 (фиг. 5, 7 и 8) или 228 (фиг. 6). Следует иметь в виду, что на фиг. 5-8 схемы или цепи, показанные на блок-схемах, представлены в упрощенном виде, носящем исключительно иллюстративный характер. Соответственно, твердотельный полупроводниковый переключатель 400 и/или индуктор 401 может содержать дополнительные цепи или участки цепей.
[0154] Как показано на фиг. 5 и 7, система 210 проглатываемого идентификатора содержит первый материал 214 (Металл 1) и второй материал 216 (Металл 2), нанесенные на основание 212 устройства 218 управления. Выход устройства 218 управления соединен с твердотельным полупроводниковым переключателем 400, который управляет течением тока через индуктор 401 для генерирования электромагнитного поля. Эта конфигурация обеспечивает возможность получения источника питания, который образуется первым материалом 214 (Металл 1) и вторым материалом 216 (Металл 2) при воздействии на них ионного раствора. Таким образом, при вхождении системы 210 в полный и/или частичный контакт с токопроводящей жидкостью между первым и вторым разнородными материалами 214 и 216 формируется путь 230 и 250 прохождения тока через токопроводящую жидкость, как это для примера показано на фиг. 7. Источник питания приводит в действие устройство 218 управления, которое порождает частоту колебаний, регулируя ток, переключаемый на индуктор 401. Колебательный ток протекает через индуктор 401, когда переключатель 400 замкнут, и генерирует электромагнитный сигнал в диапазоне радиочастот. Этот электромагнитный сигнал в диапазоне радиочастот проходит через тело человека, после чего он может быть зафиксирован внешним или внутренним приемным устройством, которое снабжено механизмом детектирования электромагнитных сигналов. Если передаваемый сигнал обладает достаточно высокой энергией, то похожее на пейджер устройство, носимое пациентом, в любом случае зафиксирует факт проглатывания лекарственного препарата.
[0155] Как показано на фиг. 5, первый и второй разнородные материалы (Металл 1 и Металл 2) расположены на противоположных концах системы. Система 210 проглатываемого идентификатора может быть использована совместно с любым фармацевтическим препаратом, как было указано выше, для определения факта приема пациентом такого фармацевтического препарата. Как уже было сказано, объем настоящего изобретения не органичен средой и препаратом, который используется вместе с системой 210. Например, система 210 может быть заключена в капсулу, которая помещается в проводящую жидкость. С течением времени указанная капсула растворяется и выбрасывает систему 210 в проводящую жидкость. Таким образом, согласно одному из аспектов настоящего изобретения капсула может содержать систему 210 без препарата. Такая капсула может быть затем использована в любой среде, где присутствует токопроводящая жидкость, и совместно с любым препаратом. Например, капсула может быть помещена в контейнер, заполненный авиационным топливом, соленой водой, томатным соком, моторным маслом или любым иным подобным продуктом. Кроме того, капсула, содержащая систему 210, может быть проглочена одновременно с любым фармацевтическим препаратом для регистрации факта наступления события, например, при приеме лекарства.
[0156] В конкретном примере осуществления системы 210, который проиллюстрирован на фиг. 5, эта система активируется при соединении с фармацевтическим препаратом при проглатывании лекарства или таблетки. Согласно одному из аспектов настоящего изобретения система 210 генерирует электромагнитный сигнал путем регулирования тока, который подается на индуктор 401 устройством управления, с целью генерирования уникального электромагнитного сигнала, который может быть обнаружен приемниками, описанными в настоящем документе, и который сигнализирует о том, что был принят фармацевтический препарат. Основание 212 представляет собой каркас системы 210, на котором крепится, с которым соединяется или на который наносится множество компонентов. Согласно этому аспекту системы 210 первый перевариваемый материал 214 физически соединен с основанием 212. Первый материал 214 может быть нанесен химическим способом, осажден испарением, закреплен или наплавлен на основание 212, причем в отношении основания 212 все указанные способы могут обозначаться в настоящем документе как «нанесение». Первый материал 214 наносится на одну сторону основания 212. К требуемым материалам, которые могут использоваться в качестве первого материала 214, относится, помимо прочих материалов, медь (Cu) или хлорид меди (CuCl). Первый материал 214 может быть нанесен, помимо прочих технологий, методом осаждения из паровой фазы, электролитического осаждения или плазменного напыления. Толщина первого материала 214 может лежать в пределах от около 0,05 мкм до около 500 мкм, например, в пределах от около 5 мкм до около 100 мкм. Для получения требуемой формы применяется технология теневого маскирования, или фотолитография, или травление. Кроме того, хотя показана лишь одна область, на которую наносится материал, каждая система 210 может содержать две или более электрически уникальные области, на которые при необходимости может быть нанесен материал 214.
[0157] На другую сторону, противоположную первой стороне, как это показано на фиг. 5, наносится второй перевариваемый материал 216 таким образом, чтобы первый и второй материалы 214 и 216 были разнородными. Хотя это и не показано, другая выбранная сторона может представлять собой сторону, примыкающую к стороне, выбранной для нанесения первого материала 214. Объем настоящего изобретения не ограничен выбранной стороной, а термин «другая сторона» может обозначать любую из множества сторон, отличных от первой выбранной стороны. Более того, хотя представленная система имеет квадратную форму, она может характеризоваться любой иной геометрически подходящей формой. Первый и второй разнородные материалы 214 и 216 отбираются таким образом, чтобы они создавали разницу потенциалов при вхождении системы 210 в контакт с токопроводящей жидкостью, такой как биологические жидкости человеческого организма. К требуемым материалам, которые могут использоваться в качестве второго материала 216, относятся, помимо прочих материалов, магний (Mg), цинк (Zn) или иные электроотрицательные металлы. Как было указано выше в отношении первого материала 214, второй материал 216 может быть нанесен химическим способом, осажден испарением, закреплен или наплавлен на основание. Кроме того, может потребоваться адгезионный слой, способствующий сцеплению второго материала 216 (а также первого материала 214 в случае такой необходимости) с основанием 212. В качестве адгезионных слоев для материала 216 обычно используются такие материалы, как титан (Ti), титан-вольфрам (TiW), хром (Cr) или иные материалы подобного рода. Анодный материал и адгезионный слой могут наноситься методом физического осаждения из паровой фазы, электролитического осаждения или плазменного напыления. Толщина второго материала 216 может лежать в пределах от около 0,05 мкм до около 500 мкм, например, в пределах от около 5 мкм до около 100 мкм. Однако объем настоящего изобретения не ограничен ни толщиной какого-либо из материалов, ни типом технологического процесса, используемого для нанесения или закрепления материалов на основании 212.
[0158] Таким образом, при вступлении системы 210 в контакт с токопроводящей жидкостью между первым и вторым материалами 214 и 216 формируется путь прохождения тока через токопроводящую жидкость, как это показано на фиг. 7. Устройство 218 управления закреплено на основании 212 и электрически связано с первым и вторым материалами 214 и 216. Устройство 218 управления содержит электронные схемы, например, управляющие логические схемы, которые выполнены с возможностью регулирования и изменения электрической проводимости между первым и вторым материалами 214 и 216; а также электронные схемы, обеспечивающие прохождение тока через индуктор 401 с генерированием уникального электромагнитного сигнала, закодированного таким образом, чтобы он мог служить уникальным идентификатором, соответствующим системе 210 и/или препарату, с которым соединена или объединена система 210.
[0159] Разность потенциалов, образуемая между первым и вторым материалами 214 и 216, обеспечивает питание для работы системы 210, включая устройство 218 управления и индуктор 401. Согласно одному из аспектов настоящего изобретения система 210 функционирует в режиме постоянного тока (DC). Согласно другому аспекту система 210 управляет направлением течения тока таким образом, чтобы направление течения тока циклически менялось на противоположное, как в режиме переменного тока (AC). При достижении системой 210 токопроводящей жидкости или электролита, где эта жидкость или электролит представлен физиологической жидкостью, например, желудочным соком, токовая цепь между первым и вторым материалами 214 и 216 вне системы 210 замыкается; при этом токовая цепь, проходящая через систему 210, управляется устройством 218 управления. Замыкание токовой цепи обеспечивает возможность протекания тока, что - в свою очередь - позволяет приемнику (не показан) выявить наличие тока и установить факт активации системы 210, а также тот факт, что требуемое событие происходит или произошло.
[0160] Согласно одному из аспектов настоящего изобретения два материала 214 и 216 аналогичны по своим функциям двум электродам, необходимым для источника питания постоянного тока (DC), такого как аккумуляторная батарея. Токопроводящая жидкость действует как электролит, необходимый для замыкания источника питания. Описываемый замкнутый источник питания определяется физико-химической реакцией между первым и вторым материалами 214 и 216 системы 210 и окружающими жидкостями человеческого тела. Замкнутый источник питания может рассматриваться как источник питания, в котором используется обратный электролиз в ионном или проводящем растворе, таком как желудочный сок, кровь или иные физиологические жидкости и некоторые ткани. Кроме того, средой может служить не обязательно человеческое тело, а в качестве жидкости может использоваться любая токопроводящая жидкость. Например, токопроводящей жидкостью может служить соленая вода или металлизированная краска.
[0161] Согласно некоторым аспектам настоящего изобретения два материала 214 и 216 могут быть защищены от воздействия окружающей среды дополнительным слоем материала. Соответственно, при растворении этой защиты и обнажения двух разнородных материалов создается напряжение.
[0162] Как также показано на фиг. 5, первый и второй материалы 214 и 216 обеспечивают генерирование напряжения для активации устройства 218 управления. После активации или запитывания устройства 218 управления это устройство может изменять электрическую проводимость индуктора 401 уникальным образом, генерируя уникальный электромагнитный сигнал. Путем изменения течения тока через индуктор 401 устройство 218 управления имеет возможность регулировать величину, фазу или направление течения тока через индуктор 401. Это создает уникальные электромагнитные признаки, которые могут выявляться и измеряться приемником (не показан), который может располагаться внутри, снаружи, частично внутри или частично снаружи тела пациента.
[0163] Кроме того, между первым и вторым материалами 214 и 216 могут располагаться гальванически развязанные элементы 215 и 217, которые могут быть соединены с основанием 212, например, жестко закреплены на нем. Предполагается, что в объем настоящего изобретения входят различные варианты формы и конфигурации гальванически развязанных элементов 215 и 217. Например, система 210 может быть окружена гальванически развязанными элементами 215 и 217 полностью или частично, а сами гальванически развязанные элементы 215 и 217 могут располагаться вдоль центральной оси системы 210 или со смещением относительно указанной центральной оси. Таким образом, объем заявленного изобретения согласно его формуле не ограничен формой или размерами непроводящей мембраны 215 или 217. Более того, согласно другим аспектам настоящего изобретения первый и второй разнородные материалы 214 и 216 могут быть отделены друг от друга одной мембраной, которая может располагаться в любой заданной области между первым и вторым материалами 214 и 216.
[0164] Согласно различным аспектам настоящего изобретения индуктор 401 может включать в себя заданное количество обмоток, и может быть интегрирован с основанием 212 или устройством 218 управления. Обмотки индуктора 401 или могут быть сформированы на подложке основания 212 или устройства 218 управления, или могут быть отпечатаны на гальванически развязанных элементах 215 и 217, помещенных между первым и вторым материалами 214 и 216, которые располагаются на поверхности проглатываемого идентификатора 210. Согласно другим аспектам индуктор 401 может быть отпечатан с использованием проводящего перевариваемого материала, либо на гальванически развязанных элементах 215 и 217, либо на сопряженном устройстве 218 управления. Согласно еще одному из аспектов обмотка индуктора может быть добавлена в качестве отдельной интегральной микросхемы, соединенной с устройством 218 управления проглатываемого идентификатора.
[0165] Электрический ток, генерируемый проглатываемым идентификатором 210, может направляться через индуктор 401 с помощью переключателя 400 с использованием переключающей или коммутационной матрицы, как это показано на фиг. 21 и 21A, где проиллюстрирована однотактная схема 500 возбуждения индуктора 420, и на фиг. 22 и 22A, где проиллюстрирована двухтактная схема 502 возбуждения индуктора с Н-мостом 504. Как также показано на фиг. 5, система 210 может быть выполнена с возможностью работы на различных частотах, например, лежащих в диапазоне от около 100 кГц до около 1 МГц, что дает возможность уменьшить размеры передающего индуктора и приемной антенны-индуктора. Верхняя граничная частота может быть детектирована по пороговому значению, при котором тело человека 102 (см. фиг. 1) начинает поглощать электромагнитную энергию. Такая верхняя граничная частота может составлять около 400 МГц без каких-либо ограничений.
[0166] На фиг. 6 представлен проглатываемый идентификатор 220, содержащий первый материал 224 (Металл 1) и второй материал 226 (Металл 2), нанесенные на основание 222 электронного устройства 228 управления. Выход устройства 228 управления соединен с твердотельным полупроводниковым переключателем 400, который управляет течением тока через индуктор 401 для генерирования электромагнитного поля. Эта конфигурация обеспечивает возможность получения источника питания, который образуется первым материалом 224 (Металл) и вторым материалом 226 (Металл 2) при воздействии на них ионного раствора. Источник питания приводит в действие устройство 228 управления, которое порождает частоту колебаний, регулируя ток, переключаемый на индуктор 401. Колебательный ток протекает через индуктор 401, когда переключатель 400 замкнут, и генерирует электромагнитный сигнал в диапазоне радиочастот. Этот электромагнитный сигнал в диапазоне радиочастот проходит через тело человека, после чего он может быть зафиксирован внешним или внутренним приемным устройством, которое снабжено механизмом детектирования электромагнитных сигналов. Если передаваемый сигнал обладает достаточно высокой энергией, то похожее на пейджер устройство, носимое пациентом, в любом случае зафиксирует факт проглатывания лекарственного препарата.
[0167] Основание 222 системы 220, показанное на фиг. 6, аналогично основанию 212 системы 210, показанному на фиг. 5. В этом аспекте системы 220 перевариваемый или растворимый материал 224 наносится на определенный участок одной стороны основания 222. На другой участок этой же стороны основания 222 наносится другой перевариваемый или растворимый материал 226 таким образом, чтобы два материала 224 и 226 были разнородными. В частности, первый и второй материал 224 и 226 выбираются таким образом, чтобы они могли генерировать напряжение при вхождении в контакт с токопроводящей жидкостью, такой как физиологические жидкости человеческого организма.
[0168] Устройство 228 управления жестко закреплено на основании 222 и электрически связано с разнородными материалами 224 и 226. Устройство 228 управления включает в себя электронные схемы, выполненные с возможностью управления частью пути прохождения тока между материалами 224 и 226. Разнородные материалы 224 и 226 разделены непроводящим (гальванически развязанным) элементом 229. Различные примеры осуществления гальванически развязанных элементов 229 раскрыты в патенте США № 8,545,402 под названием «Высоконадежные проглатываемые маркеры событий и способы их использования», зарегистрированном 27 апреля 2010 года, и в патенте США № 8,961,412 под названием «Внутрительное устройство с усилением сигнала посредством виртуальной дипольной антенны», зарегистрированном 25 сентября 2008 года, содержание которых полностью включено в настоящий документ посредством ссылки.
[0169] После активации или запитывания устройства 228 управления оно может изменять электрическую проводимость между разнородными материалами 224 и 226. Таким образом, устройство 228 управления выполнено с возможностью регулирования величины тока, проходящего через токопроводящую жидкость, окружающую систему 220. Как было сказано выше в отношении системы 210, уникальные признаки тока, соотносимые с системой 220, могут выявляться приемником (не показан), указывая на активацию системы 220. Для увеличения «длины» токового пути изменяются размеры гальванически развязанной мембраны 229. Чем длиннее токовый путь, тем легче приемнику обнаружить ток.
[0170] Согласно различным аспектам настоящего изобретения, которые подробнее описаны ниже, система 220 может содержать передающий индуктор 401, генерирующий электромагнитное поле. Индуктор 401 может включать в себя заданное количество обмоток, и он может быть интегрирован с устройством 228 управления проглатываемого идентификатора 210. Согласно другому аспекту обмотки индуктора могут быть отпечатаны на гальванически развязанной мембране 229, помещенной между электродами 224 и 226. Индуктор 401 может быть отпечатан с использованием проводящего перевариваемого материала либо на гальванически развязанной мембране 229, либо он может быть интегрирован с устройством 228 управления. Согласно еще одному из аспектов обмотка индуктора может быть добавлена в качестве отдельной интегральной микросхемы, соединенной с устройством 228 управления проглатываемого идентификатора. Электрический ток, генерируемый проглатываемым идентификатором 220, может быть направлен через индуктор 401 с помощью переключателя 400 до того, как он будет направлен на цепи батареи системы 220. Система 220 может быть выполнена с возможностью работы на различных частотах, например, лежащих в диапазоне от около 100 кГц до около 1 МГц, что дает возможность уменьшить размеры передающего индуктора 401 и приемной антенны-индуктора. Верхняя граничная частота может быть детектирована по пороговому значению, при котором тело человека 102 (см. фиг. 1) начинает поглощать электромагнитную энергию. Такая верхняя граничная частота может составлять около 400 МГц без каких-либо ограничений.
[0171] На фиг. 7 проиллюстрирована система 210, показанная на фиг. 5, в активном состоянии и в контакте с токопроводящей жидкостью согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Система 210 заземлена с помощью заземляющего контакта 232. Система 210 также включает в себя датчик 254, который подробнее описан в привязке к фиг. 9. Ионные или токовые пути 230 проходят между первым материалом 214 и вторым материалом 216 через токопроводящую жидкость, контактирующую с системой 210. Напряжение, сгенерированное между первым и вторым разнородными материалами 214 и 216, получен за счет химических реакций между первым и вторым разнородными материалами 214 и 216 и токопроводящей жидкостью.
[0172] На фиг. 7A представлен увеличенный вид поверхности первого материала 214 согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Поверхность первого материала 214 представляет собой не плоскую, а довольно неровную поверхность 234, как это показано на этом увеличенном виде. Неровная поверхность 234 увеличивает площадь поверхности материала и, соответственно, площадь, входящую в контакт с токопроводящей жидкостью. Следует иметь в виду, что второй материал 216, показанный на фиг. 7, также характеризуется неровной поверхностью.
[0173] Согласно одному из аспектов настоящего изобретения на поверхности первого материала 214 происходит химическая реакция между первым материалом 214 и окружающей токопроводящей жидкостью, вследствие чего в эту токопроводящую жидкость выпускается масса вещества. Термином «масса» в контексте настоящего документа обозначены протоны и нейтроны, образующие вещество. В одном из примеров, где материалом служит CuCl, при вхождении в контакт с токопроводящей жидкостью CuCl преобразуется в медь (твердую), а хлор (Cl) выпадает в раствор. Поток ионов, поступающий в проводящую жидкость, изображен в виду ионного пути 230. Аналогичным образом происходит химическая реакция между вторым материалом 216 и окружающей токопроводящей жидкостью, при которой ионы захватываются вторым материалом 216. Испускание ионов на второй материал 214 и захват ионов вторым материалом 216 вместе называется ионным обменом. Скорость ионного обмена и, соответственно, скорость ионной эмиссии или потока ионов регулируется устройством 218 управления. Устройство 218 управления может увеличивать или уменьшать скорость потока ионов путем изменения электрической проводимости, что изменяет импеданс, между первым и вторым разнородными материалами 214 и 216. Регулируя ионный обмен, система 210 может кодировать информацию в процессе ионного обмена. Таким образом, система 219 использует ионную эмиссию для кодирования информации в ионном обмене.
[0174] Устройство 218 управления может варьировать продолжительность ионного обмена с фиксированной скоростью или протекания тока с фиксированной интенсивностью, при этом указанная скорость и интенсивность поддерживаются почти на постоянном уровне аналогично модулированию частоты с постоянной амплитудой. Кроме того, устройство 218 управления может изменять скорость ионного обмена или интенсивность протекания тока, поддерживая при этом продолжительность почти на постоянном уровне. Таким образом, используя различные комбинации изменений в продолжительности и меняя скорость или интенсивность, устройство 218 управления кодирует информацию в протекающем токе или ионном обмене. Например, устройство 218 управления может использовать, помимо прочего, любой из следующих приемов, а именно: двоичную фазовую модуляцию (PSK), частотную модуляцию, амплитудную модуляцию, амплитудную манипуляцию и PSK с амплитудной манипуляцией.
[0175] Как было указано выше, различные аспекты, описанные в настоящем документе, такие как системы 210 и 220, показанные на фиг. 5 и 6, соответственно, включают в себя электронные компоненты, составляющие неотъемлемую часть устройства 218 управления системы 210 или устройства 228 управления системы 220. Компоненты, которые могут быть предусмотрены, включают в себя, помимо прочего, логические и/или запоминающие элементы, интегральную микросхему, индуктор, резистор, датчики для измерения различных параметров, индукторы 400, резонансные контуры и схемы возбуждения, предназначенные для возбуждения индуктора и/или резонансных контуров. Каждый такой компонент может быть жестко закреплен на основании и/или другом компоненте. Компоненты на поверхности опоры могут располагаться в произвольном порядке, образуя любую удобную конфигурацию. В тех случаях, когда на поверхности твердотельной опоры располагаются два или более компонента, могут быть предусмотрены межсоединения.
[0176] Как показано на фиг. 8, система 260 содержит pH датчик 256, подключенный к третьему материалу 219, выбранному согласно конкретному типу выполняемой функции зондирования, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Этот pH датчик 256 также подключен к устройству 218 управления. Третий материал 219 гальванически развязан с первым материалом 214 с помощью непроводящей перемычки 235. Согласно одному из аспектов в качестве третьего материала 219 используется платина. Во время работы pH датчик 256 использует разность потенциалов между первым и вторым разнородными материалами 214 и 216. Этот pH датчик 256 измеряет разность потенциалов между первым материалом 214 и третьим материалом 219 и регистрирует полученное значение для последующего сравнения. Описываемый pH датчик 256 также измеряет разность потенциалов между третьим материалом 219 и вторым материалом 216 и регистрирует полученное значение для последующего сравнения. Представленный pH датчик 256 рассчитывает уровень pH окружающей среды с использованием значений напряжения. Кроме того, pH датчик 256 передает эту информацию устройству 218 управления. Устройство 218 управления соединено с переключателем 400 и управляет протеканием тока через индуктор 401, генерируя электромагнитное поле. Согласно одному из аспектов электромагнитное поле может кодировать информацию, относящуюся к уровню pH при ионном переносе, которая может детектироваться приемником (не показан). Таким образом, система 260 может определять и передавать информацию, относящуюся к уровню pH, на источник за пределами среды.
[0177] На фиг. 9 представлена блок-схема, иллюстрирующая устройство 218 управления согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Устройство 218 управления включает в себя элемент 242 управления, счетчик или синхрогенератор 244 и запоминающее устройство 246. Кроме того, как можно видеть, устройство 218 управления содержит датчик 252, а также датчик 254, который изначально был описан в привязке к фиг. 7. Элемент 242 управления характеризуется наличием входа, который электрически связан с первым материалом 214, и выходом 250, который электрически связан со вторым материалом 216. Элемент 242 управления, синхрогенератор 244, запоминающее устройство 246 и датчики 252 и 254 также снабжены входами питания (некоторые из них не показаны). Каждый из этих элементов запитывается за счет разности потенциалов, образуемой в результате химической реакции между первым и вторым материалами 214 и 216 и токопроводящей жидкостью при вхождении системы 210 (см. фиг. 1 и 7) в контакт с этой токопроводящей жидкостью. Элемент 242 управления регулирует электрическую проводимость с помощью логической части, которая изменяет общий импеданс системы 210. Элемент 242 управления электрически связан с синхрогенератором 244. Синхрогенератор 244 обеспечивает период повторения тактовых импульсов для элемента 242 управления. Исходя из запрограммированных характеристик элемента 242 управления, по прошествии заданного количества тактовых циклов элемент 242 управления изменяет электрическую проводимость переключателя 400 (см. фиг. 5, 7 и 8), регулируя протекание тока через индуктор 401 (см. фиг. 5, 7 и 8) для кодирования информации в электромагнитном поле. Этот цикл повторяется, благодаря чему устройство 218 управления создает уникальный характерный признак тока. Элемент 242 управления также электрически связан с запоминающим устройством 246. Синхрогенератор 244 и запоминающее устройство 246 запитываются за счет разности потенциалов, образуемой между первым и вторым материалами 214 и 216.
[0178] Элемент 242 управления также электрически связан и сообщается с первым и вторым датчиками 252 и 254. Согласно представленному аспекту первый датчик 252 является частью устройства 218 управления, тогда как второй датчик 254 представляет собой отдельный компонент. Согласно альтернативным аспектам любой один датчик из числа первого и второго датчиков 252 и 254 может быть использован без применения другого, а объем настоящего изобретения не ограничен конструктивным или функциональным местоположением датчиков 252 и 254. Кроме того, любой компонент системы 210 может быть перемещен, скомбинирован или переустановлен в функциональном или конструктивном отношении без ограничения объема настоящего изобретения согласно его формуле. Таким образом, предусмотрена возможность наличия одной единой структуры, например, процессора, который выполнен с возможностью выполнения функций всех следующих компонентов: элемента 242 управления, синхрогенератора 244, запоминающего устройства 246 и датчика 252 или 254. С другой стороны, объем настоящего изобретения также предусматривает возможность размещения каждого из этих функциональных компонентов в виде отдельных структур, которые связан друг с другом с помощью электрических соединений и выполнены с возможностью взаимодействия.
[0179] Как также показано на фиг. 9, датчики 252 и 254 могут представлять собой любой из следующих датчиков: датчик температуры, датчик давления, датчик уровня pH и кондуктометрический датчик. Может быть предусмотрен дополнительный узел, сконфигурированный в качестве контрольного электрода, обеспечивающего возможность проведения измерений анода и катода независимо друг от друга. Согласно одному из аспектов датчики 252 и 254 получают информацию из среды и передают ее в аналоговом виде на элемент 242 управления. Затем элемент управления преобразует аналоговую информацию данные в цифровые данные, после чего эти цифровые данные кодируются в электромагнитном поле. Согласно еще одному из аспектов датчики 252 и 254 получают информацию из среды и преобразуют аналоговую информацию в цифровые данные, после чего эти цифровые данные передаются элементу 242 управления. Согласно одному из аспектов, показанных на фиг. 9, представлен датчик 254, электрически связанный с первым и вторым разнородными материалами 214 и 216, а также с устройством 218 управления. Согласно еще одному из аспектов, который показан на фиг. 9, датчик 254 электрически соединен с устройством 218 управления через другую точку подключения, которая одновременно выполняет функцию источника питания датчика 254 и функцию канала связи между датчиком 254 и устройством 218 управления.
[0180] Как было указано выше, устройство 218 управления может быть запрограммировано заранее на выдачу заданного кодированного электромагнитного сигнала. Согласно другому аспекту система может включать в себя приемную систему, которая может принимать программную информацию при активации системы. Согласно еще одному из аспектов (не показан) переключатель 244 и запоминающее устройство 246 могут быть сведены в единое устройство.
[0181] Помимо указанных компонентов система 210 (см. фиг. 5 и 7) может также содержать те или иные электрические или электронные компоненты. Данные электрические или электронные компоненты включают в себя, помимо прочего, следующие элементы: дополнительные логические и/или запоминающие элементы, выполненные, например, в виде интегральной микросхемы; устройство регулирования мощности, выполненное, например, в виде аккумуляторной батареи, топливного элемента или конденсатора; датчик, стимулятор и т.п.; элемент передачи сигнала, выполненный, например, в виде антенны, электрода, индуктора и т.п.; и пассивный элемент, например, индуктор, резистор и т.п.
[0182] На фиг. 10 показан первый компонент 403, содержащий индуктор 402, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Первый компонент 403 выполнен с интегральной микросхемой 404, содержащей катодный слой (не показан), расположенный поверх интегральной микросхемы 404. Интегральная микросхема 404 сопряжена с проглатываемым идентификатором, таким как, например, проглатываемый идентификатор 270, показанный на фиг. 12 и 13. Возвращаясь к фиг. 10, следует отметить, что интегральная микросхема 404 характеризуется размерами, например, в пределах между 10 микрометрами и 10 миллиметрами на сторону, например, в пределах от 100 микрометров до 5 миллиметров, например, один миллиметр на сторону; и содержит катод на своей первой стороне (не показан) и анод на своей второй стороне (не показан). Индуктор 402 может быть сформирован путем напыления, травления или нанесением слоя металла со сформированным рисунком на интегральную микросхему 404 методом печати. Индуктор 402 может характеризоваться плотным рисунком из металла, задающим многовитковую спиралевидную структуру. Слой металла содержит прорезанные в нем щели, такие как одинарная спиральная канавка. Согласно другим аспектам индуктор 402 может представлять собой соленоид или соленоид с ферритовым сердечником без каких бы то ни было ограничений. Индуктор 402 представляет собой компонент резонансного контура, связанный со схемой возбуждения для генерирования электрического сигнала, который осциллирует внутри индуктора 402.
[0183] На фиг. 11 показан второй компонент 406, содержащий индуктор 408, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Второй компонент 406 выполнен с интегральной микросхемой 410 (в виде собственно интегральной микросхемы или гибкого электрода). Интегральная микросхема 410 характеризуется размерами, например, в пределах между 10 микрометрами и 10 миллиметрами на сторону, например, в пределах от 100 микрометров до 5 миллиметров, например, один миллиметр на сторону; и содержит катод на своей первой стороне (не показан) и анод на своей второй стороне (не показан). Интегральная микросхема 410 встроена в непроводящую мембрану 412, осуществляя кондуктивную передачу путем модулирования тока. Индуктор 408 проходит вдоль периметра интегральной микросхемы 410, т.е. он сопряжен с указанным периметром. Индуктор 408 включает в себя, например, многовитковую/многослойную катушку. Согласно одному из аспектов индуктор 408 имеет относительно небольшие размеры. Согласно различным аспектам поверх индуктора 408 нанесен изолирующий слой (не показан), расширяющий его пределы. Например, изолирующий слой образуют несколько сот микрон пластика, нанесенного поверх индуктора 408.
[0184] Согласно различным аспектам, показанным на фиг. 10 и 11, индуктор 402 или 408 может быть выполнен с любым рисунком и/или в любом месте относительно системы информирования о сроках годности фармацевтических препаратов. Рисунки могут включать в себя, например, спирали, завитки и кривые; при этом они могут характеризоваться многовитковой, прямолинейной, изогнутой, однослойной, многослойной или иной структурой или сочетанием таких структур.
[0185] На фиг. 12 показан проглатываемый идентификатор 270, включающий в себя индуктор 420, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Как показано на фиг. 12, проглатываемый идентификатор 270 включает в себя интегральную микросхему 272 и непроводящую мембрану 274 (например, юбку или гальванически развязанный элемент). Интегральная микросхема 272 содержит элемент кондуктивной связи и индуктор 420.
[0186] На фиг. 13 представлен вид в разрезе сбоку, иллюстрирующий проглатываемый идентификатор 279, показанный на фиг. 12. Проглатываемый идентификатор 270 содержит интегральную микросхему 272 (также именуемую в настоящем документе идентификатором), а также верхний и нижний электроды 276 и 278; при этом верхний и нижний электроды 276 и 278 изготовлены из разнородных материалов и выполнены таким образом, что при их вхождении в контакт с желудочной средой через интегральную микросхему 272 начинает протекать ток, инициируя испускание одним или более функциональным блоком обнаруживаемого сигнала. Проглатываемый идентификатор 270 включает в себя a непроводящую мембрану 274 (иногда именуемую в настоящем документе «юбкой» или гальванически развязанным элементом), как было указано выше. Проглатываемый идентификатор 270 содержит индуктор 420, сформированный поверх одного из электродов, как это показано на рисунке.
[0187] Проглатываемый идентификатор 270 может быть использован вместе с приемниками, выполненными с возможностью приема электромагнитного поля, генерируемого индуктором 420. Одним из примеров подсоединяемого медицинского прибора служит передатчик/приемник, постоянно связанный с телом (например, имплантированный в тело) или прикрепленный к внешнему участку тела с возможностью съема. Проглатываемый идентификатор 270 может быть коммуникативно связан с передающим и/или приемным устройством. К передающим/приемным устройствам относятся внутрительные устройства; внешние устройства, закрепляемые на теле человека на постоянной основе или с возможностью съема; и удаленные устройства (например, устройства, физически не соединенные с телом, но выполненные с возможностью сообщения с проглатываемыми маркерами событий). Требуемые приемники подробнее описаны ниже, например, в привязке к фиг. 3, 47, 49 и 50-55.
[0188] Различные аспекты устройств и систем, включая пилюли и упаковки с поддержкой связи, обеспечивают распознавание проглатываемого идентификатора 270 и любого его лекарственного средства (при его наличии). В контексте настоящего документа термином «пилюля» обозначается любое лекарственное средство с поддержкой связи. Упаковка проглатываемого идентификатора 270 может представлять собой, например, «блистерную» упаковку, выполненную с возможностью размещения в ней отдельного проглатываемого идентификатора (такого как пилюля или ограниченное число пилюль или капсул). Упаковками проглатываемого идентификатора 270 могут дополнительно служить контейнеры, коробки, обертки, пакеты для внутривенного вливания и прочие емкости, предназначенные для лекарств.
[0189] Согласно различным аспектам настоящего изобретения компоненты связи могут быть отделены от пилюли. В других аспектах компоненты связи могут быть размещены на упаковке, например, физически соединены с ней, а также с проглатываемым компонентом, таким как пилюля или капсула.
[0190] После доставки проглатываемого идентификатора 279 в среду, окружающую пациента, информация, связанная с проглатываемым идентификатором 270 может быть использована в самых разных целях. Например, проглатываемый идентификатор 270 может вступить во взаимодействие с контейнером проглатываемого идентификатора 270 и приемником, чтобы удостовериться в том, что лицо, пытающееся вскрыть контейнер с проглатываемым идентификатором 270, действительно является лицом, для которого он предназначен. Коммуникационная активность дополнительно включает в себя использование информационно-управляющей системы, в которой информация о лекарствах, соотносимая с проглатываемым идентификатором 270, сравнивается с данными о пациенте, полученными с одного или множества источников с тем, чтобы определить, например, не имеет ли данное лекарство противопоказаний, соответствует ли оно требуемой дозе и времени приема, или иные события и/или условия.
[0191] После проглатывания пациентом проглатываемого идентификатора 270 хранящаяся в нем информация может быть извлечена с помощью одного или более компонента связи. Например, после проглатывания коммуникационные возможности могут быть реализованы посредством компонентов связи, использующих электромагнитное поле, например, посредством приемника. Данные могут храниться в проглатываемом идентификаторе 270 и перепрограммироваться с помощью защищенной электронно-цифровой подписи при каждой транзакции.
[0192] После выхода проглатываемого идентификатора 270 из тела пациента различные аспекты позволяют обеспечить его связь с определенным устройством, таким как датчик, чтобы установить, например, данные, относящиеся к этому пациенту или лекарственному средству, или ко времени его нахождения в теле пациента. В альтернативном варианте согласно различным аспектам данные стираются (или же уничтожаются или удаляются из системы различные компоненты/подкомпоненты, связанные с такими данными) для защиты конфиденциальной информации после выхода идентификатора из тела пациента.
[0193] Описав в общих чертах электромагнитную систему зондирования и обнаружения проглатываемых идентификаторов в привязке к фиг. 1-13, перейдем теперь к конкретным вариантам осуществления электромагнитной системы зондирования и обнаружения проглатываемых идентификаторов, включающей в себя (1) импульсную схему возбуждения проглатываемого идентификатора, содержащую низко-импедансный индуктор; (2) комбинированный резонансный контур для проглатываемого идентификатора и индуктора; (3) импульсная коммуникационная система и протокол; и (4) приемник в различных конфигурациях, предназначенный для приема электромагнитного сигнала, передаваемого проглатываемым идентификатором.
[0194] На фиг. 14-18 проиллюстрированы различные конфигурации электромагнитной системы зондирования и обнаружения проглатываемых идентификаторов согласно различным аспектам настоящего изобретения. Каждый из проглатываемых идентификаторов, показанных на фиг. 14-18, может быть использован в качестве передающего компонента электромагнитной системы зондирования и обнаружения проглатываемых идентификаторов согласно различным аспектам настоящего изобретения.
[0195] На фиг. 14 проиллюстрирован один из аспектов проглатываемого идентификатора, показанного на фиг. 4A и 4B, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Проглатываемый идентификатор 200 содержит интегральную микросхему 202 и непроводящую мембрану 208, расположенную между разнородными материалами 204 и 206 (см. фиг. 4A), предусмотренными на интегральной микросхеме 202. Согласно описанию, представленному в настоящем документе, разнородные материалы 204 и 206 создают разность потенциалов, обеспечивающую питание при погружении проглатываемого идентификатора 200 в токопроводящую жидкость. Согласно одному из аспектов проглатываемый идентификатор 200, показанный на фиг. 14, может быть выполнен так же, как это описано в привязке к фиг. 5-9. Иначе говоря, проглатываемый идентификатор 200 может быть использован в электромагнитной системе зондирования и обнаружения согласно описанию, представленному в настоящем документе, генерируя кодированный сигнал внутри тела человека, показанного на фиг. 1 и 2.
[0196] На фиг. 15 проиллюстрирован один из аспектов проглатываемого идентификатора 270, показанного на фиг. 12 и 13, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Проглатываемый идентификатор 270 содержит интегральную микросхему 272, непроводящую мембрану 274 и индуктор 420, предусмотренный на интегральной микросхеме 272. Согласно описанию, представленному в настоящем документе, разнородные материалы 274 и 276 (см. фиг. 13) создают разность потенциалов для запитывания интегральной микросхемы 272 при погружении проглатываемого идентификатора 270 в токопроводящую жидкость. Согласно одному из аспектов проглатываемый идентификатор 270 может быть выполнен так же, как это описано в привязке к фиг. 12 и 13.
[0197] На фиг. 15 также показано, что индуктор 420 может быть структурирован так, как это показано, например, на фиг. 10 и 11. Индуктор 420 представляет собой компонент резонансного контура и активируется схемой возбуждения интегральной микросхемы 272. Активированный резонансный контур генерирует электромагнитный сигнал, который может быть обнаружен приемником, внешним по отношению к пациенту.
[0198] Согласно одному из аспектов проглатываемый идентификатор 270 обычно выполнен в виде цельного куска материала, такого как Si (кремний), полученного в ходе отдельного процесса производства полупроводника. Соответственно, металлы, используемые в процессе производства полупроводника для создания интегральной микросхемы 272, могут быть использованы для получения проглатываемого идентификатора 270 и индуктора 420. Таким образом, в процессе производства полупроводника на интегральной микросхеме 272 может быть сформирован резонансный контур, содержащий индуктор 420 и конденсатор.
[0199] Индуктор 420 может быть сформирован на интегральной микросхеме 272 проглатываемого идентификатора 270 самыми разными способами. Согласно одному из аспектов индуктор 420 может быть выполнен в виде (1) спирали, проходящей между нижней частью интегральной микросхемы 272 и верхней частью интегральной микросхемы 272, причем разные слои соединены друг с другом посредством межслойных перемычек. Согласно еще одному из аспектов индуктор 420 может быть выполнен в виде (2) первого слоя металла на одной из сторон интегральной микросхемы 272, проходящего между наружной частью интегральной микросхемы 272 и ее внутренней частью, и второго слоя металла, нанесенного поверх первого слоя металла. Индуктор 420 может содержать четыре слоя индукторов, уложенных один поверх другого, и восемь разных узлов для активации индуктора 420. Согласно еще одному из аспектов индуктор 420 может быть выполнен в виде (3) двух отдельных индукторов с центральным отводом для противостояния любым паразитным искажениям сигнала.
[0200] На фиг. 16 проиллюстрирован проглатываемый идентификатор 280, содержащий интегральную микросхему 282 и отдельный индуктор 430, сформированный на отдельной подложке 440, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Соответственно, проглатываемый идентификатор 280 может быть изготовлен в ходе двух отдельных технологических процессов в виду двух отдельных подложек, которые впоследствии соединяются друг с другом. Согласно одному из аспектов проглатываемый идентификатор 280 содержит интегральную микросхему 282, интегрированное пассивное устройство (IPD) 450 и необязательно непроводящую мембрану 288. Компонент IPD 450 представляет собой пассивное устройство, интегрированное в интегральную микросхему 282. Интегральная микросхема 282 содержит разнородные материалы, предусмотренные на ее поверхности для генерирования напряжения при вхождении в контакт с токопроводящей жидкостью; при этом указанное напряжение используется для запитывания интегральной микросхемы 282, как это описано в привязке к фиг. 4A-4B и 5-9. Непроводящая мембрана 288 может располагаться между разнородными материалами, удлиняя путь прохождения тока между разнородными материалами. Индуктор 430 на компоненте IPD 450 сформирован на отдельной подложке 440 и электрически связан с выходом интегральной микросхемы 282.
[0201] Интегральная микросхема 282 может быть построена с использованием первой процесса на основе КМОП-технологии (с комплементарной структурой «металл-оксид-полупроводник») на отдельной подложечной пластине 284 из кремния (Si). Индуктор 430 и конденсатор могут быть сформированы с использованием второго процесса на второй подложечной пластине 440 для формирования компонента IPD 450. Компонент IPD 450 может использовать высококачественные металлы для построения индуктора 430 на второй подложке 440 с кристаллом ИС. После этого интегральная микросхема 282 проглатываемого идентификатора 280 и компонент IPD 450 могут быть уложены поверх друг друга, при необходимости, с дополнительной обработкой, такой как напыление, сверление и пр. В результате из двух отдельных подложечных пластин 284 и 440 может быть получен цельный полупроводник (например, кремниевый). Две отдельные полупроводниковые подложки 284 и 440 могут быть объединены или сцеплены различными способами, такими как, например, соединение молекулярными связями. Если используется необязательная непроводящая мембрана 288, интегральная микросхема 282 может располагаться на непроводящей мембране 288 (например, на юбке). Согласно еще одному из аспектов для реализации индуктора 430 может быть использован слой перераспределения (RDL). Согласно еще одному из аспектов индуктор может быть сформирован на стеклянной подложке, а не на полупроводниковой подложке.
[0202] На фиг. 17 проиллюстрирован проглатываемый идентификатор 290, содержащий индуктор 460, сформированный на непроводящей мембране 294, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Проглатываемый идентификатор 290 содержит интегральную микросхему 292, непроводящую мембрану 294 и индуктор 460, сформированный на непроводящей мембране 294. Интегральная микросхема 292 содержит на своей поверхности разнородные материала, создающие напряжение при вхождении в контакт с токопроводящей жидкостью и генерирующие в этой жидкости электрический ток так, как это описано в привязке к фиг. 4A-4B и 5-9. Непроводящая мембрана 294 располагается между разнородными материалами, увеличивая путь прохождения электрического тока. Индуктор 460 может быть сформирован на непроводящей мембране самыми разными способами, такими как напыление, печать и пр. Индуктор 460 электрически связан с интегральной микросхемой 292.
[0203] На фиг. 18 проиллюстрирован проглатываемый идентификатор 295, содержащий индуктор 470, сформированный на одном или на обоих разнородных материалах 274 и 276 (см. фиг. 13) после нанесения разнородных материалов 274 и 276 на интегральную микросхему 272, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Участок конденсатора резонансного контура может быть сформирован или в ходе процесса производства полупроводника, или после этого. Согласно одному из аспектов отдельные полупроводниковые пластины могут быть скреплены друг с другом и соединены с разнородными материалами проглатываемого идентификатора (например, Mg и CuCl) путем выполнения сквозных отверстий в кремнии и заполнены медью (Cu). Этот процесс может быть выполнен на одной или обеих сторонах кристалла ИС, а затем разделен для получения отдельных компонентов.
[0204] На фиг. 19 представлено схематическое изображение проглатываемого идентификатора 270, содержащего индуктор 420 и однотактную схему 500 возбуждения индуктора, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Однотактная схема 500 возбуждения индуктора выполнена с возможностью активации индуктора 420. Схема 500 возбуждения запитывается от источника 501 питания пониженной мощности, образуемого разнородными материалами 274 и 276, как это описано выше в привязке к фиг. 12-13, погруженными в токопроводящую жидкость. Устройство 422 управления осуществляет управление переключателем SW, который соединен с индуктором 420 по последовательной схеме. Переключатель SW содержит входную клемму 424, выходную клемму 426 и клемму 428 управления. Устройство 422 управления соединено с клеммой 428 управления переключателя SW, управляя срабатыванием переключателя SW. Например, устройство 422 управления может быть выполнено с возможностью размыкания и замыкания переключателя SW для генерирования колебательного тока радиочастоты, проходящего через индуктор 420, который генерирует электромагнитный сигнал в диапазоне радиочастот. Переключатель SW может размыкаться и замыкаться заданным образом, генерируя кодированный электромагнитный сигнал в диапазоне радиочастот. Электромагнитный сигнал в диапазоне радиочастот может передаваться через ткани человеческого тела. Электромагнитный сигнал в диапазоне радиочастот может быть обнаружен внешним или внутренним приемным устройством, которое снабжено механизмом детектирования магнитных сигналов.
1
2
1
2
[0205] На фиг. 20 представлено схематическое изображение проглатываемого идентификатора 271, содержащего индуктор 420 и двухтактную схему 502 возбуждения индуктора с Н-мостом 504, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Двухтактная схема 502 возбуждения индуктора с Н-мостом 504 выполнена с возможностью активации индуктора 420. Схема 502 возбуждения запитывается от источника 501 питания пониженной мощности, образуемого разнородными материалами 274 и 276, описанными выше в привязке к фиг. 12-13, погруженными в токопроводящую жидкость. Индуктор 420 подсоединен между двумя узлами Н-моста 504, содержащего, по меньшей мере, четыре переключателя SW1, SW2, SW3 и SW4, образующих «плавающую» конфигурацию. Каждый из переключателей SW1, SW2, SW3 и SW4 содержит входную клемму, выходную клемму и клемму управления. Устройство 430 управления соединено с клеммой управления каждого из переключателей SW1, SW2, SW3 и SW4, обеспечивая регулирование электрической проводимости переключателей SW1, SW2, SW3 и SW4. Например, устройство управления выполнено с возможностью размыкания и замыкания переключателей SW1, SW2, SW3 и SW4 заданным образом для генерирования колебательного тока, проходящего через индуктор 420, который генерирует кодированный магнитный сигнал в диапазоне радиочастот. Согласно одному из аспектов два переключателя SW1 и SW2 в Н-мосту 504 замыкаются и размыкаются одновременно, проводя электрический ток (i) через индуктор 420, тогда как другие два переключателя SW3 и SW4 остаются разомкнутыми. После этого одновременно замыкаются два переключателя SW3 и SW4 в Н-мосту 504, проводя электрический ток (i) через индуктор 420, тогда как два другие переключателя SW1 и SW2 остаются разомкнутыми. Пары переключателей (SW1 и SW2) и (SW3 и SW4) попеременно подключают индуктор 420 между положительной и обратной клеммами источника 501 питания пониженной мощности для попеременного проведения электрического тока (i) и i через индуктор 420.
1
2
1
2
1
2
1
1
2
[0206] Устройство 430 управления осуществляет управление переключателями SW1, SW2, SW3 и SW4, подключая по два переключателя по последовательной схеме к индуктору 420 в течение полуцикла. Таким образом, устройство 430 управления активирует индуктор 420 дважды за цикл, удваивая сигнал; при этом на источник 501 питания подается постоянная нагрузка. Например, согласно одному из аспектов устройство управления приводит в действие два переключателя SW1 и SW2 на первой фазе ϕ и два других переключателя SW3 и SW4 на второй фазе ϕ; при этом первая фаза ϕ сдвинута относительно второй фазы ϕна 180°. Соответственно, во время первого полуцикла переключатели SW1 и SW2 находятся в замкнутом положении, а переключатели SW3 и SW4 остаются разомкнутыми, вследствие чего генерируется первый ток (i), проходящий через индуктор 420. Во время второго полуцикла в замкнутом положении находятся переключатели SW3 и SW4, а разомкнутыми остаются переключатели SW1 и SW2, вследствие чего генерируется второй ток (i), проходящий через индуктор 420 в направлении, противоположном течению первого тока (i). В одном цикле индуктор 420 активируется токами i и i, что удваивает выходной сигнал. Соответственно, по мере того, как пары переключателей SW1, SW4, SW2 и SW3 циклически включаются и выключаются устройством управления, генерируется кодированный колебательный ток, проходящий через индуктор 420, который - в свою очередь - генерирует электромагнитный сигнал в диапазоне радиочастот, который может передаваться через ткани человеческого тела. Электромагнитный сигнал в диапазоне радиочастот может быть обнаружен внешним или внутренним приемным устройством, которое снабжено механизмом детектирования магнитных сигналов.
[0207] На фиг. 21 представлено схематическое изображение проглатываемого идентификатора 270 согласно одному из аспектов настоящего изобретения, содержащего индуктор 420 и однотактную схему 422 возбуждения индуктора. Однотактная схема 422 возбуждения индуктора выполнена с возможностью активации индуктора 420. Схема 422 возбуждения запитывается от источника питания пониженной мощности, образуемого за счет электрического соединения разнородных материалов 274 и 276, погруженных в токопроводящую жидкость, как это описано выше в привязке к фиг. 12-13. Как можно видеть на фиг. 21, участок источника питания проглатываемого идентификатора 270 разделен таким образом, что питание, подаваемое на устройство 506 управления, гальванически развязано с питанием, подаваемым на индуктор 420. Переключатель SW содержит входную клемму 507, выходную клемму 509 и клемму 511 управления. Устройство 506 управления соединено с однотактной схемой 422 возбуждения, которая соединена с клеммой 511 управления переключателя SW, обеспечивая регулирование электрической проводимости переключателя SW. Однотактная схема 422 возбуждения, управляемая устройством 506 управления, приводит в действие переключатель SW, последовательно подключенный к индуктору 420. Переключатель SW размыкается и замыкается устройством 506 управления, генерируя кодированный колебательный ток, проходящий через индуктор 429, который генерирует электромагнитный сигнал в диапазоне радиочастот. Электромагнитный сигнал в диапазоне радиочастот может передаваться через ткани человеческого тела с небольшим или нулевым затуханием. Магнитный сигнал в диапазоне радиочастот может быть обнаружен внешним или внутренним приемным устройством, которое снабжено механизмом детектирования магнитных сигналов.
[0208] На фиг. 21A представлено схематическое изображение проглатываемого идентификатора 270A согласно одному из аспектов настоящего изобретения, содержащего индуктор 410 и однотактную схему 422 возбуждения индуктора, где слой первого металла 274 разделен на две области и слой второго металла 276 разделен на две области.
[0209] На фиг. 22 представлено схематическое изображение проглатываемого идентификатора 271 согласно одному из аспектов настоящего изобретения, содержащего индуктор 420 и двухтактную схему 430 возбуждения индуктора с Н-мостом 504. Двухтактная схема 502 возбуждения индуктора с Н-мостом 504 выполнена с возможностью активации индуктора 420. Схема 430 возбуждения запитывается от источника питания пониженной мощности, образуемого разнородными материалами 274 и 276, погруженными в токопроводящую жидкость, как это описано выше в привязке к фиг. 12-13. Как можно видеть на фиг. 22, участок источника питания проглатываемого идентификатора 270 разделен таким образом, что питание, подаваемое на устройство 506 управления, гальванически развязано с питанием, подаваемым на индуктор 420. Индуктор 420 подключен между двумя узлами Н-моста 504, содержащего, по меньшей мере, четыре переключателя SW1, SW2, SW3 и SW4, образующих «плавающую» конфигурацию. Согласно одному из аспектов два из переключателей Н-моста 504 одновременно замыкаются, позволяя электрическому току протекать через индуктор 420, тогда как два других переключателя остаются разомкнутыми, попеременно подключая индуктор 420 между положительной и обратной клеммами источника питания. Каждый из переключателей SW1, SW2, SW3 и SW4 содержит входную клемму, выходную клемму и клемму управления. Устройство 506 управления соединено с двухтактной схемой 502 возбуждения с Н-мостом 504, которая соединена с клеммами управления переключателей SW1, SW2, SW3 и SW4 для регулирования электрической проводимости переключателей SW1, SW2, SW3 и SW4.
1
2
1
2
1
2
1
1
2
[0210] Двухтактная схема 430 возбуждения с Н-мостом 504, управляемая устройством 506 управления, осуществляет управление переключателями SW1, SW2, SW3 и SW4, подключая по два переключателя по последовательной схеме к индуктору 420 в течение полуцикла. Таким образом, индуктор 420 активируется дважды за цикл, удваивая сигнал; при этом на источник 501 питания подается постоянная нагрузка. Например, согласно одному из аспектов схема 430 возбуждения приводит в действие два переключателя SW1 и SW2 на первой фазе ϕ и два других переключателя SW3 и SW4 на второй фазе ϕ; при этом первая фаза ϕ сдвинута относительно второй фазы ϕна 180°. Соответственно, во время первого полуцикла переключатели SW1 и SW2 находятся в замкнутом положении, а переключатели SW3 и SW4 остаются разомкнутыми, вследствие чего генерируется первый ток (i), проходящий через индуктор 420. Во время второго полуцикла в замкнутом положении находятся переключатели SW3 и SW4, а разомкнутыми остаются переключатели SW1 и SW2, вследствие чего генерируется второй ток (i), проходящий через индуктор 420 в направлении, противоположном течению первого тока (i). Таким образом, в одном цикле индуктор 420 активируется токами i и i, что удваивает выходной сигнал. Соответственно, по мере того, как пары переключателей (SW1 и SW4) и (SW2 и SW3) циклически включаются и выключаются устройством 430 управления, генерируется кодированный колебательный ток, проходящий через индуктор 420, который - в свою очередь - генерирует электромагнитный сигнал в диапазоне радиочастот, который может передаваться через ткани человеческого тела с небольшим или нулевым затуханием. Электромагнитный сигнал в диапазоне радиочастот может быть обнаружен внешним или внутренним приемным устройством, которое снабжено механизмом детектирования магнитных сигналов.
[0211] Переключатели SW, SW1, SW2, SW3 и SW4, описанные в привязке к фиг. 19-22, могут быть реализованы в виде твердотельных электронных коммутирующих элементов, таких как полупроводниковые коммутирующие элементы, в том числе, например, транзисторы, полевые транзисторы (FET), полевые транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник (полевые МОП-транзисторы), биполярные плоскостные транзисторы и их любые пригодные для использования эквиваленты.
[0212] На фиг. 22A представлено схематическое изображение проглатываемого идентификатора 271A согласно одному из аспектов настоящего изобретения, содержащего индуктор 420 и двухтактную схему 430 возбуждения индуктора с Н-мостом, где слой первого металла 274 разделен на две области и слой второго металла 276 разделен на две области.
[0213] На фиг. 23 показана структура индуктивного элемента или индуктора 508, сформированного на изолирующей подложке 514, который может быть использован в качестве индуктивного элемента в интегральной микросхеме проглатываемого идентификатора, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Например, индуктор 508 плоского типа может быть сформирован на полупроводниковой подложке 512. Как показано на фиг. 23, такой индуктор 508 плоского типа обычно характеризуется спиралевидной конфигурацией, содержащей полоску или спираль из проводящего металла 510, сформированную на поверхности полупроводниковой подложки 512 с использованием изолирующего слоя 514, уложенного на подложку. Значение индуктивности стандартного индуктора квадратной формы, показанного на фиг. 23, может быть получено при решении следующего уравнения (1):
[0214]
[0215] , где величина L обозначает индуктивность (нГн); величина d обозначает длину (мм) наибольшего наружного диаметра спиралевидного слоя 510 металлизации индуктора; величина p обозначает ширину (мм) спиралевидного слоя 510 металлизации индуктора; величина q обозначает интервал (мм) между двумя соседними областями спиралевидного слоя 510 металлизации; а величина r обозначает соотношение p/q, т.е. (p/q). Когда p=q, указанное уравнение упрощается до следующего уравнения (2):
[0216]
[0217] Например, если p=q=0,05 мм, а d=0,5 мм, то величина L индуктивности, рассчитанная по указанному уравнению (1) или (2), будет составлять около 2 нГн.
[0218] Плоская конструкция индуктора 508, описанная выше, повышает степень интеграции схемы за счет уменьшения количества схемных элементов, располагаемых за пределами кристалла, вместе с сопутствующей потребностью в комплексных взаимосвязях. Однако в последнее время для уменьшения размеров и затрат на производство устройств на полупроводниковых интегральных микросхемах наблюдается потребность во все большей миниатюризации не только активных компонентов (например, транзисторов), но и пассивных компонентов, таких как индукторы и конденсаторы. Соответственно, в отношении указанных индукторов плоского типа предпринимаются попытки решения задач по их миниатюризации путем уменьшения размеров спиралевидного проводящего слоя 510, т.е. путем уменьшения размеров ширины p и интервала q.
o
o
[0219] Например, если p=0,006 мм, q=0,006 мм, а d=0,15 мм, то величина L индуктивности, рассчитанная по указанному уравнению (1), будет составлять около 2,5 нГн. Если на подложке их арсенида галлия (GaAs) сформирован спиралевидный слой металлизации или проводящий слой 510 таких размеров, то электрическая емкость С между токопроводящими дорожками проводящего слоя 510 будет составлять около 0,06 пФ. Это значение получается методом аппроксимации двух соседних областей спиралевидного проводящего слоя 510 как копланарных полосковых линий. Резонансная частота f в этом случае будет составлять около 12,5 ГГц, где f определяется по следующему уравнению (3):
[0220]
o
o
[0221] Для уменьшения размеров в плане спиралевидного слоя металлизации или проводящего слоя 510 индуктора, скажем, до 70% от его исходных размеров, если указанные выше параметры индуктора рассчитаны как p=0,0024 мм и q=0,001 мм, величина L индуктивности должна будет поддерживаться на уровне около 2,5 нГн. Однако в этом случае электрическая емкость С между токопроводящими дорожками проводящего слоя 510 повышается примерно до 0,28 пФ, в результате чего резонансная частота f уменьшится примерно до 6,0 ГГц, что меньше, чем в случае с исходными размерами, где она составляет около 6,5 ГГц. Соответственно, при использовании индуктора 508, показанного на фиг. 23, когда интервал q соседних областей спиралевидного проводящего слоя 510 уменьшен в целях миниатюризации системы, электрическая емкость С между токопроводящими дорожками увеличится, а резонансная частота f уменьшится, в результате чего снизится максимальная рабочая частота.
[0222] На фиг. 24 показана структура многослойного индуктивного элемента или индуктора 520, сформированного на изолирующей подложке 526 и 528, который может быть использован в качестве индуктивного элемента в интегральной микросхеме проглатываемого идентификатора, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Один из примеров конфигурации многослойного индуктора проиллюстрирован на фиг. 24. Как можно видеть на фиг. 24, структура многослойного индуктора 520 включает в себя первый и второй слои металлизации, образующие соответствующие спиралевидные секции 522 и 524 индуктора. Каждая секции 522 и 524 индуктора сформирована на соответствующей изолирующей подложке 526 и 528, и соединена концами через расположенную по центру проводящую перемычку 530. В сравнении с планарной структурой 508, изображенной на фиг. 23, многослойная конфигурация, показанная на фиг. 24, обеспечивает существенное увеличение индуктивности в расчете на единицу площади, а также уменьшение размера d.
[0223] На фиг. 25-27 показана конфигурация двухслойного двухполюсного индуктора 600 согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Конфигурация двухслойного двухполюсного индуктора 600, показанная на фиг. 25, включает в себя две секции 602 и 604 индуктора, сформированные на двух соответствующих изолирующих слоях 608 и 610 полупроводниковой интегральной микросхемы 601, и соединенные концами через расположенную по центру первую проводящую перемычку 606. Два полюса A1 (Полюс 1) и A2 (Полюс 2), соединяющие индуктор 600 с прочими компонентами микросхемы, располагаются поверх верхнего слоя 603 полупроводниковой интегральной микросхемы 601. Второй полюс A2 второй секции 604 индуктора соединен с верхним слоем 603 полупроводниковой интегральной микросхемы 601 через вторую проводящую перемычку 607, смещенную относительно центра. Хотя на фиг. 25-27 показан двухслойный двухполюсный индуктор 600, настоящим изобретением предусмотрен также n-слойный n-полюсный индуктор, содержащий множество секций индуктора числом n, сформированных на соответствующих изолирующих слоях числом n полупроводниковой интегральной микросхемы, подключенных по последовательной или параллельной схеме или с использованием любого подходящего сочетания таких схем подключения через одну или более проводящую перемычку, где число n представляет собой целое число, превышающее два. Пример многослойного индуктора с более чем двумя слоями представлен на фиг. 28-30, где показан четырехслойный двухполюсный индуктор, содержащий секции 614, 616, 618 и 620, сформированные на соответствующих изолирующих слоях 622, 624, 626 и 628 полупроводниковой интегральной микросхемы, и соединенные концами через расположенную по центру проводящую перемычку.
[0224] На фиг. 26 представлено схематическое изображение двухслойного двухполюсного индуктора 600, показанного на фиг. 25, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Для наглядности двухслойный двухполюсный индуктор 600 представлен в виде двух отдельных секций 602 и 604. Первая секция 602 индуктора сформирована на первом изолирующем слое 608, а вторая секция 604 индуктора сформирована на второй изолирующем слое 610 полупроводниковой интегральной микросхемы 601. Первая и вторая секции 602 и 604 индуктора соединены по последовательной схеме через проводящую перемычку 606, обозначенную пунктирной линией. Соединения между двумя полюсами A1 (Полюс 1) и A2 (Полюс 2) предусмотрены на верхнем слое 603 полупроводниковой интегральной микросхемы 601. Соединение со вторым полюсом A2 выполнено с помощью проводящей перемычки 607.
[0225] На фиг. 27 представлена схема двухслойного двухполюсного индуктора 600, показанного на фиг. 25 и 26, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Первая секция 602 индуктора обозначена символом L1, а вторая секция 604 обозначена символом L2. Концы B1 и B2 секций L1 и L2 индуктора соединены по последовательной схеме через проводящую перемычку 606. Индуктор 600 может быть соединен с элементами микросхемы через два полюса A1 (Полюс 1) и A2 (Полюс 2). Поскольку секции 602 и 604 (L1 и L2) индуктора сформированы в виде катушек на соседних изолирующих слоях 608 и 610 полупроводниковой интегральной микросхемы 601, электрический ток (i), поступающий в секцию 602 индуктора, возбуждает напряжение в соседней секции 604 индуктора за счет взаимной индуктивности. Как показано на фиг. 27, электрический ток (i) протекает через первую и вторую секции 502 и 604 индуктора в одном и том же направлении.
[0226] На фиг. 28-30 проиллюстрирована конфигурация четырехслойного двухполюсного индуктора 612 согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Конфигурация четырехслойного двухполюсного индуктора 612, показанная на фиг. 28, включает в себя четыре секции 614, 616, 618 и 620 индуктора, сформированные на четырех соответствующих изолирующих слоях 622, 624, 626 и 628 полупроводниковой интегральной микросхемы 611 и соединенные концами через проводящие перемычки 630, 632, 634 и 635, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. На верхнем слое 613 полупроводниковой интегральной микросхемы 611 предусмотрены два полюса A1 (Полюс 1) и A4 (Полюс 2), соединяющие индуктор 612 с прочими элементами микросхемы. Второй полюс A4 связан с четвертой секцией 620 индуктора и соединен с верхним слоем 613 полупроводниковой интегральной микросхемы 611 через проводящую перемычку 634.
[0227] На фиг. 29 представлено схематическое изображение четырехслойного двухполюсного индуктора 612, показанного на фиг. 28, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Для наглядности четырехслойный двухполюсный индуктор 612 показан в виде четырех отдельный секций 614, 616, 618 и 620 индуктора. Каждая из секций 614, 616, 618 и 620 индуктора сформирована на отдельном изолирующем слое 622, 624, 626 и 628 и соединена по последовательной схеме через проводящие перемычки 630, 632, 634 и 635. Соединение между полюсом A4 (Port 2) и верхним слоем 613 полупроводниковой интегральной микросхемы 611 выполнено через проводящую перемычку 635. Соединения с полюсами A1 (Полюс 1) и A4 (Полюс 2) предусмотрены на верхнем слое 613 полупроводниковой интегральной микросхемы 611.
[0228] На фиг. 30 представлена схема четырехслойного двухполюсного индуктора 612, показанного на фиг. 28 и 29, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Первая секция 614 индуктора обозначена символом L1, вторая секция 616 индуктора обозначена символом L2, третья секция 618 индуктора обозначена символом L3, а четвертая секция 620 индуктора обозначена символом L4. Секции L1-L4 индуктора соединены концами по последовательной схеме через проводящие перемычки 630, 632 и 634. Индуктор 612 может быть соединен с элементами микросхемы через два полюса A1 (Полюс 1) и A4 (Полюс 2). Поскольку секции 614, 616, 618 и 620 (L1-L4) индуктора сформированы в виде катушек на соседних изолирующих слоях 622, 624, 626 и 628 полупроводниковой интегральной микросхемы 611, электрический ток (i), поступающий в одну секцию 614 индуктора, возбуждает напряжение в соседней секции 604 индуктора и т.д. за счет взаимной индуктивности. Как показано на фиг. 30, электрический ток (i) протекает через первую, вторую, третью и четвертую секции 614, 616, 618 и 620 (L1-L4) индуктора в одном и том же направлении.
[0229] На фиг. 31-33 проиллюстрирована конфигурация n-слойного n-полюсного индуктора 630 согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Конфигурация n-слойного n-полюсного индуктора 630, показанная на фиг. 31, включает в себя n-ое число секций 633, 636, 637 и 638 индуктора, сформированных на n-ом числе соответствующих изолирующих слоев 640, 642, 644 и 646 полупроводниковой интегральной микросхемы 631, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Каждая секция из n-ого числа секций 633, 636, 637 и 638 индуктора, сформированная на n-ом числе отдельных соответствующих изолирующих слоев 640, 642, 644 и 646, представляет собой зеркальное отражение секции, расположенной выше. Как показано на фиг. 31, секции 633, 636, 637 и 638 индуктора числом n не соединены друг с другом, а располагаются в виде отдельных секций 633, 636, 637 и 638 индуктора числом n. Секции 633, 636, 637 и 638 числом n могут быть соединены друг с другом и прочими схемами любым удобным способом через 2n-полюсы A1 (Полюс 1), B1 (Полюс 2), A2 (Полюс 3), B2 (Полюс 4), A3 (Полюс 5), B3 (Полюс 6), An (Полюс (2n-1)) и Bn (Полюс 2n).
[0230] На фиг. 32 представлено схематическое изображение n-слойного n-полюсного индуктора 630, показанного на фиг. 31, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Для наглядности n-слойный n-полюсный индуктор 630 показан в виде отдельный секций 633, 636, 637 и 638 индуктора числом n. Первая секция 633 индуктора сформирована на первом изолирующем слое 640, вторая секция 636 индуктора сформирована на втором изолирующем слое 642, третья секция 637 индуктора сформирована на третьем изолирующем слое 644, а n-ая секция 638 индуктора сформирована на n-ом изолирующем слое 646 индуктора. Каждая из секций индуктора задает катушку, которая является зеркальным отражением катушки, расположенной сверху. Показанные секции 633, 636, 637 и 638 не соединены друг с другом, а представлены в виде отдельно сформированных секций. Пары n-ого числа полюсов (A1 (Полюс 1) и B1 (Полюс 2)), (A2 (Полюс 3) и B2 (Полюс 4)), (A3 (Полюс 5) и B3 (Полюс 6)) и (An (Полюс (2n-1)) и Bn (Полюс 2n)) могут располагаться на отдельных изолирующих слоях числом n, соединяя отдельные секции индуктора 630 с микросхемой в любой заданной конфигурации.
[0231] На фиг. 33 представлена схема n-слойного n-полюсного индуктора 630, показанного на фиг. 31 и 30, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Первая секция 633 индуктора обозначена символом L1, вторая секция 636 индуктора обозначена символом L2, третья секция 637 индуктора обозначена символом L3, а n-ая секция 638 индуктора обозначена символом Ln. Как показано на фиг. 33, секции L1-Ln индуктора не соединены друг с другом, а могут быть по отдельности соединены с элементами микросхемы через пары полюсов числом n (A1 (Полюс 1) и B1 (Полюс 2)), (A2 (Полюс 3) и B2 (Полюс 4)), (A3 (Полюс 5) и B3 (Полюс 6)) и (An (Полюс (2n-1)) и Bn (Полюс 2n)) в любой заданной конфигурации. Поскольку секции 633, 636, 637 и 638 (L1-Ln) индуктора сформированы в виде отдельных катушек на соседних изолирующих слоях 640, 642, 644 и 646 полупроводниковой интегральной микросхемы 631, электрический ток, поступающий в одну секцию 633 индуктора, возбуждает напряжение в соседней секции 636 индуктора и т.д. за счет взаимной индуктивности.
[0232] На фиг. 34-36 проиллюстрирована конфигурация двухслойного трехполюсного индуктора 650 с отводом 653 от средней точки согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Конфигурация двухслойного трехполюсного индуктора 650 с отводом 653 от средней точки, показанная на фиг. 34, включает в себя четыре секции 652, 662, 664 и 654 индуктора, сформированные на двух соответствующих изолирующих слоях 658 и 660 полупроводниковой интегральной микросхемы 651 и соединенные концами через проводящие перемычки 653, 656, 657 и 668. На верхнем слое 655 полупроводниковой интегральной микросхемы 651 расположены три полюса A1 (Полюс 1), A4 (Полюс 2) и A2/A3 (Полюс 3), соединяющие индуктор 650 с другими элементами микросхемы. Эта геометрия обеспечивает возможность формирования двух слоев симметричных катушек с двумя слоями металла, тогда как стандартные симметричные катушки с отводом от средней точки требуют наличия двух слоев в расчете на каждую катушку. Соответственно, представленная геометрия обеспечивает большее число витков при такой же площади кристалла.
[0233] На фиг. 35 представлено схематическое изображение двухслойного трехполюсного индуктора 650 с отводом 653 от средней точки, показанного на фиг. 34, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Для наглядности двухслойный трехполюсный индуктор 650 с отводом 653 от средней точки показан в виде четырех отдельный секций 652, 662, 664 и 654 индуктора. Первая и вторая секции 652 и 662 индуктора сформированы на первом изолирующем слое 658, а третья и четвертая секции 664 и 654 индуктора сформированы на втором изолирующем слое 660. Вторая секция 654 индуктора представляет собой зеркальное отражение первой секции 652 индуктора. Первая, вторая, третья и четвертая секции 652, 662, 664 и 654 индуктора соединены по последовательной схеме через проводящие перемычки 653, 656, 657 и 668, обозначенные пунктирной линией. Соединения с тремя полюсами A1 (Полюс 1), A4 (Полюс 2) и A2/A3 (Полюс 3) предусмотрены на верхнем слое 655 полупроводниковой интегральной микросхемы 651.
[0234] На фиг. 36 представлена схема индуктора 650, показанного на фиг. 34 и 35, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. На этой схеме первая секция 652 двухслойного двухполюсного индуктора 650 обозначена позицией L1, вторая секция 654 индуктора обозначена позицией L2, L1, третья секция 664 индуктора обозначена позицией L3, а четвертая секция 654 индуктора обозначена позицией L4. Секции L1, L2, L3 и L4 индуктора соединены по последовательной схеме через межсоединения 656, 657 и 668. Поскольку секции L1, L2, L3 и L4 индуктора сформированы в виде катушек 652 и 654 на соседних слоях 658 и 660 полупроводниковой интегральной микросхемы 651, электрический ток, поступающий в одну катушку 652, возбуждает напряжение в соседней катушке 654 за счет взаимной индуктивности. Как можно видеть, электрический ток (i) протекает через каждую из секций L1, L2, L3 и L4 в одном и том же направлении.
DD
SS
[0235] На фиг. 37 показана принципиальная схема резонансной (колебательной) схемы возбуждения 700 индуктора согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Схема возбуждения 700 индуктора добавляет отрицательное активное сопротивление (-R), используя перекрестно-связанные полевые МОП-транзисторы 702 и 704, что проявляется в виде отрицательного активного сопротивления (-R), обеспечивающего режим самовозбуждающихся колебаний. Затвор 706 первого полевого МОП-транзистора 702 соединен со стоком 708 второго полевого МОП-транзистора 704. Аналогичным образом затвор 710 второго полевого МОП-транзистора 704 соединен со стоком 712 первого полевого МОП-транзистора 702. Индуктор L содержит секцию 714 индуктора, аналогичную секциям индуктора, описанным выше. Источник питающего напряжения Vсоединен с индуктором L, а подложка 716 соединена с V. Индуктор L характеризуется наличием двух полюсов P1 и P2, соединяющих индуктор L с другими элементами микросхемы, такими как перекрестно-связанные полевые МОП-транзисторы 702 и 704. В примере, приведенном на фиг. 37, индуктор L соединен через стоки 712 и 712 первого и второго полевых МОП-транзисторов 702 и 704, где полюс 1 (P1) индуктора L соединен со стоком 712 первого полевого МОП-транзистора 702, а полюс 2 (P2) индуктора L соединен со стоком 708 второго полевого МОП-транзистора 704. Конденсатор C соединен через стоки 712 и 712 первого и второго полевых МОП-транзисторов 702 и 704, задавая частоту колебаний схемы 700 возбуждения индуктора. В альтернативном варианте для задания этой частоты колебаний может быть использована паразитная емкость индуктора L. Перекрестно-связанные полевые МОП-транзисторы 702 и 704 обеспечивают колебание электрического тока внутри индуктора L. Это дает приемлемое значение показателя Q, который определяется как потеря энергии в цикле включения/выключения питания в сравнении с энергией, поступающей на индуктор L в цикле. Достаточно высокий показатель Q обеспечивает достаточное количество энергии, сохраняемой в индукторе L, и дает более сильный ток, что делает всю систему более эффективной. Следует иметь в виду, что могут быть использованы и другие типы схем с отрицательным активным сопротивлением, отличные от той, которая проиллюстрирована на фиг. 37.
[0236] На фиг. 38 представлена блок-схема импульсной схемы 720 возбуждения индуктора согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Импульсная схема 720 возбуждения индуктора используется для импульсной передачи сигнала через секции L1, L2, L3 и L4 индуктора, расположенные на отдельных слоях полупроводниковой интегральной микросхемы. Вместо соединения секции L1, L2, L3 и L4 индуктора с генератором колебаний, генерируется импульс тока, который со временем затухает по экспоненциальному закону. Заряд может сохраняться в конденсаторе и впоследствии разряжаться. Как показано на фиг. 38, импульсная схема 720 возбуждения индуктора содержит секцию 722 удвоителя напряжения батареи, соединенную со схемой 724 генератора импульсов, которая - в свою очередь - соединена с разрядной цепью 726 катушки. В примере, проиллюстрированном на фиг. 38, схема 724 генератора импульсов соединена с четырьмя разрядными цепями 726, 728, 730 и 732 индуктора. Однако следует иметь в виду, что со схемой 724 генератора импульсов может быть соединено n-ое число разрядных цепей индуктора без отступления от объема настоящего изобретения. Как описано в настоящем документе, схема 720 возбуждения индуктора накачивает заряд в конденсатор, а затем разряжает конденсатор в секции L1, L2, L3 и L4 индуктора во время цикла разрядка, очень короткого в сравнении с рабочим циклом.
[0237] Разрядные цепи 726, 728, 730 и 732 индуктора соединены со схемой 724 генератора импульсов по параллельной схеме. В этой конфигурации «накачки заряда» разрядные цепи 726, 728, 730 и 732 индуктора располагаются на параллельных отводах 734, 736, 738 и 740, давая четырехкратный ток, а не четырехкратное напряжение, как при их укладке одна поверх другой. Слои индукторов числом N могут быть выполнены с возможностью формирования N-ого числа конденсаторов. Секции L1, L2, L3 и L4 индуктора могут быть подключены к монофазному, а не переменному току (AC). Как описано в настоящем документе, каждая секция L1, L2, L3 и L4 индуктора включает в себя два полюса P1 и P2, которые предназначены для соединения секций L1, L2, L3 и L4 индуктора с соответствующими разрядными цепями 726, 728, 730 и 732 индуктора.
BAT
[0238] На фиг. 39 представлена принципиальная схема импульсной схемы 720 возбуждения индуктора, показанной на фиг. 38, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Импульсная схема 720 возбуждения индуктора используется для импульсной передачи сигнала через секции L1, L2, L3 и L4 индуктора, расположенные на отдельных слоях полупроводниковой интегральной микросхемы. Схема 722 удвоителя напряжения батареи в четыре раза увеличивает напряжение V, которое подается на каждую из разрядных цепей 726, 728, 730 и 732 индуктора. Схема 724 генератора импульсов подает импульсы на каждую из разрядных цепей 726, 728, 730 и 732 индуктора, активируя соответствующие секции L1, L2, L3 и L4 индуктора. Подробное описание схемы 722 удвоителя напряжения батареи, схемы 724 генератора импульсов и разрядных цепей 726, 728, 730 и 732 индуктора представлено в привязке к фиг. 40-43.
BAT
BAT
BAT
[0239] На фиг. 40 представлена структурная схема схемы 722 удвоителя напряжения батареи, показанной на фиг. 38 и 39, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Схема 722 удвоителя напряжения батареи включает в себя источник 742 напряжения V, соединенный с входом первого контура 744 удвоителя напряжения, а выход первого контура 744 удвоителя напряжения 2*V соединен с входом второго контура 746 удвоителя напряжения. Напряжение 4*V на выходе второго контура 746 удвоителя напряжения подается в схему 724 генератора импульсов и разрядные цепи 726, 728, 730 и 732 индуктора.
BAT
BAT
BAT
[0240] При этом может быть использован умножитель 744 и 746, где питающее напряжение (например, с батареи) будет ниже напряжения, необходимого схемам. Схемы на полевых МОП-транзисторах обычно представляют собой стандартный логический блок, используемый во многих интегральных микросхемах. Поэтому диоды часто заменяются транзисторами указанного типа; но при этом они реализованы таким образом, что могут исполнять функцию диодов - такая схема называется диодно-реализованной схемой на полевых МОП-транзисторах. Конденсаторы C1, C2 и C3 стабилизируют выходные напряжения источника 742 напряжения V, первого контура 744 удвоителя напряжения 2*V и второго контура 746 удвоителя напряжения 4V.
BAT
[0241] Согласно одному из аспектов настоящего изобретения каждый контур 744 и 746 удвоителя напряжения может включать в себя генератор подкачки заряда или умножитель, содержащий каскад диодных/конденсаторых ячеек, где нижняя пластинчатая обкладка каждого конденсатора активируется серией импульсов, которые подаются синхрогенераторами через цепи 748 и 750. Схема получает выходное напряжение V постоянного тока (DC) с батареи 742 системы; при этом синхрогенераторы обеспечивают коммутационный сигнал. Умножитель обычно требует, чтобы чередующиеся ячейки активировались синхронизирующими импульсами противоположной фазы.
[0242] На фиг. 41 представлена принципиальная схема каскадов контура 744 (746) удвоителя напряжения, показанного на фиг. 40, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Схемы перекрестно-связанных переключаемых конденсаторов продолжают подавать питание, когда один из них разряжен до уровня менее одного вольта. Контур 744 (746) удвоителя напряжения содержит каскад 752 переключаемых конденсаторов и каскад 754 синхронизации импульсов. Каскад 754 синхронизации импульсов принимает серию импульсов на вход CLK с синхрогенераторов через цепь 748 (750) и генерирует синхронизирующие импульсы противоположных фаз ϕ1 и ϕ2. При низком уровне синхроимпульсов ϕ1 включаются транзисторы Q1 и Q4, а транзисторы Q2 и Q3 выключаются, и напряжение с конденсатора C4 подается на выход Vout. В это время уровень синхроимпульсов ϕ2 высок, что обуславливает выключение транзисторов Q6 и Q7 и включение транзисторов Q5 и Q8, в результате чего конденсатор C5 заряжается до напряжения Vin. При снижении уровня синхроимпульсов ϕ2 напряжение на конденсаторе C5 накачивается до уровня удвоения величины Vin (2Vin), транзисторы Q6 и Q7 включаются, а транзисторы Q5 и Q8 выключаются, и напряжение 2Vin подается на выход так, что Vout = 2Vin. В следующем полуцикле роли меняются так, что уровень синхроимпульсов ϕ1 будет высоким, а уровень синхроимпульсов ϕ2 будет низким, вследствие чего транзисторы Q1 и Q4 выключаются, а транзисторы Q2 и Q3 включаются для зарядки конденсатора C4 до напряжения Vin. Одновременно с этим выключаются транзисторы Q6 и Q7 и включаются транзисторы Q5 и Q8, в результате чего напряжение 2Vin с конденсатора C5 подается на выход. При снижении уровня синхроимпульсов ϕ1 напряжение на конденсаторе C4 накачивается до уровня удвоения величины Vin (до 2Vin), транзисторы Q1 и Q4 включаются, а транзисторы Q2 и Q3 выключаются, и напряжение 2Vin подается на выход так, что Vout = 2Vin. Таким образом, выходное напряжение Vout, равное 2Vin, подается попеременно с каждой стороны контура.
[0243] Реализация каскадов контура 744 (746) удвоителя напряжения, проиллюстрированных на фиг. 41, обеспечивает низкий уровень потерь, поскольку отсутствуют диодно-реализованные схемы на полевых МОП-транзисторах и сопутствующие им проблемы, связанные с пороговым напряжением. Контур 744 (750) также обеспечивает преимущество, состоящее в том, что частота пульсации удваивается за счет наличия двух эффективных каскадов удвоения напряжения, оба из которых подают выходное напряжение со сдвинутых по фазе синхрогенераторов ϕ1 и ϕ2.
[0244] На фиг. 42 представлена принципиальная схема цепи 724 генератора импульсов, показанной на фиг. 38 и 39, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Цепь 724 генератора импульсов содержит первую и вторую триггерные схемы 758 и 760 Шмидта; резистивно-емкостную цепь, содержащую элементы R1 и C6 для установки задержки/постоянной τ времени на входе второй триггерной схемы 760 Шмидта, срабатывающей с задержкой; инвертор 762; и логический элемент 764 ИЛИ-НЕ. В электронных схемах триггерная схема 758 или 760 Шмидта представляет собой схему сравнения с гистерезисом, реализованным путем охвата положительной обратной связью входа компаратора или дифференциального усилителя. Эта схема является активной, преобразуя аналоговый входной сигнал в цифровой выходной сигнал. Она называется «триггерной схемой», поскольку выходной сигнал сохраняет своей значение до тех пор, пока входной сигнал не изменится до такой степени, что это окажется достаточным для запуска соответствующего изменения. В неинвертирующей конфигурации, когда уровень входного сигнала превышает заданное пороговое значение, значение выходного сигнала будет высоким. При уровне входного сигнала ниже другого (более низкого) заданного порогового значения, значение выходного сигнала будет низким, а когда уровень входного сигнала лежит в пределах между указанными двумя уровнями, выходной сигнал сохраняет свое значение. Это двухпороговое действие называется гистерезисом и означает, что триггерная схема 758 или 760 Шмидта обладает памятью и может действовать в качестве мультивибратора с двумя устойчивыми состояниями (триггера-защелки или бистабильного мультивибратора). Существует тесная взаимосвязь между двумя этими типами схем: триггерная схема Шмидта может быть преобразована в триггер-защелку, а триггер-защелка может быть преобразован в триггерную схему Шмидта.
[0245] Первый генератор 756 колебаний подает серию импульсов на вход 766 первой триггерной схемы 758 Шмидта и одновременно - на вход резистора R1 цепи R1 и C6. Таким образом, сигнал синхронизации, подающийся на вход 770 второй  триггерной схемы 760 Шмидта, задерживается на величину τ, заданную цепью R1 и C6. Соответственно, исходя из предположения, что первая и вторая триггерные схемы 758 и 760 Шмидта обладают одинаковыми свойствами внутренней задержки распространения сигнала, выходной сигнал 774 второй «запаздывающей» триггерной схемы 760 Шмидта подается с задержкой относительно выходного сигнала 772 первой триггерной схемой 760 Шмидта на величину (постоянную времени) τ = R1*C6 секунд. Выходной сигнал 772 первой «не запаздывающей» триггерной схемы 758 Шмидта инвертируется инвертором 762, а входной сигнал 776 инвертора 762 подается на вход A логического элемент 764 ИЛИ-НЕ. Выходной сигнал 774 второй «запаздывающей» триггерной схемы 760 Шмидта подается на вход B логического элемент 764 ИЛИ-НЕ. Выходной сигнал 778 логического элемент 764 ИЛИ-НЕ представляет собой серию импульсов, которая подается на один вход разрядных цепей 726, 728, 730 и 732 индуктора (см. фиг. 38 и 39). Второй генератор 780 колебаний генерирует серию 782 импульсов, которая подается на другой вход разрядных цепей 726, 728, 730 и 732 индуктора (см. фиг. 38 и 39).
[0246] На фиг. 43 представлена упрощенная принципиальная схема разрядной цепи 726 индуктора, показанной на фиг. 38 и 39, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Согласно описанию, представленному в настоящем документе, разрядная цепь 726 индуктора соединена с цепью 724 генератора импульсов (см. фиг. 42). В этой конфигурации «накачки заряда» разрядная цепь 726 индуктора связана с одним из N-ого числа слоев индукторов. Секция L1 индуктора подключается в монофазном режиме. Согласно описанию, представленному в настоящем документе, секция L1 индуктора содержит два полюса P1 и P2, предназначенных для соединения секции L1 индуктора с соответствующими схемными структурами разрядной цепи 726 индуктора.
[0247] Разрядная цепь 726 индуктора содержит зарядную цепь 790 конденсатора, 790, соединительную цепь 792 и секцию L1 индуктора, которая заряжает и разряжает цепи 794 и 796. Разрядная цепь 726 индуктора принимает серию импульсов с выхода 778 логического элемента 764 ИЛИ-НЕ (см. фиг. 42). Серия импульсов подается на первый инвертор 784. Выходной сигнал с первого инвертора подается на затвор транзистора Q10 зарядной цепи 790 конденсатора, на затвор транзистора Q12 соединительной цепи 792 и на вход второго инвертора 786. Выходной сигнал 791 со второго инвертора 786 подается на затвор транзистора Q9 зарядной цепи 790 конденсатора и на затвор транзистора Q11 соединительной цепи 792. При низком уровне входного сигнала, подаваемого на первый инвертор, транзисторы Q9 и Q10 включаются, а транзисторы Q11 и Q12 выключаются для зарядки конденсатора C6. При высоком уровне входного сигнала, подаваемого на первый инвертор, транзисторы Q9 и Q10 выключаются, а транзисторы Q11 и Q12 включаются для подачи напряжения с конденсатора C6 в разрядные цепи 794 и 796.
SS
SS
[0248] Второй генератор 780 колебаний генерирует серию 782 импульсов, которая подается на третий инвертор 788. Выходной сигнал 793 с третьего инвертора 788 подается на затворы транзисторов Q13 и Q14 и на вход четвертого инвертора 790. Выходной сигнал 795 с четвертого инвертора 790 подается на затворы транзисторов Q15 и Q16 таким образом, что обеспечивается попеременное срабатывание транзисторов Q13, Q16 и транзисторов Q14, Q15 на включение/выключение. Например, при высоком уровне входного сигнала третьего инвертора 788 транзисторы Q13 и Q16 включаются, а транзисторы Q14 и Q15 выключаются. Таким образом, полюс P1 секции L1 индуктора соединяется с напряжением конденсатора на входе 797 через транзистор Q13, а полюс P2 секции L1 индуктора соединяется с напряжением V через транзистор Q16. При снижении уровня входного сигнала, подаваемого на третий инвертор 788, роли меняются так, что транзисторы Q14 и Q15 включаются, а транзисторы Q13 и Q16 выключаются. Таким образом, полюс P2 секции L1 индуктора соединяется с напряжением конденсатора на входе 797 через транзистор Q15, а полюс P2 секции L1 индуктора соединяется с напряжением V через транзистор Q14. По мере поступления серий импульсов с выхода 778 логического элемента 764 ИЛИ-НЕ (см. фиг. 42) и серий импульсов 782 со второго генератора 780 (см. фиг. 42) колебаний секция L1 конденсатора попеременно заряжается и разряжается, генерируя электромагнитный сигнал.
[0249] Таким образом, разрядная цепь 726 индуктора накачивает разряд в конденсатор C6, после чего разряжает конденсатор C6 в секцию L1 индуктора во время цикла разрядка, очень короткого в сравнении с рабочим циклом, формируя протокол передачи. Принцип работы остальных разрядных цепей 728, 730 и 732 индуктора идентичен принципу работы разрядной цепи 726 индуктора, и его описание не повторяется в настоящем документе для краткости и ясности изложения.
[0250] Импульсные коммуникационные протоколы
[0251] Согласно некоторым аспектам настоящего изобретения импульсный коммуникационный протокол формируется для передачи сигнала с проглатываемого идентификатора (например, проглатываемого идентификатора 104), а также для приема, обнаружения и декодирования такого сигнала приемником (например, любым из приемников 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 150 и 152). Обычно проглатываемые идентификаторы согласно настоящему изобретению представляют собой в высшей степени миниатюрные и недорогие системы. Себестоимость и/или размеры таких идентификаторов ограничивают включение в их состав компонентов, обычно используемых для генерирования сигнала более высокого качества, например, путем добавления в схему кристалла для точной подстройки генератора колебаний до известной частоты. Это заставляет использовать приемник, который может определить фактическую частоту проглатываемого приемника с точностью до +/- 5-10% от ее исходного значения. Более того, выходное напряжение и ток биогальванической батареи проглатываемого идентификатора проявляют тенденцию к изменению на протяжении всей последовательности передачи. Из-за ограниченных размеров амплитуда сигнала проявляет тенденцию к серьезному уменьшению в сравнении с любым шумом. Из-за очень ограниченных ресурсов на стороне передатчика (проглатываемого идентификатора) может оказаться целесообразным прибегнуть к протоколу односторонней связи, который будет неизбежно предотвращать получение каких-либо подтверждений синхронизации или любых иных ответных сообщений, передаваемых приемником и получаемых проглатываемым идентификатором. Более того, пользователь может одновременно активировать множество проглатываемых идентификаторов, каждый из которых передает (и возможно изменяет) аналогичные сигналы, которые может снимать приемник до истечения срока службы их соответствующих батарей. Ограничения системы, указанные в настоящем документе, дают веские основания полагать, что ответственность за надлежащую передачу сигнала лежит на приемнике, и что приемник должен быть выполнен с возможностью учета первоначальной неточности частоты сигнала и возможного изменения выходного напряжения и тока, а также возможности передачи сигнала с исходно низким отношением «сигнал-шум», идентификации сигналов без какой-либо обратной связи и множества таких последовательностей передачи.
[0252] Аспекты настоящего изобретения решают, по меньшей мере, некоторые из этих задач, раскрывая импульсный коммуникационный протокол, который использует серии электромагнитных импульсов, генерируемых индуктором, входящим в состав проглатываемого идентификатора. Эти электромагнитные импульсы могут передаваться согласно одному из вариантов реализации протокола, который описан ниже в настоящем документе, и могут соответствующим образом приниматься, обнаруживаться и декодироваться приемником по этому же протоколу. Различные примеры этого импульсного коммуникационного протокола могут также именоваться в настоящем документе «короткоимпульсным» протоколом.
[0253] В общем, короткоимпульсный протокол может быть активирован импульсной системой проглатываемого идентификатора, аккумулирующей заряд с батареи и пропускающей его через индуктор в течение сверхкороткого отрезка времени, тем самым генерируя сигнал с более высокой амплитудой, но более короткой продолжительности в сравнении с той, которая может быть получена в непрерывном режиме генерации. Для этого цепь управления задает интервал между импульсами. Соответственно, приемник использует это преимущество, детектируя только те сигналы, где должны быть всплески, и игнорируя время между этими всплесками. Например, при десяти всплесках, каждый из которых характеризуется длительностью 1 мкс в течение периода времени продолжительностью 1000 мкс, вся энергия сигнала сжимается в 1% времени. Если детектор (например, приемник) игнорирует данные между импульсами, то с энергией w/ сигнала будет конкурировать по существу всего 1% шума, присутствующего во время этого периода. Для сравнения в стандартных «резонансных системах» энергия сигнала была бы равномерно распределена по всему отрезку времени продолжительностью 1000 мкс, и с энергией сигнала конкурировал бы весь шум в этом отрезке. Таким образом, в этом примере короткоимпульсный протокол может улучшить отношение «сигнал-шум» (SNR) в сто раз. Улучшение отношения SNR находится в обратной зависимости от рабочего цикла.
[0254] Кроме того, короткоимпульсный протокол обеспечивает возможность обнаружения множества проглоченных одновременно проглатываемых идентификаторов без взаимных помех, возбуждаемых их сигналами. Это достигается за счет того, что если только два сигнала не характеризуются абсолютно одинаковой частотой передачи и фазой, импульсы совпадающего сигнала будут появляться в интервалах между импульсами и, соответственно, игнорироваться.
[0255] На фиг. 44 представлена диаграмма 800 синхронизации и полярности короткоимпульсного протокола согласно одному из примеров его реализации, который может быть сформирован импульсной схемой 720 возбуждения индуктора, показанной на фиг. 38-43, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. По вертикальной оси отложено напряжение (В), а по горизонтальной оси - время «импульсной синхронизации» (мкс). Импульсная функция 802 содержит серии 804 и 806 импульсов разной полярности в течение заданного периода времени (около 130 мкс) или временного кадра. Импульсная функция 802 кодирует информацию, относящуюся к проглатываемому идентификатору согласно описанию, представленному в настоящем документе. Положительные импульсы 804 имеют положительную полярность (+1В) или амплитуду, а отрицательные импульсы 806 имеют отрицательную полярность (-1В) или амплитуду. Импульсная функция 802 генерируется импульсной схемой 720 возбуждения индуктора и передается индуктором, выступающим в качестве передающей антенны. Импульсный или короткоимпульсный протокол может быть двухфазным или однофазным.
[0256] Согласно описанию, представленному в настоящем документе, протокол передачи данных формируется путем зарядки конденсатора C (например, конденсатора C6, показанного на фиг. 43) с последующей разрядкой этого конденсатора в течение сверхкороткого отрезка времени относительно рабочего цикла в секцию L индуктора (например, в секцию L1, показанную на фиг. 43), описанную в привязке к импульсной схеме 720 возбуждения индуктора, проиллюстрированной на фиг. 38-43. Импульсный протокол представляет собой серию последовательностей +/- или включения/выключения, например, в 128 точках. Вся энергия вмещается примерно в 13 импульсов, а шум распределяется по 128 импульсам, что улучшает показатель «шум на бит» в этом примере. Соответственно, в настоящем документе короткоимпульсный протокол может также именоваться кодом «разреженных импульсов». Один из примеров реализации импульсного протокола описан ниже.
[0257] Соответственно, согласно одному из аспектов код «разреженных импульсов» может быть реализован следующим образом:
[0258]  интервалы  = [3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 79];
[0259]  impulseNoGapsMask = [1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1];
[0260]  импульсы  = []; % нагрузки в паттерне импульсов;
[0261]  для i   = 1:13
[0262]  a  = маска impulseNoGapsMask (i);
[0263]  g  = нули (1, интервалы (i));
[0264]  импульсы = [импульсы g, a]; % переменного рабочего цикла;
[0265]  Конец
[0266]  код   = [0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1];
[0267] Код представляет собой пакет данных, которому предшествует 12 нулей (синхронизация) и преамбула a [1 0 1 0]. Определение идентификатора осуществляется следующим образом: «импульсу» (разрядке конденсатора через катушку с полярностью, определяемой маской impulseNoGapsMask) предшествует ряд не импульсов (нулей), причем их количество определяется «интервалами».
[0268] Таким образом, «импульс» «единица» заканчивается 128-ю нулями, за которыми следует такая последовательность из 128 элементарных сигналов:
[0269] В этом определении 128 «элементарных подсигналов», где элементарный подсигнал определяется как короткий импульс +1, короткий импульс -1 или отсутствие короткого импульса, составляют целый элементарный подсигнал. Элементарные сигналы числом 64 образуют идентификатор. В этом определении идентификатор и бит соотносятся друг с другом как 1:1. Ноль в этом случае представлен следующей последовательностью, за которой следуют 128 нулей:
[0270] В этой последовательности длительность каждого элементарного сигнала составляет 1 мкс; таким образом, длительность каждого идентификатора составляет 128 мкс, а каждого бита - 64 * 128 = 8192 мкс.
[0271] Согласно одному из аспектов может быть использован код «сильно разреженных импульсов». Код «сильно разреженных импульсов» используется там, где интервал между импульсами в 998 раз превышает ширину импульса. Это дает проглатываемому идентификатору больше времени на накачку заряда для получения максимального напряжения на конденсаторе перед его разрядкой. Подобным же образом этот аспект не будет изменять продолжительность интервала между импульсами, кроме как при переходах между битами.
BAT
[0272] Согласно одному из аспектов длительность импульсов может быть сверхкороткой. Частоты передачи могут варьироваться, например, в пределах от около 12,5 кГц до около 20 кГц, или составлять более 24 кГц и доходить до около 10 МГц. Импульсы не являются детерминированными, но они повторяются через каждые 128 импульсов с частотой следования около 6 кГц. Готовность батареи носит случайный характер, а импеданс (Z) и напряжение (V) батареи могут колебаться. Ширина импульсов и частота их следования могут регулироваться, исходя из текущего состояния батареи. Протоколы этих типов могут быть реализованы в схемах типа «Интернет вещей».
[0273] На фиг. 45 представлен график шаблонной 808 функции и функции самосвертки разреженных импульсов импульсного коммуникационного протокола, проиллюстрированного на фиг. 44, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. По вертикальной оси отложено напряжение (В), а по горизонтальной оси - время «импульсной синхронизации» (мкс). Шаблонная функция 810 импульсов (обозначенная сплошной линией) отображает импульсную функцию, проиллюстрированную на фиг. 44. Самосвертка шаблонной функции 810 импульсов создает функцию 812 самосвертки (обозначенную пунктирной линией). Функция 812 самосвертки представляет собой автокорреляцию импульсной функции 802. Автокорреляция или самосвертка импульсной функции 802 представляет собой кросс-корреляцию импульсной функции саму с собой в разные моменты времени. Вообще говоря, это установление подобия между данными наблюдений в зависимости от временной задержки между ними. Функция 812 самосвертки является математическим инструментом для нахождения повторяющихся паттернов, например, присутствия периодического сигнала, труднораспознаваемого из-за шума, или идентификации отсутствия основной частоты в сигнале, вытекающую из его гармонических частот. Она может быть использована приемником для идентификации частоты передачи или частоты радиовещательного диапазона. Соответственно, импульсная функция 802, передаваемая через пространство, обнаруживается приемной антенной или приемником. Приемник содержит схемы обработки сигналов, в которых реализованы функции идентификации частоты передачи импульсной функции 802. Приемник выполнен с возможностью установления частоты передачи путем использования шаблонной функции 810 импульсов, а также функции 812 самосвертки (или автокорреляции) шаблонной функции 810 импульсов.
[0274] На фиг. 46 представлен график 814 изменяемых шаблонов, который может быть использован для идентификации частоты передачи импульсной функции 802, показанной на фиг. 44, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. По вертикальной оси отложено напряжение (В), а по горизонтальной оси - время «импульсной синхронизации» (мкс). График 814 шаблонов показывает изменяемые шаблоны 816, 818, 820 и 822 для частот радиовещательного диапазона от самой низкой (шаблон 816) до самой высокой (шаблон 822), используемых для передачи импульсной функции 802.
[0275] Согласно некоторым аспектам настоящего изобретения в одном из определений короткоимпульсного протокола используются две последовательности разреженных импульсов, именуемые в настоящем документе элементарным сигналом «ноль» и элементарным сигналом «единица». На фиг. 62 представлен график 1800, иллюстрирующий пример последовательности импульсов для элементарного сигнала «ноль»; и график 1810, иллюстрирующий пример последовательности импульсов для элементарного сигнала «единица». Следует отметить, что «ноль» отличается от «единицы», и что эти элементарные сигналы сдвинуты относительно друг друга по фазе. К осуществляемым операциям, используемым для определения представленных элементарных сигналов, относится расчет автокорреляций и кросс-корреляций элементарных сигналов: 0x0, 1x1, 0x1, 1x0, (0+1)x(0+1). Следует отметить, что в этой схеме корреляции (0x1) и (1x0) не так важны, как в других протоколах, которые не объединяют все элементарные сигналы для определения совмещения начального кадра. Поскольку для определения начальной точки этот протокол использует все доступные данные, значение имеет только комбинированная свертка (0+1) x (0+1). В идеальном варианте эта свертка везде имела бы максимальное значение при точном совмещении и нуле. Элементарные сигналы этого конкретного набора определений не доводит дело до конца, но обеспечивает свертку, где «боковые лепестки» характеризуются относительно небольшими размерами, а наибольшие из боковых лепестков имеют противоположную полярность и удобно располагаются вблизи пика. Эти боковые лепестки могут также помочь при установлении «вероятного наилучшего» совмещения.
[0276] На фиг. 63 представлен график 1820 комбинированных данных (0+1), увязанных с шаблоном, иллюстрирующий нахождение частоты и совмещения, где максимальный пик определяет оба эти параметра. Этот случай характеризуется относительно высоким отношением SNR. Следует также отметить, что элементарные сигналы этих двух определений обеспечивают комбинированную свертку только в том случае, если в пакете данных находится равное число нулей и единиц. Это обусловлено тем, что определения элементарных сигналов не содержат равное число всплесков, направленных вниз и вверх.
[0277] Для декодирования короткоимпульсного протокола модуль-дешифратор (например, осуществляющий обработку данных в приемнике) ищет для декодирования одиночный пакет, так как частота и начальное время двух пакетов неизвестны. Он делает это, выполняя поиск в окне, которое в полтора раза превышает максимальный размер пакета (поскольку местоположение регистрационного пакета в кадре неизвестно, предполагается, что получен полный пакет), после чего увеличивает окно на половину длины пакета, согласно некоторым аспектам. Данные по каждой из этих третей могут быть использованы повторно, и поэтому каждый кадр по существу анализирует одну треть данных, сохраняя две трети данных по предыдущему анализу.
[0278] Согласно некоторым аспектам аналоговые данные с проглатываемого идентификатора оцифровываются и сохраняются в кадрах данных, размеры которых равны максимальной длине пакета (наиболее низкая частота передачи). Единовременно анализируются два таких кадра, а результаты анализа по каждому кадру сохраняются и повторно используются при добавлении следующего кадра.
[0279] Для декодирования пакета необходимо точно рассчитать время синхронизации между этими импульсами, а также начальный момент передачи данных. Соответственно, паттерн импульсов выполнен таким образом, что при правильном определении времени синхронизации между импульсами и правильном определении начального момента соответствующее произведение корреляции будет очень большим в сравнении с тем случаем, когда любой из этих параметров смещен, пусть даже на небольшую величину. Таким образом, если еще раз вернуться к фиг. 56, график 1200 показывает произведение корреляции (автокорреляции) для вероятного наилучшего начального момента при различных вариантах времени импульсной синхронизации. Обратите внимание на широкий диапазон вариантов времени импульсной синхронизации (отклонение от номинального значения составляет 0 - 1000 мкс, фактически оно равно +/- 500 мкс).
[0280] С этого момента для нахождения «вероятного наилучшего начального момента» для каждого из этих вариантов времени импульсной синхронизации эффективным в вычислительном отношении способом первым делом по каждому допущению в отношении импульсной синхронизации необходимо выполнить процесс «растягивания или сжатия» выборочных точек до размеров номинального (т.е. заданной контрольной величины) кадра с заданным числом выборочных точек. Таким образом, если время между импульсами меньше номинального, выборочные точки по каждому набору, скажем, из 13 всплесков должны быть «растянуты» до числа выборочных точек, которое отображало бы номинальное время синхронизации между всплесками. С другой стороны, если время между импульсами превышает номинальное, то число выборок, необходимое для сбора всех 13 всплесков также будет превышать номинальное, и данные должны будут «сжаты» до номинального количества выборочных точек. Это «растягивание и сжатие» должно выполняться таким образом, чтобы начальная точка коммуникационного пакета была по-прежнему неизвестна, но сохранена в «растянутых/сжатых» данных. Более подробный пример выполнения такой операции по растягиванию и сжатию описан ниже во втором примере реализации короткоимпульсного протокола.
[0281] Далее, коммуникационный пакет может иметь длину, например, 40 бит; при этом каждый бит может быть представлен, например, 64-мя идентичными элементарными сигналами в расчете на один идентификатор; а каждый элементарный сигнал может быть представлен, например, 13 короткими импульсами или всплесками. Таким образом, это определение потребовало бы немного более чем 40*64=2560 «кадров», где каждый кадр отображает 13 всплесков (и интервалов между ними). Необходимость в большем числе кадров обусловлена тем, что неизвестно, где начинается пакет в данный момент времени. Что еще частично зависит от протокола более высокого уровня: каков интервал времени между пакетами? Обычно между пакетами требуется интервал шириной, по меньшей мере, в пару бит с тем, чтобы при поиске начала пакета сразу после запуска процесса декодирования эти интервалы выделялись в виде пробелов.
[0282] Следующая стадия процесса предусматривает следующие операции: необходимо взять все 2560 (в этом примере) кадров, свести их в пакет и сложить (первые точки данных каждого из 2560 кадров складываются для получения первой точки данных суммарного кадра, вторые точки данных каждого из кадров складываются для получения второй точки данных суммарного кадра и так далее). Это пример операции «сложения и суммирования», которая была вкратце описана выше. Эта операция сложения и суммирования усиливает всплески и усредняет шум.
[0283] Таким образом, все всплески числом 2560 x 13 = 33 280 будут представлены в одном кадре данных номинального размера. Теперь, используя этот кадр, следует определить начальную точку - в рамках кадра - каждого идентификатора и одновременно «вероятный наилучший» интервал времени между идентификаторами. Таким образом, выбор идентификаторов для «нуля» и «единицы» играет две важные роли: при декодировании сигнала целесообразно иметь возможность проводить различие между «единицей» и «нулем» оптимальным образом аналогично тому, как эта функция реализована в протоколах предшествующего уровня техники. Новшество в данном случае состоит в том, что при объединении 26 всплесков, отображающих все единицы и нули всей передачи данных, в один кадр они должны сформировать шаблон, позволяющий оптимальным образом идентифицировать начальную точку в кадре и фактический интервал времени между всплесками (т.е. частоту передачи). На фиг. 57 приведен пример такого отрезка идентификаторов для «единицы» и «нуля». По вертикальной оси отложено напряжение (В), а по горизонтальной оси - время «импульсной синхронизации» (мкс). Импульсная функция 1302 содержит серию импульсов 1304 и 1306 разной полярности в течение заданного периода времени или временного кадра. Импульсная функция 1302 кодирует информацию, относящуюся к проглатываемому идентификатору согласно описанию, представленному в настоящем документе. Положительные импульсы 1304 имеют положительную полярность (+0,5В) или амплитуду, а отрицательные импульсы 1306 имеют отрицательную полярность (-0,5В) или амплитуду. Импульсная функция 1302 генерируется импульсной схемой 720 возбуждения индуктора и передается индуктором, выступающим в качестве передающей антенны. Импульсный протокол может быть двухфазным или однофазным.
[0284] Первый паттерн или серия импульсов импульсной функции 1302 отображает логический ноль, а второй паттерн или серия импульсов отображает логическую единицу. Два импульса 1308 и 1310 отличаются амплитудой, в два раза превышающей амплитуду остальных импульсов 1304 и 1306, поскольку они являются характерными для логических нулей и логических единиц. На стороне приемника частота радиовещательного диапазона неизвестна, равно как и интервал времени между импульсами. Сначала приемник идентифицирует частоту радиовещательного диапазона, а затем идентифицирует биты (логические единицы и логические нули), выполняя корреляцию по 1000 точкам. После этого приемник сравнивает полученную серию импульсов, такую как импульсная функция 1302, и растягивает и сжимает шаблон до тех пор, пока не будет достигнуто согласование частоты и начальной точки пакета. Таким образом, приемник осуществляет поиск конкретной импульсной функции 1302 или серии импульсов и осуществляет корреляцию по множеству точек (например, по 1000 точек) при корректном смещении. Логические единицы и логические нули ортогональны и слегка накладываются друг на друга, что позволяет приемнику идентифицировать частоту и полярность импульсов.
[0285] Следует отметить, что поскольку оба идентификатора, как идентификатор «единицы», так и идентификатор «нуля», характеризуются всплеском в четвертом и пятом слотах времени, амплитуды этих всплесков в два раза превышают амплитуды остальных всплесков, которые присутствуют только в одном, или в другом. Соответственно, эти «двойные пики» позволяют установить четность сигнала непосредственно после его получения.
[0286] Следующая стадии процесса предусматривает выполнение операции свертки для формирования еще одного графика на основе преобразования данных. Как показано на фиг. 59, при сворачивании данных суммарного кадра в шаблон комбинированных всплесков определяется самый высокий пик, когда достигнуто идеальное совмещение, где «боковые лепестки» отличаются намного меньшей амплитудой. На фиг. 59 показано графическое представление самосвертки шаблона суммарного кадра без шума, иллюстрирующее амплитуду боковых лепестков относительно основного лепестка. По вертикальной оси отложено напряжение (В), а по горизонтальной оси - время «импульсной синхронизации» (мкс). Импульсная функция 1502, принятая приемником, содержит серию импульсов 1502 разной полярности в течение заданного периода времени или временного кадра. Импульсная функция 1502 кодирует информацию, относящуюся к проглатываемому идентификатору согласно описанию, представленному в настоящем документе. Положительные импульсы 1404 имеют положительную полярность (+0,5В) или амплитуду, а отрицательные импульсы 1406 имеют отрицательную полярность (-0,5В) или амплитуду. Импульсная функция 1502 генерируется импульсной схемой 720 возбуждения индуктора и передается индуктором, выступающим в качестве передающей антенны. Импульсный протокол может быть двухфазным или однофазным. Опорный импульс 1504 отличается амплитудой, намного превышающей амплитуду серии импульсов импульсной функции 1502. На фиг. 58 показано графическое представление суммарного кадра для «вероятной наилучшей» частоты в присутствии шума, где максимальная амплитуда шума в 1000 раз превышает максимальную амплитуду каждого всплеска. Он может быть сформирован приемными схемами 900 (см. фиг. 47), 930 (см. фиг. 49), 950 (см. фиг. 50), 960 (см. фиг. 51), 970 (см. фиг. 52), 990 (см. фиг. 53), 1010 (см. фиг. 54) и 1100 (см. фиг. 55), согласно одному из аспектов настоящего изобретения. По вертикальной оси отложено напряжение (V), а по горизонтальной оси - время «импульсной синхронизации» (мкс). Импульсная функция 1402, принятая приемником, содержит серию импульсов 1404 и 1406 разной полярности в течение заданного периода времени или временного кадра. Импульсная функция 1402 кодирует информацию, относящуюся к проглатываемому идентификатору согласно описанию, представленному в настоящем документе. Положительные импульсы 1404 имеют положительную полярность (+0,5В) или амплитуду, а отрицательные импульсы 1406 имеют отрицательную полярность (-0,5В) или амплитуду. Импульсная функция 1402 генерируется импульсной схемой 720 возбуждения индуктора и передается индуктором, выступающим в качестве передающей антенны. Импульсный протокол может быть двухфазным или однофазным.
[0287] Первый паттерн или серия импульсов импульсной функции 1402 отображает логический ноль, а второй паттерн или серия импульсов отображает логическую единицу. Амплитуда импульса 1410 в два раза превышает амплитуду остальных импульсов 1404 и 1406, так как он является характерным для логических нулей и логических единиц и представляет собой опорный импульс для нового пакета. На стороне приемника частота радиовещательного диапазона неизвестна, равно как и интервал времени между импульсами. Сначала приемник идентифицирует частоту радиовещательного диапазона, а затем идентифицирует биты (логические единицы и логические нули), выполняя корреляцию по 1000 точкам. После этого приемник сравнивает полученную серию импульсов, такую как импульсная функция 1402, и растягивает и сжимает шаблон до тех пор, пока не будет достигнуто согласование частоты и начальной точки пакета. Таким образом, приемник осуществляет поиск конкретной импульсной функции 1402 или серии импульсов и осуществляет корреляцию по множеству точек (например, по 1000 точек) при корректном смещении. Логические единицы и логические нули ортогональны и слегка накладываются друг на друга, что позволяет приемнику идентифицировать частоту и полярность импульсов.
[0288] В результате свертки этого суммарного кадра с использованием шаблона суммарного кадра получается пик, показанный на фиг. 56. По вертикальной оси отложено напряжение (мВ), а по горизонтальной оси - время «импульсной синхронизации» (мкс). Согласно описанию, представленному в настоящем документе, протокол передачи данных формируется путем зарядки конденсатора C (например, конденсатора C6, показанного на фиг. 43) с последующей разрядкой этого конденсатора в течение сверхкороткого отрезка времени относительно рабочего цикла в секцию L индуктора (например, в секцию L1, показанную на фиг. 43), описанную в привязке к импульсной схеме 720 возбуждения индуктора, проиллюстрированной на фиг. 38-43. Импульсный протокол представляет собой серию последовательностей +/- или включения/выключения, например, в 128 точках. Вся энергия вмещается во множество импульсов, а шум распределяется по большему числу импульсам, что улучшает показатель «шум на бит». Соответственно, в настоящем документе импульсный протокол именуется кодом «разреженных импульсов».
[0289] Из фиг. 56 также ясно, что частота устанавливается в пределах разрешения этого поиска. Для лучшего выделения частоты и начальной точки в пределах кадра, а также для лучшего различения данных, содержащихся в потоке данных, процесс поиска может быть повторен с более мелкой ячеистостью вокруг выявленного пика, при этом всегда сохраняется комбинация с самым высоким произведением корреляции. Результат этого процесса для примера с шумом показан на фиг. 61.
[0290] После того как станут известны частота и начальная точка (пакета и в пределах кадра), в этом примере сначала суммируются каждые 64 сегмента в расчете на бит, после чего каждый кадр длиной бита свертывается в соответствующей начальной точке с использованием шаблона «нуля» и шаблона «единицы» (еще раз обращаем внимание на то, что эти шаблоны на более чем 75% представляют собой нули, так как для этого протокола в составном сегменте каждые 4 мкс наблюдается всплеск шириной около 1 мкс, что устраняет мешающее для интерпретации воздействие шума между всплесками). Более высокое значение из двух задает бит.
[0291] На фиг. 60 показаны выходные данные по каждому кадру длиной бита и соответствующий битовый паттерн пакета с использованием тех же данных, что были представлены на фиг. 56, 58 и 61. Показан 40-битный пакет 1600, принятый приемными схемами 900 (см. фиг. 47), 930 (см. фиг. 49), 950 (см. фиг. 50), 960 (см. фиг. 51), 970 (см. фиг. 52), 990 (см. фиг. 53), 1010 (см. фиг. 54) и 1100 (см. фиг. 55), согласно одному из аспектов настоящего изобретения. По вертикальной оси отложено напряжение (В), а по горизонтальной оси - время «импульсной синхронизации» (мкс). Несмотря на высокий уровень шума в сравнении с амплитудой сигнала данные хорошо различимы и легко считываются.
[0292] На фиг. 61 показан тонкий спектр пакета 1700, полученного приемными схемами 900 (см. фиг. 47), 930 (см. фиг. 49), 950 (см. фиг. 50), 960 (см. фиг. 51), 970 (см. фиг. 52), 990 (см. фиг. 53), 1010 (см. фиг. 54) и 1100 (см. фиг. 55), согласно одному из аспектов настоящего изобретения. По вертикальной оси отложено напряжение (мВ), а по горизонтальной оси - время «импульсной синхронизации» (мкс).
[0293] Согласно еще одному из аспектов в настоящем документе представлено определение второго короткоимпульсного протокола. В сравнении с предыдущим протоколом этот второй протокол удваивает величину времени, располагаемого передатчиком для зарядки конденсатора, по существу удваивая амплитуду всплеска или посылаемого короткого импульса. Во-вторых, этот второй протокол улучшает псевдослучайный код, который используется для нахождения частоты; при этом все «боковые лепестки» будут равны или нулю, или минус единице. В-третьих, этот код одинаково хорошо подходит для случаев, когда в пакете содержатся одни нули, одни единицы или сочетание нулей и единиц. Во всех других отношениях этот второй протокол работает аналогичным образом, что и предыдущая версия.
[0294] В этом втором определении одного из примеров реализации короткоимпульсного протокола заданы два «элементарных подсигнала» «A» и «B», которые могут быть объединены определенным образом для формирования элементарных сигналов «ноль» и «единица». Пример определения представлен ниже.
[0295] Определения элементарных подсигналов:
Элементарный подсигнал «A»: {1 0 -1 0 -1 0 1 0 1 0 -1 0 1 0 -1 0 1 0 1 0 1 0 1}
Элементарный подсигнал «B»: {0 -1 0 -1 0 -1 0 -1 0 -1 0 1 0 -1 0 1 0 -1 0 -1 0 1 0}
Элементарный сигнал «ноль»: {A B}
Элементарный сигнал «единица»: {B A}
При декодировании длина «сложения» составляет len(A) = len(B)
[0296] Указанные последовательности были выбраны таким образом, чтобы при их объединении был получен следующий результат:
A + B = {1 -1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1 1 1}
[0297] {A + B} x {A + B} дает паттерн (автокорреляции) с центральным пиком высотой 23 единицы и всеми остальными боковыми лепестками, равными -1 (см. фиг. 68). Могут быть также использованы и другие коды иной длины, а их аспекты будут не так ограничены. Например, при длине в 19 единиц код будет выглядеть следующим образом: {1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1}. В общем, два определения элементарных сигналов могут характеризоваться разными паттернами при условии, если автокорреляция их сумм дает паттерн с центральным пиком, который равен длине элементарных подсигналов, а боковые лепестки не равны единице.
[0298] Далее в этом определении:
40-битный пакет = 24-битных данных, которым предшествует 16-битная преамбула:
преамбула = [1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1];
[0299] Кроме того, 70 элементарных сигналов в строке образуют идентификатор, идентичный биту (в других протоколах идентификаторы не соотносятся с битами как один к одному). При увеличении количества элементарных сигналов в расчете на один идентификатор затрачивается больше времени (длина пакета больше), но если передаваемый синхронизирующий сигнал стабилен, то каждый идентификатор будет характеризоваться повышенной энергией, вследствие чего снижается частота появления ошибочных битов.
[0300] Далее в этом определении:
12 + 11 = 23 всплеска в расчете на элементарный сигнал
2 x 4 = 8 мкс между всплесками (за исключением случаев перехода от бит=1 к бит=0). При сложении кадров элементарного подсигнала интервал между 23 всплесками будет составлять 4 мкм.
23 x 2 x 4 = 184 мкс/элементарный сигнал
70 элементарных сигналов/бит
всплески элементарного подсигнала «A» в интервале 8 мкс, начиная с t = 0;
всплески элементарного подсигнала «B» в интервале 8 мкс, начиная с t = 4 мкс;
12,88 мс/бит
40 бит/пакет, полезные данные = 24 бита
515,2 мс/пакет
[0301] На фиг. 64 показано графическое представление элементарного подсигнала «A» на графике 1830 и элементарного подсигнала «B» на графике 1840. По оси X отложено число выборок с допущением, что интервал между всплесками составляет 8 мкс, а частота дискретизации = 10 MSPS (мегавыборок в секунду).
[0302] Как показано на фиг. 65, исходя из описанного выше определения одного из примеров реализации второго короткоимпульсного протокола, объединение элементарных подсигналов «A» и «B» согласно представленному описанию дает элементарный сигнал «ноль» = [A B], показанный на графике 1850, и элементарный сигнал «единица» = [B A], показанный на графике 1860.
[0303] Для получения бита «ноль», последовательно передаются 70 элементарных сигналов «ноль»; для получения бита «единица» последовательно передаются 70 элементарных сигналов «единица». Таким способом передается полный пакет. Согласно некоторым действующим нормативам для проглатываемого идентификатора на передачу каждого бита затрачивается 12,88 мс, а на передачу пакета - 512 мс. При более низкой частоте передачи, скажем, сниженной на 5%, на передачу пакета уйдет 541 мс, но при более высокой частоте, скажем, увеличенной на 5%, на передачу пакета будет затрачено всего 489 мс.
[0304] При декодировании сигнала в кадре сохраняется достаточно данных для уверенного захвата одного пакета, но недостаточно для того, чтобы шум между пакетами не перебивал сигнал. Достаточно будет всего несколько пустых битов в интервалах между пакетами, особенно в том случае, если пакеты синхронизированы друг с другом.
[0305] После этого данные «нарезаются» на сегменты длиной, равной элементарному подсигналу. Однако поскольку частота передачи точно не известна, также не известна и точная длина элементарного подсигнала. Полоса частоты, которая определяет число выборок или подвыборок в расчете на сегмент, зависит от предполагаемой частоты передачи. Таким образом, при номинальной частоте может быть предусмотрено 1840 выборок в расчете на элементарный подсигнал, что равно 1840 выборкам в расчете на сегмент. При немного более низкой частоте может быть предусмотрено 1840,1 выборки в расчете на сегмент, а это означает, что в каждый десятый сегмент «вжимается» одна дополнительная выборка. При немного более высокой частоте может быть предусмотрено 1839,99 выборки в расчете на сегмент, а это означает, что через каждые 100 сегментов выборка «растягивается». Путем соответствующего сжатия и растягивания получаются сегменты одинаковой длины для всех частот. Эти сегменты могут затем обрабатываться аналогичным образом, не принимая во внимание, сколько выборок и подвыборок было использовано для формирования каждого сегмента. Эта операция называется процессом сегментации путем растягивания-сжатия. Для успешного осуществления растягивания-сжатия создается шаблон, в котором сохраняется набор указателей, описывающий начальную точку каждого сегмента в кадре по каждой частоте. Термином «шаблон» обозначается конкретный заданный паттерн импульсов (или указателей, сегментов и т.п.), который исполняет функцию ориентира для сравнения. В альтернативном варианте, в зависимости от ограничений реализации, может быть использован алгоритм непрерывного генерирования каждого шаблона.
[0306] После этого сегменты складываются и суммируются. Поскольку каждый сегмент в этом примере включает в себя 1840 выборок, первая выборка первого сегмента складывается с первой выборкой второго сегмента, после чего к полученной сумме добавляется первая выборка третьего сегмента и так далее до тех пор, пока первые выборки всех сегментов не будут сведены в первую выборку составного сегмента. Таким способом формируются все 1840 выборок составного сегмента, каждая из которых представляет собой сумму выборок одной нумерации в каждом из всех этих сегментов.
[0307] При отсутствии шума этот составной сегмент может быть представлен в виде графика, показанного на фиг. 66. Этот составной сегмент может характеризоваться отношением SNR = 5000.
[0308] Суммирование элементарного подсигнала «A» и элементарного подсигнала «B» дает «шаблон», который используется при декодировании для нахождения корректной частоты и начальной точки пакета. Шаблон показан на фиг. 67. Обратите внимание на то, что интервал между 23 всплесками составляет 40 выборок или 4 мкс. Поскольку всегда присутствует одинаковое количество элементарных сигналов «A» и «B», амплитуда сумм будет всегда номинально одинаковой (на практике шум будет обуславливать изменение этих амплитуд).
[0309] Следующая стадия предусматривает свертку составного сегмента с использованием шаблона составного сегмента для нахождения начальной точки по наилучшему совпадению для каждой предполагаемой частоты. Стандартная свертка составного сегмента по наилучшему совпадению (совпадающего с составным сегментом, описанным выше) при отсутствии шума показана на фиг. 68. Этот график отображает суммарную свертку шаблона в зависимости от числа сегментов.
[0310] Следует отметить, что когда шаблон совпадает с наилучшим составным сегментом, амплитуда будет равна 23. Когда сегмент смещен на эквивалент 4 мкс, амплитуда будет равна -1. При любых других несовпадениях амплитуда будет нулевой. Для каждой предполагаемой частоты сохраняются два значения: амплитуда пика и число выборок. Следует отметить, что абсолютное значение этой степени корреляции сравнивается с другими. Если наилучшая степень является отрицательной, то каждая точка данных в наборе данных умножается на -1 в последовательных расчетах.
[0311] При этом рассчитывается и сохраняется максимальное значение свертки для каждой предполагаемой частоты. График зависимости этих значений от предполагаемой частоты называется «спектром». На фиг. 69 представлен спектр для этого примера с отношением SNR=5000: (зависимость наилучшей суммарной свертки от «частоты»).
[0312] Этот пример демонстрирует, что частота приближена к номинальному значению, которое составляло бы 501 единицу. Если пик располагается ближе к 1, то частота будет ниже номинального значения (например, номинальная длина составляет - 1); если он располагается ближе к 1000, то частота будет выше номинального значения (например, номинальная длина составляет +1). По самому высокому пику можно узнать два параметра: фактическую частоту в радиовещательном диапазоне и (по предыдущему графику, показанному на фиг. 68) начальный индекс в составном сегменте.
[0313] Следующая стадия предусматривает формирование (или извлечение из памяти) указателей для этой частоты и этого начального индекса. Указатели представляют собой набор чисел, каждое из которых отображает начальную точку и шаблон для каждого сегмента.
[0314] После этого указатели и шаблон используются для генерирования оценок веса двух элементарных подсигналов: веса элементарного подсигнала «A» и веса элементарного подсигнала «B».
[0315] На фиг. 70 показаны оценки веса элементарного подсигнала «A» для каждого сегмента в случае со сверхмалым уровнем шума: (ось X: количество сегментов; ось Y: корреляционное значение). Следует отметить, что поскольку представлен пример со сверхмалым уровнем шума, можно хорошо видеть начало и конец пакета. Увеличенное начало пакета для веса элементарного подсигнала «A» показано на фиг. 71: (ось X: количество сегментов; ось Y: корреляция с «шаблоном A»).
[0316] Совмещение на одном графике корреляционных значений элементарного подсигнала «A» и элементарного подсигнала «B» показано на фиг. 72. Здесь можно без труда увидеть, что при большом весе элементарного подсигнала «A» вес элементарного подсигнала «B» будет небольшим и наоборот. Следует отметить, что в этом примере вес элементарного подсигнала «A» превышает вес элементарного подсигнала «B». Это обусловлено тем, что в сравнении с элементарным подсигналом «B» в элементарном подсигнале «A» на один всплеск больше, что дает «составной» элементарный сигнал (при их сложении), представляющий собой нечетное число, вследствие чего обеспечивается уровень -1 для всех боковых лепестков, как это показано на фиг. 68, описанной выше, где изображен наилучший составной фрагмент.
[0317] Следующая стадия предусматривает генерирование оценок веса элементарных сигналов «ноль» и «единица» для каждого сегмента с использованием оценок веса элементарных подсигналов. Ниже приведена формула согласно некоторым аспектам:
[0318] Таким образом, элементарный сигнал «ноль» представляет собой сумму элементарного подсигнала A(n) и элементарного подсигнала B(n+1), тогда как элементарный сигнал «единица» представляет собой сумму элементарного подсигнала B(n) и элементарного подсигнала A(n+1). Следует отметить, что разница между оценками веса элементарного сигнала «ноль» и элементарного сигнала «единица» используется для декодирования, тогда как сумма этих двух сигналов используется для нахождения начальной точки пакета.
[0319] На фиг. 73 показан график, иллюстрирующий значения элементарного сигнала «ноль» в зависимости от числа сегментов.
[0320] На фиг. 74 представлен график, иллюстрирующий зависимость веса, как элементарного сигнала «ноль», так и элементарного сигнала «единица», от числа сегментов. Еще раз следует отметить, что при большом весе одного элементарного сигнала вес другого элементарного сигнала будет небольшим. В данном случае критическое значение имеет регистрация, т.е. точное определение начальной точки пакета: если она смещена на один сегмент, то все элементарные сигналы «ноль» станут единицами и наоборот. Эта проблема решается за счет того, что пакет начинается с известной последовательности битов, так называемой «преамбулы».
[0321] Следующая стадия декодирования предусматривает расчет для каждого числа сегментов двух оценок «веса в битах», одна из которых суммирует все элементарные подсигналы «ноль» для каждой длины этих элементарных подсигналов в битах, а другая суммирует все элементарные подсигналы «единица» для каждой длины этих элементарных подсигналов в битах. Код MATLAB для такого расчета представлен ниже в качестве одного из примеров того, должна быть реализована эта стадия:
[0322] Обратите внимание, что генерируются две оценки веса битовой длины, одна из которых использует разницу между оценками веса элементарных сигналов, а другая основывается на сумме оценок веса элементарных сигналов. Последняя становится конвертом пакета. Следует отметить, что в контексте настоящего документа кадр представляет собой фрагмент анализируемых данных, в пределах которого должен находиться пакет. Таким образом, пакет в кадре окружен шумом.
[0323] На фиг. 75 представлен график зависимости оценок веса битовой длины от числа сегментов. Имейте в виду, что хотя второй вес битовой длины отображает конверт оценок веса битовой длины, используемых для декодирования пакета, вес битовой длины меняется на противоположный с каждым новым числом сегментов. Точная начальная точка определяется с использованием алгоритма, который стимулирует начальные точки для формирования правильной преамбулы, приписывая сегменты с битами достоверности. Таким образом, для установления наиболее точной оценки пакета используется комбинация первого веса битовой длины (для битов преамбулы) и второго веса битовой длины (для битов пакета данных).
[0324] Пример кода MATLAB для перебора сегментов с целью выполнения такого расчета приведен ниже:
[0325] На этой стадии определяется наиболее точная оценка пакета. Осуществляется проверка преамбулы на предмет ее корректности. Если она сформирована правильно, то полезная информация регистрируется и признается корректной. В зависимости от отношения SNR сигнала (см. ниже) устанавливается определенное число пакетов данных с одинаковой или схожей частотой, и если они согласуются, то пакет данных считается корректным. В альтернативном варианте, если отношение SNR оказывается меньше определенного числа, ряд этих оценок веса битовой длины могут быть объединены для получения веса метабитовой длины, объединяющей соседние пакеты данных для улучшения оценки одиночного пакета данных.
[0326] На фиг. 76 представлен график, иллюстрирующий пакет с низким уровнем шума. Здесь изображены две линии: более глубокая линия обозначает вес битовой длины, а менее глубокая линия обозначает дешифрованное значение бита. Теперь можно видеть, как выглядят одни и те же параметры в присутствии шума разной величины. Во всех последующих примерах отношение SNR измеряется как Vmax/V noise rms (среднеквадратичное значение шума), где величина Vmax обозначает амплитуду всплеска, а величина V noise rms = sqrt(mean(noise.*noise)) (в представлении кода MATLAB). Вышесказанное проиллюстрировано кодом MATLAB, представленным ниже:
noise = 2.0*rand(1,length(signal))-1.0;
noiseRMS = sqrt(mean(noise.*noise));
vMax = 000.0192;
inData = 1.0*signal*vMax/max(signal);
log_vMaxOverVn = 10.0*log(vMax/noiseRMS)
simData = inData + noise;
[0327] На фиг. 77 показаны четыре графика, иллюстрирующие наилучший составной сегмент при разных отношениях «сигнал-шум». На графике 1900 показан наилучший составной сегмент при SNR = 5 дБ. На графике 1910 представлен наилучший составной сегмент при SNR = -15 дБ. На графике 1920 проиллюстрирован наилучший составной сегмент при SNR = -24 дБ. А на графике 1930 показан наилучший составной сегмент при SNR = -34 дБ.
[0328] Следующий основной параметр генерируется путем свертки «наилучших сумм» в шаблон для определения наилучшей начальной точки в пределах составной суммы.
[0329] На фиг. 78 представлены различные графики, иллюстрирующие суммы «bestThisSums», которые представляют собой «наилучшие суммы», свернутые с использованием «шаблона», при различных значениях SNR. В каждом случае соответствующий график является отображением «вероятно наилучшей» частоты, т.е. частоты, генерирующей максимальный пик. Такая свертка «bestThisSums» при SNR = 5 дБ показана на графике 2000. Каждая частота генерирует пик: самый высокий пик отображает корректную частоту (см. «спектр» для графика пиков по каждой частоте). Местоположение пика (самого высокого) указывает на начальный индекс. Таким образом, когда кадр разбивается на сегменты, этот начальный индекс используется для корреляции шаблонов элементарных подсигналов «A» и «B» с целью получения оценок веса элементарных подсигналов по каждому сегменту. Можно также сказать, что местоположение пика обуславливает решение о регистрации начальной точки каждого элементарного подсигнала в каждом сегменте.
[0330] График 2010 показывает «bestThisSums» при SNR = -15 дБ. График 2020 показывает «bestThisSums» при SNR = -24 дБ. График 2010 показывает «bestThisSums» при SNR = -34 дБ. Следует отметить, что даже в случае при -34 дБ (где отображается набор данных с пиковой амплитудой всплесков, составляющей около 2% пиковой амплитуды фонового шума) можно также легко установить корреляционные значения. В этом случае корректный пик (около 3000) примерно в три раза превышает следующий ближайший пик (около -1000).
[0331] Построение графика наилучших значений «bestThisSums» для каждой частоты дает что-то типа «спектра», т.е. зависимость наилучшей корреляции от номера частоты. На фиг. 79 проиллюстрированы различные графики спектра при разных значениях SNR. График 2100 отображает спектр при SNR = 5 дБ. График 2110 отображает спектр при SNR = -15 дБ. График 2120 отображает спектр при SNR = -24 дБ. При -24 дБ амплитуда всплесков составляет около 5% пиковой амплитуды шума. Отношение наилучшего корреляционного пика к следующему наилучшему пику равно примерно семи. График 2130 отображает спектр при SNR = -34 дБ. Этот сигнал декодируется с очень высокой точностью даже при таком уровне шума.
[0332] Еще раз следует отметить, что на стадии, где точность обнаружения одиночного пакета начинает резко снижаться, пик примерно в три раза превышает следующий наибольший пик. Когда это отношение падает ниже уровня четырех- или пятикратного превышения, для повышения точности декодирования может оказаться целесообразным начать объединение пакетов, как на уровне спектра (чтобы отследить, не улучшается ли отношение «пик-шум», сниженное до уровня примерно пятикратного превышения), так и на уровне веса битовой длины.
[0333] Оценки веса битовой длины, используемые для успешного декодирования пакета на этих различных уровнях SNR, также показаны на фиг. 80. График 2200 отображает вес в битах при SNR = 5 дБ. График 2210 отображает вес в битах при SNR = -15 дБ. График 2220 отображает вес в битах при SNR = -24 дБ. График 2230 отображает вес в битах при SNR = -34 dB дБ. График 2230, где значение SNR = -33,9 дБ, что соответствует амплитуде всплесков, равной 1,95% максимальной амплитуды шума, отображает результат успешного декодирования. Путем объединения пакетов или за счет использования большего числа элементарных подсигналов в расчете на элементарный сигнал могут быть установлены и декодированы сигналы, состоящие из всплесков с меньшей амплитудой в сравнении с фоновым шумом.
[0334] В третьем примере определения короткоимпульсного протокола вместо использования всего двух элементарных подсигналов может быть использовано N-ое число ортогональных элементарных сигналов (где величина N обозначает заданное число единиц самих элементарных сигналов), которые могут быть объединены самыми разными способами. В этом случае N = 23, но могут быть использованы и иные варианты размерности (например, N = 19 или 17). В этом примере в сравнении с первыми протоколами, описанными выше, данное третье определение увеличивает в 23 раза величину времени, располагаемого передатчиком для зарядки конденсатора между разрядами, существенно увеличивая амплитуду всплеска или посылаемого короткого импульса (с учетом ограниченной по току системы зарядки, например, установленной на проглатываемом датчике). Во-вторых, этот протокол улучшает псевдослучайный код, который используется для нахождения частоты; при этом все «боковые лепестки» будут равны или нулю, или минус единице (аналогично второму протоколу). В-третьих, каждый пакет состоит из тех же 23-х уникальных идентификаторов, но информацию определяет порядок появления этих 23-х идентификаторов (первый короткоимпульсный протокол требовал равное число нулей и единиц в пакете для обеспечения корректной работы). Во всех других отношениях этот протокол работает аналогичным образом, что и предыдущие версии.
[0335] Ниже представлены определения элементарных сигналов для этого третьего примера осуществления протокола:
% всплесков элементарного подсигнала «A» в интервале 92 мкс, начиная с t = 0;
% всплесков элементарного подсигнала «B» в интервале 92 мкс, начиная с t = 4 мкс;
% всплесков элементарного подсигнала «C» в интервале 92 мкс, начиная с t = 8 мкс;
% ...
% всплесков элементарного подсигнала «W» в интервале 92 мкс, начиная с t = 88 мкс;
% 240 элементарных сигналов/идентификатор (например, 240 элементарных сигналов «A» в строке формируют идентификатор «A»);
% 44,16 мкс/идентификатор;
% 23 идентификаторов/пакет, полезная информация = 2;
% 270,5 мкс/пакет.
Элементарный сигнал «A»: {1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0}
Элементарный сигнал «B»: {0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0}
Элементарный сигнал «C»: {0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0}
Элементарный сигнал «D»: {0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0}
Элементарный сигнал «E»: {0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0}
Элементарный сигнал «F»: {0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0}
Элементарный сигнал «G»: {0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0}
Элементарный сигнал «H»: {0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0}
Элементарный сигнал «I»: {0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0}
Элементарный сигнал «J»: {0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0}
Элементарный сигнал «K»: {0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0}
Элементарный сигнал «L»: {0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0}
Элементарный сигнал «M»: {0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0}
Элементарный сигнал «N»: {0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0}
Элементарный сигнал «O»: {0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0}
Элементарный сигнал «P»: {0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0}
Элементарный сигнал «Q»: {0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0}
Элементарный сигнал «R»: {0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0 0}
Элементарный сигнал «S»: {0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 0 0 0 0}
Элементарный сигнал «T»: {0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0}
Элементарный сигнал «U»: {0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0}
Элементарный сигнал «V»: {0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -1 0}
Элементарный сигнал «W»: {0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1}
При декодировании длина «сложения» будет выглядеть следующим образом: length(A) = length(B) = … = length(W).
[0336] Указанные последовательности были выбраны таким образом, чтобы при объединении 23-х элементарных сигналов (240 элементарных сигналов «A» формируют идентификатор «A», а 240 элементарных сигналов «B» формируют идентификатор «B» и т.д.) был получен следующий результат:
{A + B + C + … + W} = {1 -1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1 1 1}
{sum(A : W)} x {sum(A : W)} дает паттерн (автокорреляции) с центральным пиком высотой 23 единицы и всеми остальными боковыми лепестками, равными -1 (см. фиг. 68). Могут быть также использованы и другие коды иной длины. Например, при длине в 19 единиц код будет выглядеть следующим образом: {1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1}.
21
[0337] Один из уникальных признаков этого протокола состоит в том, что пакет состоит ровно из 23 идентификаторов «A»-«W». Каждый идентификатор состоит из определенного последовательного ряда соотнесенных элементарных сигналов. В этой ситуации 240 элементарных сигналов в расчете на идентификатор дают пакет, временной интервал которого будет таким же, что и в протоколах, описанных выше. Использование большего числа элементарных сигналов в расчете на идентификатор увеличивает амплитуду каждого идентификатора при суммировании элементарных сигналов и усредняет больше шума, что способствует уменьшению его средней величины. Информация сохраняется в том порядке, в котором появляются идентификаторы. Таким образом, мы имеем факториал 23 (23!), равный примерно 10уникальным кодам, примерно по 70 бит информации. Эти «биты» используются для составления преамбулы, адреса и данных пакета или для иных целей. Например:
преамбула = A F K P T
ID: 000 = BC DE GH IJ LM NO QR SU VW
ID: 001 = BC DE GH IJ LM NO QR SU WV
ID: 010 = BC DE GH IJ LM NO QR SV UW
ID: 011 = BC DE GH IJ LM NO QR SV WU
ID: 100 = BC DE GH IJ LM NO QR SW UV
ID: 101 = BC DE GH IJ LM NO QR SW VU
[0338] Ниже представлены определения для этого протокола элементарного сигнала, элементарного подсигнала, идентификатора и битов:
[0339] Предусмотрено 23 элементарных подсигнала в расчете на элементарный сигнал (что равно количеству всплесков в шаблоне). Каждый элементарный подсигнал находится в равноудаленном положении во времени от появляющегося всплеска; всплеск может характеризоваться величиной +1 или -1.
[0340] Предусмотрено 240 элементарных сигналов в расчете на идентификатор (может быть также предусмотрено их большее или меньшее число).
[0341] Предусмотрено 23 уникальных идентификатора в расчете на пакет.
[0342] Соотношение между идентификаторами и битами немного сложнее и зависит от того, сколько идентификаторов, если они имеются в каждом отдельном случае, используется для формирования поля преамбулы, адреса и данных.
[0343] Например, для предоставления указанной выше преамбулы и адреса = binary(101), пакет может быть выражен просто как:
Пакет = {A F K P T B C D E G H I J L M N O Q R S W V U}
[0344] При увеличении количества элементарных сигналов в расчете на идентификатор затрачивается больше времени (длина пакета становится больше), но если передаваемый синхронизирующий сигнал стабилен, то каждый идентификатор будет характеризоваться повышенной энергией, вследствие чего снижается частота появления ошибочных битов. Как алгоритм нарезки импульса может справиться с колебаниями частоты в пакете, будет описано ниже.
[0345] На фиг. 81 показаны первые четыре элементарных сигнала «A». По оси X отложен ряд выборок с допущением, что интервал между всплесками составляет 92 мкс, а частота дискретизации = 10 MSPS (мегавыборок в секунду).
[0346] На фиг. 82 показан график переданного сигнала, исходя из предположения, что на каждый идентификатор приходится 240 элементарных сигналов. Обратите внимание, что на фиг. 82 сигнал выглядит аналогично 23-битовому шаблону за исключением того, что всплески намного шире. Это обусловлено тем, что каждый «бит» 23-битового шаблона содержит 240 идентичных всплесков: или все - плюс 1, или все - минус1.
[0347] Для получения идентификатора «A», последовательно передаются 240 элементарных сигналов «A»; для получения идентификатора «B» последовательно передаются 240 элементарных сигналов «B». Таким способом передается полный пакет. Номинально на передачу каждого идентификатора затрачивается 44,16 мс, а на передачу пакета - 541 мс. При более низкой частоте передачи, скажем, сниженной на 5%, на передачу пакета уйдет 568 мс, но при более высокой частоте, скажем, увеличенной на 5%, на передачу пакета будет затрачено всего 514 мс.
[0348] При декодировании сигнала в кадре сохраняется достаточно данных для уверенного захвата одного пакета, но недостаточно для того, чтобы шум между пакетами не перебивал сигнал. Достаточно будет всего несколько пустых битов в интервалах между пакетами, особенно в том случае, если пакеты синхронизированы друг с другом.
[0349] После этого данные «нарезаются» на сегменты длиной, равной элементарному подсигналу. Однако поскольку частота передачи точно не известна, также не известна и точная длина элементарного подсигнала. Полоса частоты, которая определяет число выборок или подвыборок в расчете на сегмент, зависит от предполагаемой частоты передачи. Таким образом, при номинальной частоте может быть предусмотрено 920 выборок в расчете на элементарный подсигнал, что равно 920 выборкам в расчете на сегмент. При немного более низкой частоте может быть предусмотрено 920,1 выборки в расчете на сегмент, а это означает, что в каждый десятый сегмент «вжимается» одна дополнительная выборка. При немного более высокой частоте может быть предусмотрено 919,99 выборки в расчете на сегмент, а это означает, что через каждые 100 сегментов выборка «растягивается». Путем соответствующего сжатия и растягивания получаются сегменты одинаковой длины для всех частот. Эти сегменты могут затем обрабатываться аналогичным образом, не принимая во внимание, сколько выборок и подвыборок было использовано для формирования каждого сегмента. Эта операция называется процессом сегментации путем растягивания-сжатия. Для успешного осуществления растягивания-сжатия создается шаблон, в котором сохраняется набор указателей, описывающий начальную точку каждого сегмента в кадре по каждой частоте.
[0350] После этого сегменты складываются и суммируются. Поскольку каждый сегмент в этом примере включает в себя 920 выборок, первая выборка первого сегмента складывается с первой выборкой второго сегмента, после чего к полученной сумме добавляется первая выборка третьего сегмента и так далее до тех пор, пока первые выборки всех сегментов не будут сведены в первую выборку составного сегмента. Таким способом формируются все 920 выборок составного сегмента, каждая из которых представляет собой сумму выборок одной нумерации в каждом из всех этих сегментов.
[0351] При отсутствии шума этот составной сегмент может быть представлен в виде графика, показанного на фиг. 66, где показан составной сегмент с отношением SNR = 5000. Следует отметить, что составной сегмент в протоколе 3 выглядит точно так же, что и составной сегмент в протоколе 2. По существу, если бы продолжительность пакетов была одинаковой, равно как и величина энергии, передаваемой пакетами, то два составных сегмента были бы фактически идентичными. Разница заключается в том, что в протоколе 3 между каждым всплеском происходит подкачка заряда продолжительностью 23 * 4 мкс = 92 мкс, тогда как в протоколе 2 между каждым всплеском происходит подкачка заряда продолжительностью 2 * 4 мкс = 8 мкс. Таким образом, амплитуда каждого всплеска в протоколе 3 примерно в десять раз превышает амплитуду каждого всплеска в протоколе 2. В данной ситуации, если бы аналоговые препроцессоры в каждой системе были «идеальными», и если бы аналого-цифровой преобразователь в каждой системе также был бы «идеальным», то при фиксированной общей располагаемой энергии и фиксированном количестве всплесков в составном сегменте между протоколом 2 и протоколом 3 не было бы никакой разницы в отношении составного фрагмента. Но мир не идеален, и намного вероятнее случаи, когда десятикратное увеличение амплитуды всплеска означает, что во время всплеска младший бит аналого-цифрового преобразователя достаточно часто меняется на противоположный, благодаря чему при суммировании 240 всплесков по каждому из 23-х положений во времени наблюдается детектируемый набор всплесков. Кроме того, промежуток между всплесками продолжительностью 92 мкс стимулирует использование алгоритма нарезки импульса, который использует преимущество этого факта и устраняет шум между этими всплесками с интервалом в 92 мкс. Это увеличивает вносимый шум примерно на 99% в сравнении с 75-процентным уменьшением, возможным при использовании протокола 2, описанного выше. Объяснение этому будет представлено немного позже.
[0352] Суммирование всех элементарных сигналов «A»-«W» дает «шаблон», который используется при декодировании для нахождения корректной частоты и начальной точки пакета. Этот шаблон идентичен тому, который используется в протоколе 2 (см. фиг. 67).
[0353] Обратите внимание на то, что интервал между 23 всплесками составляет 40 выборок или 4 мкс. Поскольку всегда присутствует одинаковое количество элементарных сигналов «A» и «B», амплитуда сумм будет всегда номинально одинаковой (на практике шум будет обуславливать изменение этих амплитуд).
[0354] Следующая стадия предусматривает свертку составного сегмента с использованием шаблона составного сегмента для нахождения начальной точки по наилучшему совпадению для каждой предполагаемой частоты. Стандартная свертка составного сегмента по наилучшему совпадению (совпадающего с составным сегментом, описанным выше) при отсутствии шума также показана на фиг. 68.
[0355] Следует отметить, что когда шаблон совпадает с наилучшим составным сегментом, амплитуда будет равна 23. Когда сегмент смещен на эквивалент 4 мкс, амплитуда будет равна -1. При любых других несовпадениях амплитуда будет нулевой. Для каждой предполагаемой частоты сохраняются два значения: амплитуда пика и число выборок. Следует отметить, что абсолютное значение этой степени корреляции сравнивается с другими. Если наилучшая степень является отрицательной, то каждая точка данных в наборе данных умножается на -1 в последовательных расчетах. Этот процесс идентичен тому, который используется в протоколе 2.
[0356] При этом рассчитывается максимальное значение свертки для каждой предполагаемой частоты. График зависимости этих значений от предполагаемой частоты называется «спектром». Для просмотра графика спектра при SNR=5000 в этом примере следует еще раз обратиться к фиг. 69.
[0357] Этот пример демонстрирует, что частота приближена к номинальному значению, которое составляло бы 501 единицу. Если пик располагается ближе к 1, то частота будет ниже номинального значения, а если он располагается ближе к 1000, то частота будет выше номинального значения. По самому высокому пику можно узнать два параметра: фактическую частоту в радиовещательном диапазоне и (по предыдущему графику) начальный индекс в составном сегменте.
[0358] Следующая стадия предусматривает формирование (или извлечение из памяти) указателей для этой частоты и этого начального индекса. Указатели представляют собой набор чисел, каждое из которых отображает начальную точку и шаблон для каждого сегмента.
[0359] После этого указатели и шаблон используются для генерирования оценок веса 23-х элементарных сигналов по каждому сегменту: от веса элементарного сигнала «A» до веса элементарного сигнала «W». Каждая оценка веса элементарного сигнала представляет собой суммарную корреляцию сегмента, свернутого с использованием шаблона для данного элементарного сигнала. Таким образом, шаблоном для элементарного сигнала «A» будет служить одиночный всплеск при числе временных выборок 1 (например, …). Шаблоном для элементарного сигнала «B» будет служить одиночный всплеск (т.е. предполагаемый сигнал, поступающий в систему с низким уровнем шума с разряженного конденсатора через катушку) при числе выборок 41 (т.е. при t=4 мкс, из расчета 10^6 выборок в секунду).
[0360] На фиг. 83 показаны оценки веса элементарного подсигнала «A» по каждому сегменту для примера со сверхмалым уровнем шума. По оси X отложено число сегментов, а по оси Y - корреляционное значение. Следует отметить, что поскольку в этом примере уровень шума очень низкий, можно без труда увидеть, что все элементарные сигналы «A» приходятся на начало пакета.
[0361] На фиг. 84 показаны оценки веса элементарного сигнала «F» по каждому сегменту для примера со сверхмалым уровнем шума. Аналогичным образом значения веса элементарного сигнала «F» по каждому сегменту будут высокими, если предполагается появление в пакете второго идентификатора.
[0362] На фиг. 85 показан график, иллюстрирующий зависимость веса всех элементарных сигналов «A»-«W» от числа сегментов. Можно без труда увидеть, что в этом примере с низким уровнем шума значения каждого идентификатора примерно равны нулю во всех случаях, когда они отсутствуют. Это обусловлено тем, что все элементарные сигналы делят между собой одну и ту же точку регистрации или начальную точку, и поэтому каждый идентификатор является ортогональным по отношению к другим идентификаторам с учетом такой точки регистрации. Таким образом, основное отличие от других протоколов состоит в том, что вся энергии пакета используется для установления частоты и внутрисегментной точки регистрации. Для любой заданной внутрисегментной точки регистрации все идентификаторы будут взаимно ортогональными. Хотя может иметь смысл, например, при необходимости в 140 битах информации, просто повторить пакет с 23 идентификаторами в другой перестановке. Это, конечно же, могло сработать, и в этом случае вся энергия пакета также была бы использована для установления частоты, но теперь энергия в расчете на идентификатор составляла бы половину от пакетного количества энергии. Лучшим подходом для решения этой же задачи было бы нахождение системы с 25 идентификаторами, которая характеризовалась бы аналогичным паттерном автокорреляции. Пакет с 25 идентификаторами мог бы выдать 84 бита. В этом случае энергия идентификаторов/энергия пакета была бы уменьшена всего на 8%. Таким образом, оценка веса каждого элементарного сигнала содержит 23 числа, каждое из которых представляет собой суммарную увязку с идентификатором для отдельного сегмента.
[0363] В конечном счёте, при вычислении наилучшего пакета будет использована только одна из этих оценок веса элементарных сигналов в расчете на сегмент. Это означает, что сигнал в отрезке около 1 мкс формируется вместе с шумом, который происходит во время этой 1 мкс. При этом шум, который происходит в остальные 91 мкс каждого сегмента, полностью игнорируется. Однако в альтернативном варианте может быть предусмотрено усреднение оценок веса всех 23-х элементарных сигналов для каждого сегмента и вычитание среднего значения оценок веса других элементарных сигналов из оценки веса каждого элементарного сигнала. В этом альтернативном варианте, однако, на формирование и использование шума потребуется на 22 микросекунды больше в расчете на сегмент. Вероятно, в определенных ситуациях это может служить преимуществом.
[0364] Так или иначе, следующая стадия предусматривает генерирование - с использованием оценок веса элементарных сигналов - оценок веса идентификаторов для каждого сегмента. И в это раз предусмотрены оценки веса 23-х идентификаторов на каждый сегмент, каждая из которых представляет собой сумму оценок веса элементарных сигналов этого сегмента и следующих 239 сегментов. Ниже представлена соответствующая формула:
[0365] На фиг. 86 представлен график, иллюстрирующий зависимость оценок веса каждого идентификатора от числа сегментов. Теперь следующая стадия предусматривает определение веса пакета для каждого сегмента. Для этого необходимо начать с того, что вес идентификатора максимальной длины для каждого сегмента определяется в качестве такого идентификатора. При низком уровне шума сделать это несложно: один из идентификаторов имеет очень большой вес, тогда как другие имеют очень маленький вес. После этого следует добавить эти оценки идентификаторов максимальной длины по соответствующим 23-м временным точкам, которые задают пакет, и определить «вес пакета» для каждого сегмента. При переборе всех подходящих сегментов для установления пакета с наибольшим весом необходимо также проверить, являются ли уникальными 23 выбранных идентификатора, т.е. проверить каждый идентификатор «максимум» один и только один раз. По мере перебора сегментов для установления максимального веса пакета можно игнорировать большинство тех из них, которые с первого взгляда можно определить как не самые больше. Если сегмент с наибольшим пакетным весом не может определить 23 уникальных идентификатора (из-за шума), то используется корректирующий алгоритм для нахождения «вероятно наилучшего» пакета с 23 уникальными идентификаторами.
[0366] Один из вариантов работы такого алгоритма представлен ниже на примере кода MATLAB:
[0367] Сначала оценки веса 23-х идентификаторов по каждому из 23-х положений пакета во времени сохраняются в матрице. Затем эта матрица упорядочивается таким образом, чтобы найти наивысшие оценки веса идентификаторов по каждому из положений. После установления идентификатора с максимальным весом для одного из положений этот идентификатор закрепляется за данным положением, после чего этот идентификатор исключается из поиска для остальных 22-х положений. После этого осуществляется поиск следующего идентификатора с наивысшей оценкой веса для второго положения среди остальных 22-х положений, этот идентификатор закрепляется за данным положением и исключается из дальнейшего поиска для остальных положений. Указанный алгоритм представляет собой один из вариантов реализации этого способа. Однако, вероятно, существуют и другие более эффективные варианты исправления ошибок. Например, при наличии преамбулы эта информация может быть использована для установления «вероятно наилучшего» пакета и оценки точности этого предположения. В конечном итоге, если требуется коррекция ошибок, то вес пакета для этого числа сегментов будет ниже. Но, тем не менее, он может по-прежнему представлять собой наилучший общий вес пакета.
[0368] Таким образом, определена наилучшая оценка пакета. В зависимости от отношения SNR сигнала устанавливается некоторое число пакетов данных с одинаковой или схожей частотой, и если они согласуются, то пакет данных признается корректным. В альтернативном варианте, если отношение SNR ниже определенного показателя, ряд этих оценок веса битовой длины могут быть объединены для получения оценки веса мета-идентификаторов, объединяющей соседние пакеты данных с целью получения лучшей оценки одиночного пакета данных.
[0369] На фиг. 87 представлен график, иллюстрирующий пакет с низким уровнем шума (-5,5 дБ), где показаны две линии: постепенно изменяющаяся оранжевая линия 2270 со значениями чуть ниже десяти отображает нормализованную оценку веса битовой длины в этой точке, а резко изменяющаяся (синяя) линия 2280 со значениями, варьирующимися в пределах 1-23, отображает дешифрованное значение идентификатора.
[0370] Теперь можно установить, как эти же параметры будут выглядеть при различных уровнях шума. В последующих примерах отношение SNR измеряется как Vmax/V noise rms (среднеквадратичное значение шума), где величина Vmax обозначает амплитуду всплеска, а величина V noise rms = sqrt(mean(noise.*noise)) (в представлении кода MATLAB). Вышесказанное проиллюстрировано кодом MATLAB, представленным ниже:
noise = 2.0*rand(1,length(signal))-1.0;
noiseRMS = sqrt(mean(noise.*noise));
vMax = 000.0192;
inData = 1.0*signal*vMax/max(signal);
log_vMaxOverVn = 10.0*log(vMax/noiseRMS)
simData = inData + noise;
[0371] Согласно некоторым аспектам (и со ссылкой на предыдущие) может быть использована особая разновидность процесса растягивания/сжатия сегментов длиной идентификатора. В ходе этого процесса кадр данных разбивается на перекрывающиеся сегменты длиной идентификатора. В альтернативном варианте кадр данных разбивается на сегменты одинаковой длины, превышающей длину идентификатора в полтора раза, после чего эти сегменты увеличиваются с шагом в половину длины идентификатора. В этом случае для уменьшения вычислений в последовательных расчетах сегментов могут быть использованы субсегменты. Применение указанной разновидности процесса гарантирует, что вся энергия отдельного идентификатора будет содержаться в отдельном сегменте. Хотя этот процесс может не дать желаемый результат при нахождении корректной частоты, он может оказаться целесообразным при декодировании сигнала. Так или иначе, каждый из этих сегментов затем растягивается или сжимается в составной сегмент номинальной длины (в этом примере его длина составляет 920 выборок). Пример корректной частоты при низком уровне шума представлен на фиг. 88. Здесь показан первый составной сегмент из сегментов длиной идентификатора.
[0372] Обратите внимание, что показан только один пик. Это обусловлено тем, что первый сегмент захватывает лишь часть первого идентификатора и совсем не захватывает второй идентификатор. Второй идентификатор перекрывается с первым идентификатором на определенную процентную долю. В этом случае эта процентная доля составляет 50%. Это сделано с целью обеспечит возможность захвата одним из этих сегментов большей части информации идентификатора и установления пика.
[0373] На фиг. 89 показан второй составной сегмент из сегментов длиной идентификатора. Обратите внимание, что в данном случае показан тот же пик, что и на первом сегменте (напротив индекса 400). Кроме того, здесь также можно видеть часть следующего идентификатора (напротив индекса 200).
[0374] На фиг. 90 представлено два графика 2270 и 2280, на которых показаны, соответственно, указанные выше первый и второй составные сегменты в присутствии шума. На графике 2270 показан первый составной сегмент из сегментов длиной идентификатора при отношении SNR = 7 дБ. Следует отметить, что был использован другой набор данных, и что пик находится напротив другого индекса этого составного сегмента. Аналогичным образом на графике 2280 показан второй составной сегмент из сегментов длиной идентификатора при отношении SNR = 7 дБ. Обратите внимание на то, что в этом составном сегменте заметны два пика, выступающих над уровнем фонового шума.
[0375] Поскольку предполагается, что в каждом из этих кадров длиной идентификатора будет показан только один или, как максимум, два пика, шаблон предусматривает всего один пик, как это показано на фиг. 91. На фиг. 91 представлен шаблон, используемый для сегментов длиной идентификатора. При свертке этого шаблона с составным сегментом, показанным на двух графиках, которые представлены на фиг. 90, результат будет таким, как показано на фиг. 92. На фиг. 92 проиллюстрирована свертка составного сегмента, показанного на графике 2270, с использованием шаблона, показанного на фиг. 91. Полученный результат аналогичен результату, показанному на фиг. 68.
[0376] На фиг. 93 проиллюстрирована свертка составного сегмента, показанного на графике 2280, с использованием шаблона, показанного на фиг. 91. Полученный результат аналогичен результату, показанному на фиг. 68.
[0377] Предполагается, что в этом варианте сжатия/растяжения можно будет наблюдать два пика. Эти два пика представляют только ту информацию, которая должна быть получена в идеальном варианте; при этом остальная информация, которая является всего лишь шумом, может быть отброшена. Таким образом, путем устранения шума там, где отсутствует сигнал, можно улучшить отношение «сигнал-шум» системы. По существу за счет использования всего одного из этих пиковых значений из анализа исключается около 98% шума, присутствующего во время передачи. Таким образом, в отношении каждого сегмента длиной идентификатора выполняются следующие операции:
[0378] Данные длиной в полтора идентификатора растягиваются/сжимаются в сегмент номинальной длины (в этом случае 920 точек данных) (полуторная длина используется для того, чтобы гарантировать полное включение каждого пика в один составной сегмент);
[0379] Составной сегмент свертывается с использованием шаблона, состоящего из одного единственного пика.
[0380] Два максимальных пика, полученные в результате свертки, которые отстоят друг от друга с интервалом, по меньшей мере, в 35 мкс, сохраняются в памяти вместе со своими показателями (сохраняется как индекс, так и величина). Сумма абсолютных значений каждого из двух пиков сводится в переменную, называемую «Spectrum(frequency)». Таким образом, величины (абсолютные значения) двух максимальных пиков в каждом из сегментов длиной идентификатора складываются для получения значения, которое сравнивается с соответствующим значением всех остальных частот с целью определения корректной частоты. Эти значения спектра могут быть вычерчены в зависимости от частоты, как это показано на фиг. 94 в отношении случая с таким же уровнем шума. На фиг. 94 показан спектр, иллюстрирующий суммы величин двух пиков для каждого сегмента длиной идентификатора в зависимости от частоты. Он аналогичен спектру, показанному на фиг. 69.
[0381] Обратите внимание, что в сравнении с фиг. 69 пик этого спектра намного более широкий и пологий. Это обусловлено тем, что поскольку единовременно анализируется только один идентификатор, фильтрация осуществляется в более широкой полосе пропускания (пологость частично обусловлена тем фактом, что в данном случае вычерчены только величины; предыдущие графики спектра включали в себя четность набора данных). В данном случае отсутствует ограниченность, присущая анализу растягивания/сжатия всего кадра с использованием шаблона с 23 всплесками. С другой стороны, из анализа исключен большой объем шума. В шаблоне с 23 всплесками каждый всплеск характеризуется шириной около 1 мкс в интервале 4 мкс. В промежутках между всплесками значение шаблона равно нулю. Таким образом, в каждой свертке устранено 75% шума - отрезки между всплесками в шаблоне. Однако при растягивании/сжатии сегментов длиной идентификатора шаблон будет равен отдельному всплеску шириной 1 мкс, и используется дважды. В этом случае включены 2 мкс шума и устранены 90 мкс или 98% шума.
[0382] Насколько это будет способствовать установлению частоты даже при более высоком уровне шума, показано на фиг. 95, где представлены спектры для анализа растяжения/сжатия сегментов, как длиной кадра, так и длиной идентификатора.
[0383] График 2300, показанный на фиг. 95, иллюстрирует спектр для сегментов длиной кадра в зависимости от частоты при показателе SNR = -10,6 дБ. Он был рассчитан с использованием алгоритма, идентичного тому, который был использован для построения графика, показанного на фиг. 69.
[0384] График 2310, показанный на фиг. 95, иллюстрирует спектр для сегментов длиной идентификатора в зависимости от частоты при показателе SNR = -10,6 дБ. Он был рассчитан с использованием алгоритма, идентичного тому, который был использован для построения графика, показанного на фиг. 94.
[0385] Следует иметь в виду, что при указанном сравнении дается точный ответ (индекс = 501). Однако видно, что пик на графике 2330 представляет собой более пологую кривую, что более определенно указывает на наличие сигнала.
[0386] На фиг. 96 показаны результаты работы с более высоким уровнем шума. График 2320 иллюстрирует зависимость спектра для сегментов длиной кадра от частоты при показателе SNR = -13,5 дБ. Он был рассчитан с использованием алгоритма, идентичного тому, который был использован для построения графика, показанного на фиг. 69.
[0387] График 2330 иллюстрирует спектр для сегментов длиной идентификатора в зависимости от частоты при показателе SNR = -13,5 дБ, но всего с 120 элементарными сигналами в расчете на идентификатор. Он был рассчитан с использованием алгоритма, идентичного тому, который был использован для построения графика, показанного на фиг. 94.
[0388] Следует отметить, что в случае, где используется длина кадра, точный ответ (501) показан на третьем месте после пиков напротив показателей 600 и 520. Следовательно, этот пакет не был успешно декодирован. Однако спектр, основанный на сегментах длиной идентификатора, который показан на графике 2330, точно определил корректную частоту.
[0389] На фиг. 97 показан график 2340, иллюстрирующий спектр для сегментов длиной кадра в зависимости от частоты при показателе SNR = -17,5 дБ, но всего с 120 элементарными сигналами в расчете на идентификатор. Он был рассчитан с использованием алгоритма, идентичного тому, который был использован для построения графика, показанного на фиг. 69.
[0390] График 2350 иллюстрирует спектр для сегментов длиной идентификатора в зависимости от частоты при показателе SNR = -17,5 дБ, но с 120 элементарными сигналами в расчете на идентификатор. Он был рассчитан с использованием алгоритма, идентичного тому, который был использован для построения графика, показанного на фиг. 94.
[0391] При еще большем снижении показателя SNR спектр, основанный на сегментах длиной кадра, который показан на графике 2340, не приблизился ближе к идентификации корректной частоты. С другой стороны спектр, основанный на сегментах длиной идентификатора, который показан на графике 2350, оценил частоту в 505 единиц вместо расчетной величины в 501 единицу, достаточно близко приблизившись к успешному декодированию пакета.
[0392] Чтобы увидеть, как это происходит на более детальном уровне, представлен график 2360, показанный на фиг. 98, где отображен такой же второй сегмент и такой же набор данных, что и на графике 2280 (см. фиг. 90), но с частотой на 10 единиц больше. На графике 2360 показан второй составной сегмент из сегментов длиной идентификатора с показателем SNR = 7 дБ, но с частотой 511 единиц вместо 501 единицы. Следует отметить, что при этом сохраняется большая часть информации, содержащаяся в всплеске, а пик лишь немного ниже.
[0393] На графике 2370 показан второй составной сегмент из сегментов длиной идентификатора с показателем SNR = 7 дБ, но с частотой 521 единица, а не 501 единица. Исходя из этого, можно без труда увидеть, как за счет распределения всплесков по большему числу показателей может быть уменьшена величина пика. Это едва заметно, когда зондирующая частота смещена на 10 единиц, но становится очевидным, когда она смещена на 20 единиц.
[0394] На графике 2380, который представлен на фиг. 99, показан второй составной сегмент из сегментов длиной идентификатора с показателем SNR = 7 дБ, но с частотой 551 единица, а не 501 единица.
[0395] На графике 2390 представлен второй составной сегмент из сегментов длиной идентификатора с показателем SNR = 7 дБ, но с частотой 571 единица, а не 501 единица. Обратите внимание, что когда частота смещена на 70 единиц, величина пиков составляет примерно половину от той величины, которая наблюдалась при абсолютно корректной частоте.
[0396] В данном случае необходимо отметить, что если не дать всем 23-м идентификаторам распределяться в пакете случайным образом для формирования кодов, число которых равно 23!, а вместо этого добиваться, чтобы первые три идентификатора были фиксированными, а все оставшееся разбивались на пары так, чтобы интервал между двумя применимыми идентификаторами был всегда одинаковым, то сегмент шириной в два идентификатора обеспечит намного большее приближение к расчетным требованиям, сохраняя при этом большинство преимуществ сегмента шириной в один идентификатор, описанного выше.
[0397] Этот вариант характеризуется несколькими преимуществами. Например, сама по себе идея с сегментами длиной идентификатора подходит для реализации в масштабе реального времени: большое количество точек данных обрабатывается и свертывается в меньшее количество точек, которое впоследствии может быть использовано для идентификации пакета, установления его частоты и декодирования содержащейся в нем информации, что требуется от сегментов в первую очередь.
[0398] В этом случае длина пакета составляла 250 мс (в отличие от протокола 2, где эта длина составляла около 500 мс). Более длинные пакеты предполагают более длинные идентификаторы, что увеличивает энергию каждого из них, а это облегчает декодирование. При длине пакета в 250 мс число выборок в каждом идентификаторе составляло 120 (элементарных сигналов в расчете на идентификатор) * 920 (выборок в расчете на элементарный сигнал) = 110 400 выборок в расчете на идентификатор. В протоколе 2 было 220 800 выборок в расчете на идентификатор (в обоих случаях номинальное число выборок, точное число выборок после передачи могло бы быть на 1%, на 5% или даже на 10% выше или ниже номинального значения). Если допустить +/- 1-процентное смещение относительно диапазона номинальных частот, то может быть использовано, скажем, 1000 частотных ячеек. Число в 220 800 выборок по каждому сегменту может быть преобразовано в сегмент с количеством точек данных, равным 1000 x 4. Для большей точности могут быть сохранены максимальные три или четыре пика каждого сегмента, что увеличивает объем сохраняемой информации с 4000 точек до, скажем, 8000 точек. Тем не менее, 220 000 выборок преобразуется в 8000 точек или около того, что дает достаточно хороший коэффициент сжатия.
[0399] Во-вторых, конечно же, за счет устранения 98% шума из результатов окончательного анализа обнаружение сигнала и частоты может быть улучшено примерно на 6 дБ, что является существенным преимуществом. Дополнительные модификации, такие как сегменты длиной в два идентификатора с известными интервалами между этими двумя идентификаторами, могут обеспечить дополнительные преимущества.
[0400] В-третьих, эта модификация обеспечивает получение рисунка спектра, который ясно указывает на присутствие искусственного сигнала, а не случайного шума. Когда одиночный пакет дает информации, достаточную для обнаружения сигнала, но недостаточную для его точного декодирования, это позволяет обнаружить, а затем объединить последовательные пакеты, несущую такую же информацию, с последующим объединением этих пакетов на сегментном уровне. С практической точки зрения объединение двух пакетов, каждый из которых отображает пять миллионов выборок, где используется корреляция между двумя наборами данных, потребовало бы очень большого количества умножений и сложений и, скорее всего, не сработало бы, поскольку пришлось бы сравнивать два сигнала, в каждом из которых преобладал бы шум. С другой стороны, процесс «нарезки» на сегменты устраняет 98% шума в каждом сегменте, и сравнение 50 сегментов одного пакета с 50-ю сегментами другого пакета дало бы хороший шанс на их надлежащее совмещение с минимально потребными расчетами.
[0401] В-четвертых, сегменты длиной идентификатора могут оказаться полезными для корректировки изменений в синхронизирующем импульсе (его смещения), которые возникают во время передачи пакета. При корректировке смещения сегменту длиной идентификатора требуется синхронизирующий импульс, который был бы стабилен на протяжении отрезка времени, равного длине идентификатора. Пока смещение по полному пакету не превышает 2 мкс (в данном примере), идентификаторы сохраняют свою ортогональность.
[0402] Пример данных, полученных с использованием третьего короткоимпульсного протокола
[0403] Алгоритм, используемый для анализа данных в протоколе 3, представляет собой модификацию алгоритма, описанного выше. Основное его отличие заключается в сильной зависимости от сегментов длиной в полтора идентификатора для обнаружения частоты. В представленном решении, дающем прекрасные результаты, этот алгоритм (называемый в настоящем документе слайсером идентификаторов протокола 3 или P3SS) используется в режиме грубых частот для быстрого сканирования частоты сигнала, пользуясь преимуществом его широкого, удобного для анализа спектра. После этого используется допоиск с помощью P3SS для установления «вероятно наилучшей» частоты. В средах с высоким уровнем шума этот подход имеет преимущество над подходом с использованием составного сегмента длиной кадра из-за дополнительного устранения шума (устраняется от 75% до 98% шума).
[0404] Примечательно, что после создания составных сегментов идентификаторов (объединяющих 240 сегментов) сохраняются только индекс и максимальные значения двух наивысших пиков (отстоящих друг от друга, по меньшей мере, на 25 мкс). Они складываются с двумя другими максимальными величинами для каждого из сегментов длиной идентификатора (или длиной в полтора идентификатора) для этой частоты. Сумма этих двух максимальных величин для каждого из сегментов становится вкладом этой частоты в «спектр». Вся остальная информация - весь шум, возникающий в других 90 мкс квантованных и свернутых данных - отбрасывается. Полученный в итоге спектр поиска грубых частот на расстоянии 9 дюймов от детектора показан на фиг. 100.
[0405] На фиг. 100 представлен график, иллюстрирующий спектр грубых частот для эмулятора датчика на расстоянии 9 дюймов от детектора. По оси X на этом графике показано, по центру, номинальное число выборок в расчете на сегмент, равное 920. При X = 0 на сегмент приходится 919 выборок; при X = 200, на сегмент приходится 921 выборка. Представленное разрешение составляет 0,01 выборки на сегмент. Таким образом, более высокая частота передачи показана в левой части графика. Пик четко различим при 112 единицах, что можно преобразовать в 919 + (112-1)*0,01 = 920,11 выборки в расчете на сегмент.
[0406] На этом этапе кадр данных был обрезан таким образом, чтобы он включал только пакет и три дополнительных идентификатора, по полтора с каждой стороны предполагаемого положения пакета. Это устраняет больше шума из результатов последующего анализа.
[0407] Используя это новое значение в качестве центральной частоты и разрешение 0,002 выборки в расчете на сегмент, был еще раз проведен анализ с использованием алгоритма P3SS. Полученный в итоге тонкий спектр показан на фиг. 101.
[0408] На фиг. 101 представлен график, иллюстрирующий спектр точных частот для эмулятора датчика на расстоянии 9 дюймов от детектора. На этом тонком спектре можно видеть, что пик наблюдался при 6 единицах, и что окончательная длина составила 920,106 выборки в расчете на сегмент. Следует обратить внимание на тот факт, что более высокое разрешение было распространено на две грубые точки с обеих сторон центральной частоты.
[0409] Используя ее в качестве окончательной частоты, составной сегмент полнокадровой длины был использован для обнаружения точки регистрации. На фиг. 102 представлен составной сегмент, использующий центральную частоту, обнаруженную с помощью P3SS. Например, на фиг. 102 показаны основные выходные данные для проглатываемого датчика на расстоянии 9 дюймов от приемника. На фиг. 102 представлен график, иллюстрирующий составной сегмент длиной кадра, полученный с детектора на расстоянии 9 дюймов от источника. На фиг. 102 согласующий шаблон показан на более высоких всплесках 2400 (синие линии), тогда как данные составного сегмента показаны на немного более коротких всплесках 2410 (красные линии). Обратите внимание на то, что они характеризуются противоположной четностью: эта информация используется для подстройки четности входящих данных таким образом, чтобы они соответствовали шаблону.
[0410] Шаблон увязывается с составным сегментом, давая в результате график «bestSums», показанный на фиг. 103. На фиг. 103 представлен график, иллюстрирующий BestSums с использованием данных, собранных на расстоянии 9 дюймов от источника.
[0411] Используя этот регистрационный индекс и точную частоту, полученную с помощью второго P3SS, были рассчитаны идентификаторы и окончательный пакет, показанные на фиг. 104. На фиг. 104 представлен график, иллюстрирующий идентификаторы и уровни сигнала пакета с использованием данных, собранных на расстоянии 9 дюймов от источника.
[0412] Такой же процесс был выполнен на расстоянии 24-х дюймов от источника со следующими результатами:
[0413] На фиг. 105 представлен график, иллюстрирующий спектр грубых частот для эмулятора датчика на расстоянии 24 дюйма от детектора.
[0414] Используя грубую частоту 920,11 в качестве центральной частоты, был проведен анализ с использованием алгоритма P3SS2 (второй разновидности алгоритма P3SS с скорректированной грубой частотой) и установлен тонкий спектр, как это показано на фиг. 106. На фиг. 106 показан спектр частот P3SS2 для эмулятора датчика на расстоянии 24 дюйма от детектора.
[0415] На этот раз P3SS2 был смещен на длину сегмента 0,004 выборочной точки в расчете на сегмент, и декодирование было неточным. Повторяя допоиск по методике полнокадрового сегмента, был получен следующий спектр, показанный на фиг. 107. На фиг. 107 показан полнокадровый спектр частот для эмулятора датчика на расстоянии 24 дюйма от детектора.
[0416] Полнокадровый спектр дает лучшую оценку наилучшей длины сегмента (920,104), и это обеспечивает успешное декодирование пакета. Промежуточные наборы данных показаны на фиг. 108. На фиг. 108 представлен график, иллюстрирующий лучший составной полнокадровый сегмент вместе с наилучшим шаблоном для сигнала, полученного на расстоянии 24 дюйма от источника. И в этом случае более высокие всплески отображают шаблон, а более короткие всплески относятся к полнокадровому сегменту.
[0417] На фиг. 109 представлен график, иллюстрирующий результат BestSums (результат свертки шаблона с составным сегментом) по данным, собранным на расстоянии 24 дюйма от источника. Идентификаторы были успешно декодированы с использованием индекса по фиг. 109. Полученные в итоге идентификаторы и сопутствующие им суммарные свертки показаны на фиг. 110.
[0418] На фиг. 110 представлен график, иллюстрирующий значения идентификаторов и результаты декодирования пакета по данным, собранным на расстоянии 24 дюйма от источника. Эти результаты указывают на функциональность короткоимпульсного коммуникационного протокола для связи с проглатываемым датчиком.
[0419] На фиг. 111 представлен график, иллюстрирующий BestSums с использованием данных, собранных на расстоянии 24 дюйма от источника.
[0420] Примеры приемников, использующих импульсные протоколы
o
[0421] Описав генерирование и передачу импульсной функции с «разреженными импульсами», перейдем теперь к описанию различных приемных схем, предназначенных для приема и декодирования сигналов, передаваемых импульсной схемой 720 возбуждения индуктора. Соответственно, на фиг. 47 показан приемник 900 с управлением по напряжению, предназначенный для обнаружения электромагнитного поля, генерируемого проглатываемым идентификатором, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Приемник 900 с управлением по напряжению содержит резонансный контур 902, малошумящий усилитель 908 (LNA) и приемник-процессор 910, содержащий схемы и компоненты для обработки принятого и кодированного электромагнитного сигнала, который был передан проглатываемым идентификатором. Резонансный контур 902 содержит приемную антенну-индуктор 904 и подстроечный конденсатор 906, резонирующий на рабочей частоте f. Приемный индуктор 904 принимает электромагнитный сигнал, форм-фактор которого согласуется с индуктором 904.
[0422] Следует иметь в виду, что на фиг. 44-46 по горизонтальным осям не обязательно должно быть отложено время, так как сигнал может быть растянут или сжат в фиксированное число точек данных. Если сигнал характеризуется номинальной частотой, то соответствующие точки данных будут соответствовать времени, но единицами измерения, вероятнее всего, будут не микросекунды; а скорее всего, единицы измерения будут приведены в соответствие с продолжительностью элементарного сигнала, которая может варьироваться в зависимости от реализации.
o
[0423] Импульсный отклик приемного индуктора 904 графически показан на фиг. 48. Принятый сигнал на частоте (f) проявляется на конденсаторе 906 в виде напряжения. Амплитудно-частотная характеристика имеет наибольшую амплитуду или энергию на рабочей частоте f. На фиг. 47 также показано, что сигнал напряжения v с подстроечного конденсатора 906 подается на вход LNA 908. Выходной сигнал с LNA 908 подается на приемник-процессор 910, который обрабатывает и декодирует принятый сигнал для воспроизведения данных 912, переданных проглатываемым идентификатором.
o
[0424] На фиг. 49 показан приемник 930 с управлением по напряжению, предназначенный для обнаружения электромагнитного поля, генерируемого проглатываемым идентификатором, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Приемник 930 содержит резонансный контур 932, малошумящий усилитель 938 (LNA), узкополосный резонатор или кварцевый фильтр 944 и приемник-процессор 940, содержащий компоненты для обработки принятого и кодированного электромагнитного сигнала, который был передан проглатываемым идентификатором. Резонансный контур 932 содержит приемную антенну-индуктор 934 и подстроечный конденсатор 936, резонирующий на рабочей частоте f. Индуктор 934 принимает электромагнитный сигнал, форм-фактор которого согласуется с индуктором 934.
o
[0425] Импульсный отклик приемного индуктора 934 графически показан на фиг. 49. Принятый сигнал на частоте (f) проявляется на конденсаторе 936 в виде напряжения. Амплитудно-частотная характеристика имеет наибольшую амплитуду или энергию на рабочей частоте f. Сигнал напряжения v с подстроечного конденсатора 936 подается на вход LNA 938. Выходной сигнал с LNA 938 подается на резонатор или кварцевый фильтр 944, который связан с приемником-процессором 940. Приемник-процессор 940 обрабатывает и декодирует принятый сигнал для воспроизведения данных 942, переданных проглатываемым идентификатором.
[0426] Резонатор или кварцевый фильтр 944 может содержать один или более связанный резонатор или кристалл для задания избирательности фильтра 944. Могут быть также использованы фильтры других типов, включающие в себя, помимо прочего, индуктивные фильтры на сосредоточенных элементах/емкостные (индуктивно-емкостные) фильтры, планарные фильтры, коаксиальные фильтры, резонаторные фильтры, диэлектрические фильтры, электроакустические фильтры и/или волноводные фильтры.
BAT
[0427] Приемники-процессоры 910 и 940 могут содержать аналоговые или цифровые полосовые фильтры, предназначенные для отфильтровывания поступающих импульсов. Напряжение каждого импульса может быть интегрировано по времени, если эти импульсы очень короткие. Частоты передачи могут варьироваться, например, в диапазоне от около 12,5 кГц до около 20 кГц, или составлять более 24 кГц и доходить до около 10 МГц. Хотя импульсы не являются детерминированными, они повторяются через каждые 128 импульсов с частотой следования около 6 кГц. Готовность батареи носит случайный характер, а импеданс (Z) и напряжение (V) батареи могут колебаться. Ширина импульсов и частота их следования могут регулироваться, исходя из текущего состояния батареи. Протоколы этих типов могут быть реализованы в схемах типа «Интернет вещей».
[0428] Приемники-процессоры 910 и 940, описанные в привязке к фиг. 47 и 49, выполнены с возможностью обработки принятого кодированного аналогового электромагнитного сигнала, который передается проглатываемым идентификатором, с использованием шаблонной функции и функции свертки разреженных импульсов для идентификации частоты передачи. Согласно одному из аспектов приемники-процессоры 910 и 940 могут содержать аналого-цифровой преобразователь (ADC), расположенный в препроцессоре, предназначенный для приема аналоговых разреженных импульсов с цепей 908 и 938 усилителя. Преобразователь ADC оцифровывает принятые серии разреженных импульсов, преобразуя их в аналоговое напряжение, и выдает дискретное число, отображающее амплитуду напряжения. После этого дискретные числа, выданные преобразователем ADC, подаются в процессор, такой как, например, цифровой сигнальный процессор (DSP), рассчитанный на обнаружение частоты передачи сигнала в виде разреженных импульсов и декодирование кодированного сигнала в виде разреженных импульсов с целью извлечения или воспроизведения данных 912 и 942, передаваемых проглатываемым идентификатором. Процессор DSP отлично подходит для непрерывного измерения, отфильтровывания и/или сжатия аналоговых сигналов в виде разреженных импульсов и выполнения алгоритмов. В альтернативном варианте микропроцессор общего назначения также может быть выполнен с возможностью успешного выполнения алгоритмов обработки цифровых сигналов. При этом специализированнее процессоры DSP обычно обладают лучшим энергетическим КПД (коэффициентом полезного действия), и поэтому они больше подходят для использования в портативных устройствах, таких как мобильные телефоны, из-за ограничений по энергопотреблению. В процессорах DSP часто используется особая архитектура памяти, которая обеспечивает возможность одновременного выполнения выборки данных и/или команд. Хотя могут быть использованы процессоры DSP и микропроцессоры общего назначения, для выполнения функций приемника могут быть также использованы специализированные схемы или схемы с изменяемой структурой, такие как PLD (программируемая логическая интегральная схема), PGA (программируемая вентильная матрица), FPGA, ASIC и иные схемы, как поодиночке, так и совместно с процессорами DSP и микропроцессорами общего назначения.
[0429] Помимо приемных схем 900 и 930 с управлением по напряжению, описанных в привязке к фиг. 47-49, может быть использовано множество других приемных схем для получения и декодирования аналогового электромагнитного сигнала, который передается проглатываемым идентификатором. На фиг. 50 показан приемник 950 с управлением по току согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Приемник 950 с управлением по току содержит приемный индуктор 952, связанный с трансимпедансным усилителем 954 (TIA), который обеспечивает низкий выходной импеданс. Усилитель TIA 954 связан с усилителем 956, а его выход связан с приемником-процессором 958, подобным приемникам-процессорам 910 и 940 (см. фиг. 47 и 49). Усилитель TIA 954 обеспечивает преимущество, состоящее в том, что он может сохранять форму полученного импульса так, что импеданс индуктора «плавает» или подключается через усилитель TIA 954, после чего импульс может быть реконструирован на выходе усилителя TIA 954 и не зависеть от какой-либо паразитной емкости усилителя TIA 954.
[0430] На фиг. 51 показана еще одна приемная схема 960 согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Приемник 960 содержит приемный индуктор 962, связанный с первым усилителем 964. Выход первого усилителя 964 связан со вторым усилителем 966. Выход второго усилителя 966 связан с приемником-процессором 967. В примере, проиллюстрированном на фиг. 51, приемник-процессор 967 содержит преобразователь ADC 968 и процессор DSP 969 для обнаружения частоты передачи сигнала в виде разреженных импульсов и декодирования кодированного сигнала в виде разреженных импульсов с целью извлечения или воспроизведения данных, передаваемых проглатываемым идентификатором. Процессор DSP может быть также реализован с возможностью отфильтровывания аналогового сигнала в виде разреженных импульсов и выполнения различных алгоритмов.
[0431] На фиг. 52 проиллюстрирована схема 970 приемника, содержащая приемные индукторы 972, 974 и 976, расположенные перпендикулярно друг к другу, и соответствующие приемники 978, 980 и 982, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Приемные индукторы 972, 974 и 976 характеризуются общей удлиненной формой. Приемные индукторы 972, 974 и 976 и соответствующие приемники 978, 980 и 982 расположены по осям X, Y и Z, что уменьшает зависимость от ориентации передатчика. Выходы приемников 978, 980 и 982 связаны с мультиплексором 984. Выход мультиплексора 984 связан с приемником-процессором 986, содержащим преобразователь ADC 988 и процессор DSP 989.
[0432] На фиг. 53 проиллюстрирована схема 990 приемника, содержащая приемные индукторы 992, 994 и 996, расположенные перпендикулярно друг к другу, и соответствующие приемники 998, 1000 и 1002, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Два приемных индуктора 992 и 994 характеризуются общей удлиненной формой, а один приемный индуктор 976 характеризуется общей плоской формой. Приемные индукторы 992, 994 и 996 и соответствующие приемники 998, 1000 и 1002 расположены по осям X, Y и Z, что уменьшает зависимость от ориентации передатчика. Выходы приемников 998, 1000 и 1002 связаны с мультиплексором 1004. Выход мультиплексора 1004 связан с приемником-процессором 1006, содержащим преобразователь ADC 1008 и процессор DSP 1009.
1
n
1
n
1
n
1
n
[0433] На фиг. 54 проиллюстрирована схема 1010 приемника, содержащая множество приемных индукторов L1-Ln и множество приемников-усилителей RX-RX, согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Приемные индукторы L1-Ln соединены с входами соответствующих приемников RX-RX. Выходы приемников-усилителей RX-RX связаны с мультиплексором 1012. Выход мультиплексора 1012 связан с приемником-процессором 1014. Как было указано выше, приемник-процессор 1014 содержит преобразователь ADC 1016 и процессор DSP 1018, связанный с преобразователем 1016. Множество приемных индукторов L1-Ln и соответствующее множество приемников-усилителей RX-RX, помимо прочего, улучшают отношение «сигнал-шум» (SNR) и снижают зависимость от ориентации передатчика.
[0434] На фиг. 55 показана приемная схема 1100 согласно одному из аспектов настоящего изобретения. Приемная схема 1100, показанная на фиг. 55, содержит схему 1101 аналогового препроцессора, связанную со схемой 1103 приемника-процессора. Схема 1101 аналогового препроцессора содержит приемные индукторы 1108, 1110 и 1112, связанные с приемниками-усилителями 1102, 1104 и 1106. Сигналы, передаваемые импульсной схемой возбуждения, такой как импульсная схема 720 возбуждения, показанная на фиг. 38 и 39, или импульсная схема 726 возбуждения, показанная на фиг. 43, принимаются приемными индукторами 1108, 1110 и 1112, расположенными по осям X, Y и Z, что уменьшает зависимость от ориентации передатчика, и усиливаются соответствующими приемниками-усилителями 1102, 1104 и 1106. Как показано на фиг. 55, приемные индукторы 1108, 1110 и 1112 связаны с тремя соответствующими приемниками-усилителями 1102, 1104 и 1106. Выходы трех приемников-усилителей 1102, 1104 и 1106 уплотняются мультиплексором 1120. Согласно различным аспектам приемник-процессор 1100 может принимать сигналы с одного приемного индуктора 1108, с двух приемных индукторов 1108 и 1110 или более чем с трех приемных индукторов 1108, 1110 и 1112 в зависимости от деталей реализации системы.
[0435] Мультиплексор 1120 электрически связан с одним или более полосовым фильтром. Как показано на фиг. 55, мультиплексор 1120 электрически связан с полосовым фильтром 1130 высоких частот и полосовым фильтром 1140 низких частот для отфильтровывания частот радиовещательного диапазона, используемых для передачи импульсной функции. С мультиплексором 1120 могут быть связаны дополнительные полосовые фильтры и усилители для покрытия частотных диапазонов между указанными диапазонами высоких частот и низких частот. Цепочки сигналов высокой и низкой частоты обеспечивают программируемый коэффициент усиления, охватывающий требуемый уровень или диапазон. Согласно данному конкретному аспекту полосовой фильтр 1130 высоких частот пропускает частоты в диапазоне от около 500 кГц до около 1500 кГц, отфильтровывая при этом шум в виде внеполосных частот. Этот диапазон высоких частот может варьироваться и включать в себя, например, диапазон от около 800 кГц до около 1200 кГц, а согласно некоторым аспектам - около 1000 кГц. После этого пропускаемые частоты усиливаются усилителем 1132 перед тем, как они будут преобразованы в цифровой сигнал аналого-цифровым преобразователем 1134 (ADC) для подачи на вход процессора 1180 высокой мощности (показанный как процессор DSP), который электрически связан с цепочкой сигналов высокой частоты.
[0436] Показанный полосовой фильтр 1140 низких частот пропускает нижние частоты в диапазоне от около 50 кГц до около 150 кГц, отфильтровывая при этом внеполосные частоты. Полоса пропускания может варьироваться и включать в себя, например, частоты в диапазоне от около 80 кГц до около 120 кГц, а согласно некоторым аспектам - около 100 кГц. Пропускаемые частотные сигналы усиливаются усилителем 1142. Здесь также показан акселерометр 1150, электрически связанный со вторым мультиплексором 1160. Мультиплексор 1160 уплотняет сигналы, поступающие с акселерометра, с усиленными сигналами, поступающими с усилителя 1142. Уплотненные сигналы затем преобразуются в цифровые сигналы преобразователем ADC 1164, который также электрически связан с процессором 1170 малой мощности.
[0437] Согласно одному из аспектов в необязательном варианте акселерометр 1150 может быть мультиплексирован с выходом усилителя 1142 с помощью мультиплексора 1160. Вместо акселерометра 1150 может быть задействован цифровой акселерометр (например, производства компании Analog Devices). За счет использования цифрового акселерометра могут быть достигнуты различные преимущества. Например, поскольку цифровой акселерометр выдавал бы сигналы уже в цифровом формате, цифровой акселерометр 1150 мог бы обходить преобразователь ADC 1164 и электрически связываться с микроконтроллером 1179 малой мощности, и в этом случае мультиплексор 1160 больше бы не требовался. Цифровой сигнал может быть также сконфигурирован с возможностью включения при детектировании движения, дополнительно сохраняя энергию. Кроме того, может быть реализован непрерывный подсчет скачков. Цифровой акселерометр может включать в себя FIFO-буфер (буфер обратного магазинного типа), помогающий управлять потоком данных, который передается в процессор 1170 малой мощности. Например, данные могут буферизироваться в FIFO-буфере до его наполнения, после чего процессор может быть активирован с его переводом из нерабочего состояния в состояние приема данных.
[0438] Процессор 1170 малой мощности может представлять собой, например, микроконтроллер MSP430 от компании Texas Instruments. Процессор 1170 малой мощности приемника 1100 сохраняет свое нерабочее состояние, в котором, как было указано выше, сохраняется минимальное потребление тока, например, около 10 мкА или меньше или около 1 мкА или меньше.
[0439] Процессор 1180 большой мощности может представлять собой, например, цифровой сигнальный процессор VC5509 от компании Texas Instruments. Процессор 1180 большой мощности осуществляет обработку сигналов во время своего активного состояния. Эти действия, как было указано выше, требуют большей величины тока в сравнении с нерабочим состоянием, например, 30 мкА или больше, например, 50 мкА или больше; и могут включать в себя, например, такие действия, как сканирование кондуктивно передаваемых сигналов, обработку кондуктивно передаваемых сигналов после их приема и/или получение или обработку физиологических данных и т.п.
[0440] Приемник 1100 может включать в себя a аппаратный ускоритель, предназначенный для обработки сигналов данных. Аппаратный ускоритель может быть задействован вместо, например, процессора DSP. Будучи более узкоспециализированным вычислительным устройством, он выполняет аспекты алгоритма обработки сигналов с меньшим числом транзисторов (что снижает затраты и энергопотребление) в сравнении с более универсальным процессором DSP. Аппаратные блоки могут быть использованы для «ускорения» выполнения особо важной функции/функций. Некоторые варианты архитектуры аппаратных ускорителей могут «программироваться» с использованием микрокода или языка ассемблера с командными словами очень большой длины (VLIW). В процессе использования доступ к их функциям может осуществляться путем обращения к библиотекам функций.
[0441] Аппаратный ускоритель (HWA) содержит входной блок HWA, предназначенный для приема сигнала, который должен быть обработан, и команд для обработки входного сигнала; блок обработки HWA, предназначенный для обработки входного сигнала согласно полученным командам и генерирования результирующего выходного сигнала. По мере необходимости результирующий выходной сигнал может передаваться выходным блоком HWA.
[0442] На фиг. 55 также показана флеш-память 1190, электрически связанная с процессором 1180 большой мощности. Согласно одному из аспектов флеш-память 1190 может быть электрически связана с процессором 1179 малой мощности, что может обеспечить лучший энергетический КПД.
[0443] Показанное устройство 1195 беспроводной связи электрически связано с процессором 1180 большой мощности и может включать в себя, например, приемопередатчик BLUETOOTH™ беспроводной связи. Согласно одному из аспектов устройство 1195 беспроводной связи электрически связано с процессором 1180 большой мощности. Согласно другому аспекту устройство 1195 беспроводной связи электрически связано с процессором 1180 большой мощности и процессором 1170 малой мощности. Кроме того, устройство 1195 беспроводной связи может быть реализовано с собственным источником питания с тем, чтобы оно могло включаться и выключаться независимо от прочих компонентов приемника, например, с помощью микропроцессора.
[0444] Следует учесть, что любой патент, публикация или иное раскрытие, полностью или частично, содержание которого заявлено как подлежащее включению в настоящий документ посредством ссылки, включается в настоящий документ только в той мере, в которой включаемый материал не входит в противоречие с представленными определениями, утверждениями или иными материалами раскрытия, изложенными в настоящем изобретении. В этой связи и в той мере, в какой это необходимо, данное раскрытие, что явным образом указано в настоящем документе, заменяет собой и отменяет все вступающие в противоречие материалы, включенные в настоящий документ посредством ссылки. Любой материал или его часть, содержание которого заявлено как подлежащее включению в настоящий документ посредством ссылки, но которое вступает в противоречие с представленными определениями, утверждениями или иными материалами раскрытия, изложенными в настоящем изобретении, будет включено в настоящий документ только при условии, что между содержанием этого включаемого материала и содержанием представленного материала раскрытия отсутствуют какие-либо противоречия.
[0445] Хотя в предшествующем описании раскрыты различные детали, следует понимать, что различные аспекты электромагнитного зондирования и обнаружения проглатываемых маркеров событий на практике могут быть реализованы без этих конкретных деталей. Например, для краткости и ясности изложения выбранные аспекты проиллюстрированы в виде блок-схем, а не отдельных деталей. Некоторые части подробного описания, представленного в настоящем документе, могут быть отображены в виде команд, которые управляют данными, сохраненными в памяти компьютера. Такие части описания и отображения используются специалистами в данной области техники для представления и передачи сути того, как они работают, другим специалистам в данной области техники. В общем, алгоритм представляет собой логическую последовательность операций, ведущую к достижению потребного результата, где термин «операция» обозначает манипулирование физическими величинами, которые могут - хотя и не в обязательном порядке - принимать форму электрических или магнитных сигналов, способных к сохранению, передаче, комбинированию, сравнению или манипуляции иного рода. Обычной практикой является обозначение этих сигналов битами, значениями, элементами, идентификаторами, символами, членами, числами и т.п. Эти и иные подобные термины соотносятся с соответствующими физическими величинами и представляют собой просто удобные наименования, присвоенные этим величинам.
[0446] Если из предшествующего описания явным образом не вытекает иное, следует иметь в виду, что такие термины, как «обработка» или «вычисление» или «расчет» или «определение» или «установление» или «отображение» или иные термины подобного рода, используемые по всему тексту предшествующего описания, обозначают действие или процессы компьютерной системы (или аналогичного электронного вычислительного устройства), которая манипулирует данными, представленными в виде физических (электронных) величин в регистрах и запоминающих устройствах компьютерной системы, и преобразует их в другие данные, аналогичным образом представленные в виде физических величин в регистрах и запоминающих устройствах или иных подобных устройствах хранения, передачи или отображения данных компьютерной системы.
[0447] Стоит отметить, что любая ссылка на «один из аспектов» или «аспект» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанная в привязке к этому аспекту, включена, по меньшей мере, в один аспект. Соответственно, такие фразы, как «согласно одному из аспектов», «согласно одному аспекту», «в одном из аспектов» или «в одном аспекте», упомянутые в различных местах по тексту описания, не обязательно все относятся к одному и тому же аспекту. Более того, конкретные признаки, структуры или характеристики могут быть объединены в одном или более аспекте любым подходящим образом.
[0448] Хотя в настоящем документе раскрыты различные аспекты, в него может быть включено множество модификаций, изменений, замен, вариантов и эквивалентов этих аспектов, что очевидно для специалистов в данной области техники. Кроме того, в тех случаях, где раскрыты материалы в отношении определенных компонентов, могут быть использованы и другие материалы. Таким образом, следует понимать, что предшествующее описание и прилагаемая формула охватывают все такие модификации и изменения как входящие в объем раскрытых аспектов. Предполагается, что последующая формула включает в себя все такие модификации и изменения.
[0449] Некоторые или все аспекты из числа различных аспектов, описанных в настоящем документе, могут, в общем, представлять собой технологии электромагнитного зондирования и обнаружения проглатываемых идентификаторов согласно технологиям, описанным в настоящем документе. В широком смысле специалистам в данной области техники понятно, что различные аспекты, описанные в настоящем документе, которые могут быть реализованы, по отдельности и/или вместе, самыми разными аппаратными, программными, аппаратно-программными средствами или любым их сочетанием, могут рассматриваться как представляющие собой «электрическую схему» различных типов. Следовательно, в контексте настоящего документа термин «электрическая схема» включает в себя, помимо прочего, электрическую схему, которая состоит, по меньшей мере, из одной дискретной электрической схемы; электрическую схему, которая состоит, по меньшей мере, из одной интегральной микросхемы; электрическую схему, которая состоит, по меньшей мере, из одной специализированной заказной интегральной схемы; электрическую схему, образующую вычислительное устройство общего назначения, сконфигурированное компьютерной программой (например, компьютер общего назначения, сконфигурированный компьютерной программой, который - по меньшей мере, частично - реализует процессы и/или устройства, описанные в настоящем документе; или микропроцессор, сконфигурированный компьютерной программой, который - по меньшей мере, частично - реализует процессы и/или устройства, описанные в настоящем документе); электрическую схему, образующую запоминающее устройство (например, оперативное запоминающее устройство различных типов); и/или электрическую схему, образующую коммуникационное устройство (например, модем, переключатель каналов связи или оптико-электрическая аппаратура). Специалистам в данной области техники понятно, что предмет изобретения, раскрытый в настоящем документе, может быть реализован в аналоговом или цифровом формате или в виде сочетания этих форматов.
[0450] В предшествующем подробном описании различные аспекты устройств и/или процессов раскрыты через блок-схемы, структурные схемы и/или примеры осуществления. В части, касающейся того, что такие блок-схемы, структурные схемы и/или примеры осуществления содержат одну или более функцию и/или операцию, специалистам в данной области техники понятно, что каждая функция и/или операция в таких блок-схемах, структурных схемах и/или примерах осуществления может быть реализована, по отдельности и/или совместно, с использованием самых разных программных, аппаратных, аппаратно-программных средств или практически любой их комбинации. Согласно одному из аспектов некоторые части предмета заявленного изобретения, описанные в настоящем документе, могут быть реализованы с помощью специализированных заказных интегральных схем (ASIC), программируемых пользователем матриц логических элементов (FPGA), цифровых сигнальных процессоров (DSP) или иных интегрированных структур.
[0451] Однако специалистам в данной области техники понятно, что некоторые аспекты из числа аспектов, раскрытых в настоящем документе, могут быть эквивалентно реализованы, полностью или частично, в интегральных схемах, в виде одной или более компьютерной программы, выполняемой на одном или более компьютере (например, в виде одной или более компьютерной программы, выполняемой на одной или более вычислительной системе), в виде одной или более программы, выполняемой на одном или более процессоре (например, в виде одной или более программы, выполняемой на одном или более микропроцессоре), в виде аппаратно-программного обеспечения или в виде по существу любой их комбинации; и что проектирование схем и/или написание кода для программного обеспечения и/или аппаратно-реализованного программного обеспечения вполне входит в компетенцию специалиста в данной области техники, исходя из настоящего раскрытия. Кроме того, специалистам в данной области техники очевидно, что алгоритмы предмета изобретения, описанные в настоящем документе, могут распространяться в виде программного продукта, имеющего самые разные формы; и что иллюстративный аспект предмета изобретения, описанный в настоящем документе, применим вне зависимости от конкретного типа носителя сигнала, используемого для практической реализации такого распределения. К примерам носителей сигнала относятся, помимо прочего, следующие устройства: носители данных записывающего типа, такие как гибкий магнитный диск, накопитель на жёстком диске, компакт-диск (CD), цифровой видео-диск (DVD), магнитная лента, память компьютера и пр.; и носители данных передающего типа, такие как цифровой и/или аналоговый канал передачи данных (например, оптоволоконный кабель, волноводный тракт, устройство проводной связи, устройство беспроводной связи (например, передатчик, приемник, передающие логические схемы, приемные логические схемы и пр.) и т.д.).
[0452] Специалисту в данной области техники понятно, что раскрытые в настоящем документе компоненты (например, операции), устройства, объекты и сопровождающие их описания использованы лишь в качестве примеров для внесения концептуальной ясности, и что в их конфигурацию могут быть внесены различные модификации. Соответственно, предполагается, что конкретные указанные образцы и сопровождающие их описания в контексте настоящего документа носят репрезентативный характер, отражая более широкий класс таких образцов. В общем, использование любых конкретных образцов служит отображением характерного для их класса применения; при этом не включение конкретных компонентов (например, операций), устройств и объектов не следует рассматривать как носящее ограничительный характер.
[0453] Что касается использования в настоящем документе по существу любых терминов в единственном и/или множественном числе, то специалисты в данной области техники могут переводить их из множественного числа в единственное число или из единственного числа во множественное число в соответствии с контекстом и/или вариантом применения. В целях упрощения изложения различные перестановки множественного/единственного числа в настоящем документе явным образом не указаны.
[0454] Описанный в настоящем документе предмет изобретения иногда проиллюстрирован как содержащий разные компоненты или компоненты, соединенные с разными другими компонентами. Это следует понимать так, что такие проиллюстрированные варианты архитектуры носят исключительно иллюстративный характер, и что в действительности могут быть реализованы многие другие варианты архитектуры, сохраняющие такие же функциональные возможности. В концептуальном смысле любая схема расположения компонентов, обеспечивающая такие же функциональные возможности, эффективно «соотнесена» так, что достигается требуемая функциональность. В этом контексте любые два компонента, объединенные в настоящем документе для обеспечения конкретной функции, могут рассматриваться как «соотнесенные» друг с другом таким образом, что требуемая функциональность достигается вне зависимости от вариантов архитектуры или промежуточных компонентов. Подобным же образом любые два компонента, соотнесенные таким образом, могут также рассматриваться как «функционально связанные» или «функционально соединенные» друг с другом для достижения требуемой функциональности; и любые два компонента, выполненные с возможностью обеспечения такого сопряжения друг с другом, также могут рассматриваться как «функционально связанные» друг с другом для достижения требуемой функциональности. К конкретным примерам функционально связанных компонентов относятся, помимо прочего, физически сочленяемые и/или физически взаимодействующие компоненты, и/или взаимодействующие беспроводным способом и/или выполненные с возможностью взаимодействия беспроводным способом компоненты, и/или логически взаимодействующие и/или выполненные с возможностью логического взаимодействия компоненты.
[0455] Некоторые аспекты могут быть раскрыты с использованием выражения «связанный» и «соединенный» вместе с их производными. Следует понимать, что эти термины не являются синонимами. Например, некоторые аспекты могут быть раскрыты с использованием выражения «соединенный», указывающего на то, что два или более элемента напрямую соединены друг с другом физически или через электрический контакт. В другом примере некоторые аспекты могут быть раскрыты с использованием выражения «связанный», также указывающего на то, что два или более элемента напрямую соединены друг с другом физически или через электрический контакт. Однако термин «связанный» может также означает, что два или более элемента не находятся в непосредственном физическом контакте, но по-прежнему взаимодействуют друг с другом или функционируют совместно.
[0456] В некоторых случаях один или более компонент может быть описан в настоящем документе как «выполненный с возможностью», «сконфигурированный», «подходящий/функционально пригодный», «адаптированный/адаптируемый», «способный», «сочетаемый/соответствующий» и пр. Специалистам в данной области техники понятно, что выражение «выполненный с возможностью» может, в общем, относится к компонентам в активном состоянии и/или к компонентам в неактивном состоянии и/или к компонентам в состоянии ожидания, если иное не следует из контекста.
[0457] Хотя были описаны и проиллюстрированы конкретные аспекты заявленного изобретения, описанные в настоящем документе, исходя из представленных в настоящем документе идей, специалистам в данной области техники очевидно, что в него могут быть внесены различные изменения и модификации без отступления от предмета заявленного изобретения, описанного в настоящем документе, и его более широких аспектов; и, следовательно, объем прилагаемой формулы должен охватывать все такие изменения и модификации как соответствующие подлинной сущности и объему заявленного изобретения, описанного в настоящем документе. Специалистам в данной области техники понятно, что, в общем, термины, используемые в настоящем документе, особенно в прилагаемой формуле (например, во вводных частях пунктов этой формулы), обычно представляют собой неограничивающие термины (например, термин «включающий» должен рассматриваться как «включающий, помимо прочего»; термин «содержащий» должен рассматриваться как «содержащий, помимо прочего», а термин «включает в себя» должен рассматриваться как «включает в себя, помимо прочего»; и т.д.). Специалистам в данной области техники также понятно, что если предполагается точное число введенных в пункты формулы перечислений, то такое намерение будет указано в пункте формуле в явной форме, а отсутствие такого перечисления будет указывать на отсутствие такого намерения. Например, что должно облегчить понимание, для представления перечислений последующая прилагаемая формула может содержать такие вводные фразы, как «по меньшей мере, один» или «один или более». Однако использование таких фраз не должно рассматриваться как предполагающее, что введение перечислений в пункты формулы с использованием неопределенных артиклей ограничивает какой-либо конкретный пункт формулы, содержащий такое введенное перечисление, только пунктами, содержащими лишь одно такое перечисление, даже в том случае, когда этот же пункт формулы содержит вводные фразы «один или более» или «по меньшей мере, один» и неопределенные артикли (например, неопределенные артикли обычно следует рассматривать как означающие «по меньшей мере, один» или «один или более»); это же относится к использованию определенных артиклей для введения перечислений в формуле изобретения.
[0458] Кроме того, даже если в прилагаемой формуле точно указано конкретное число перечислений, специалистам в данной области техники понятно, что такое перечисление обычно следует толковать как означающее, по меньшей мере, указанное количество (например, просто «два перечисления» без каких-либо модификаторов обычно означает, по меньшей мере, два перечисления или два или более перечисления). Более того, в тех случаях, когда используется аналог выражения «по меньшей мере, одно из A, B и C и т.д.», такую конструкцию, в общем, следует понимать в том смысле, в котором это выражение должен понимать специалист в данной области техники (например, «система, содержащая, по меньшей мере, одно из A, B и C» может включать в себя, помимо прочего, системы, содержащие только A, только B, только C, A и B вместе, A и C вместе, B и C вместе и/или A, B и C вместе и т.д.). В тех случаях, когда используется аналог выражения «по меньшей мере, одно из A, B или C и т.д.», такую конструкцию, в общем, следует понимать в том смысле, в котором это выражение должен понимать специалист в данной области техники (например, «система, содержащая, по меньшей мере, одно из A, B или C» может включать в себя, помимо прочего, системы, содержащие только A, только B, только C, A и B вместе, A и C вместе, B и C вместе и/или A, B и C вместе и т.д.). Специалистам в данной области техники также понятно, что обычно разделительные слова и/или фразы, отображающие два или более альтернативных термина, будь то в описании, формуле или на чертежах, следует понимать как предусматривающие возможность включения одного или другого термина или обоих терминов, если иное не следует из контекста. Например, фраза «A или B» обычно должна пониматься, как включающая в себя такие возможные варианты, как «A» или «B», или «A и B».
[0459] В части прилагаемой формулы специалистам в данной области техники очевидно, что указанные в ней операции могут выполняться, в общем, в любом порядке. Кроме того, хотя различные технологические схемы представлены в определенной последовательности/последовательностях, следует понимать, что различные операции могут выполняться в ином порядке, отличном от того, который проиллюстрирован, или выполняться параллельно. Примеры таких альтернативных последовательностей могут включать в себя перекрывающиеся, чередующиеся, прерванные, переупорядоченные, инкрементные, подготовительные, добавочные, параллельные, обратные или иные последовательности, если только из контекста не вытекает иное. Более того, предполагается, что такие термины, как «отображающий», «относящийся к» или иные прилагательные в прошедшем времени не исключают использование таких их производных, если иное не следует из контекста.
[0460] В некоторых случаях использование системы или способа может происходить на определенной территории, даже если их компоненты находятся за пределами этой территории. Например, в контексте распределенного вычисления предусмотрена возможность использования системы распределенных вычислений на определенной территории, когда некоторые части этой системы (например, реле, сервер, процессор, носитель сигнала, передающий компьютер, приемный компьютер и прочие элементы) находятся за ее пределами.
[0461] Аналогичным образом предусмотрена возможность продажи системы или способа на определенной территории, даже если некоторые элементы этой системы или способа находятся и/или используются за ее пределами. Кроме того, внедрение, по меньшей мере, части системы для реализации способа согласно настоящему изобретению на одной территории не исключает возможность использования этой системы на другой территории.
[0462] Хотя в настоящем документе раскрыты различные аспекты настоящего изобретения, могут быть также реализованы их модификации, изменения, замены и эквиваленты, что очевидно специалистам в данной области техники. Кроме того, в тех случаях, где описаны материалы для изготовления определенных компонентов, могут быть также использованы и другие материалы. Следовательно, необходимо понимать, что предшествующее описание и прилагаемая формула изобретения охватывает все такие модификации и изменения, рассматривая их как входящие в объем раскрытых аспектов. Предполагается, что последующая формула изобретения включает в себя все такие модификации и изменения.
[0463] Подводя итог, следует отметить, что были раскрыты многочисленные преимущества, ставшие результатом применения идей, описанных в настоящем документе. Предшествующее раскрытие одного или более аспекта представлено лишь в иллюстративных и описательных целях. Оно не претендует на исключительный характер или ограничение точно описанной формой. С учетом указанных идей возможно внесение различных модификаций или изменений. Один или более аспект был выбран и раскрыт для иллюстрации его принципов и практических сфер применения, чтобы помочь специалисту в данной области техники применить различные аспекты и различные их модификации, пригодные для конкретного предполагаемого использования. Предполагается, что общий объем настоящего изобретения определяется формулой, представленной в настоящем документе.
[0464] Различные аспекты предмета настоящего изобретения изложены в следующих пронумерованных пунктах:
[0465] 1. Электронное устройство, содержащее: устройство управления; схему возбуждения, соединенную с устройством управления, причем указанная схема возбуждения выполнена с возможностью изменения электрической проводимости; источник питания пониженной мощности, соединенный с устройством управления, причем указанный источник питания пониженной мощности выполнен с возможностью подачи разности потенциалов на устройство управления и схему возбуждения, которое образуется при вхождении источника питания пониженной мощности в контакт с токопроводящей жидкостью, при этом указанный источник питания пониженной мощности содержит первый материал, электрически связанный с устройством управления, и второй материал, электрически связанный с устройством управления и гальванически развязанный с первым материалом; и индуктор, соединенный со схемой возбуждения, причем указанная схема возбуждения выполнена с возможностью пропускания тока через индуктор, и при этом величина тока, пропускаемого через индуктор, варьируется для генерирования кодированного сигнала, который удаленно детектируется приемником.
[0466] 2. Электронное устройство по п. 1, в котором схема возбуждения содержит однотактную схему возбуждения.
[0467] 3. Электронное устройство по п. 1, в котором схема возбуждения содержит двухтактную схему возбуждения с Н-мостом.
[0468] 4. Электронное устройство по п. 1, в котором схема возбуждения содержит: перекрестно-связанные транзисторы; и конденсатор, подключенный между стоками перекрестно-связанных транзисторов; при этом между стоками перекрестно-связанных транзисторов подключен индуктор.
[0469] 5. Электронное устройство по п. 1, дополнительно содержащее: схему удвоителя напряжения батареи; цепь генератора импульсов, соединенную со схемой удвоителя напряжения батареи; и разрядную схему индуктора, соединенную с цепью генератора импульсов.
[0470] 6. Электронное устройство по п. 5, в котором схема удвоителя напряжения батареи содержит: контур переключаемых конденсаторов, содержащий первый и второй переключаемые конденсаторы; причем указанный контур переключаемых конденсаторов принимает входное напряжение и выдает выходное напряжение, величина которого в два раза превышает величину входного напряжения; и контур синхрогенераторов; при этом указанный контур синхрогенераторов принимает серию импульсов и генерирует синхронизирующие импульсы противоположных фаз; при этом синхронизирующие импульсы противоположных фаз инициируют попеременную зарядку первого и второго конденсаторов до напряжения, равного или в два раза превышающего входное напряжение.
[0471] 7. Электронная схема по п. 5, в которой цепь генератора импульсов содержит: первую и вторую триггерные схемы; резистивно-емкостную цепь синхронизации, содержащую резистор R и конденсатора C для задания задержки/постоянной τ времени на входе второй «запаздывающей» триггерной схемы; инвертор, соединенный с выходом первой «не запаздывающей» триггерной схемы; и логический элемент, характеризующийся наличием первого входа, соединенного с выходом инвертора, второго входа, соединенного с выходом второй триггерной схемы, и выхода, соединенного с триггерной схемой индуктора; первый генератор колебаний, соединенный с входом первой триггерной схемы и с резистивно-емкостной цепью синхронизации; и второй генератор колебаний, соединенный с триггерной схемой индуктора.
[0472] 8. Электронная схема по п. 5, в которой разрядная схема индуктора содержит: зарядную цепь конденсатора; соединительную цепь; и зарядную и разрядную цепи, предназначенные для зарядки и разрядки индуктора.
[0473] 9. Электронная схема по п. 1, в которой схема возбуждения выполнена с возможностью реализации импульсного коммуникационного протокола.
[0474] 10. Электронное устройство по п. 1, в котором первый и второй материалы выбраны таким образом, что они обеспечивают формирование разности потенциалов вследствие вступления первого и второго материалов в контакт с токопроводящей жидкостью.
[0475] 11. Электронное устройство по п. 1, содержащее электронный переключатель, причем указанный электронный переключатель содержит первую и вторую клеммы и клемму управления; при этом клемма управления функционально связана со схемой возбуждения, первая схема соединена с индуктором, а вторая клемма соединена со вторым материалом; при этом индуктор подключен между первым материалом и первой клеммой электронного переключателя; при этом схема возбуждения выполнена с возможностью изменения электрической проводимости электронного переключателя между первым и вторым материалами для пропускания электрического тока через индуктор.
[0476] 12. Электронное устройство по п. 1, в котором индуктор содержит, по меньшей мере, два индуктивных элемента, сформированных на отдельных изолирующих подложках полупроводниковой интегральной микросхемы.
[0477] 13. Электронное устройство по п. 12, в котором, по меньшей мере, два индуктивных элементов соединены через перемычку, сформированную между отдельными изолирующими подложками.
[0478] 14. Приемная схема, содержащая: резонансный контур; малошумящий усилитель напряжения, соединенный с резонансным контуром; и цепь приемника-процессора, соединенную с выходом малошумящего усилителя напряжения; при этом указанная цепь приемника-процессора выполнена с возможностью приема аналогового сигнала, отображающего импульсный радиосигнал, преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал и декодирования цифрового сигнала с целью воспроизведения данных, передаваемых в виде импульсного радиосигнала.
[0479] 15. Приемная схема по п. 14, дополнительно содержащая узкополосный резонатор, подключенный между малошумящим усилителем и цепью приемника-процессора.
[0480] 16. Приемная схема, содержащая: приемный индуктор; трансимпедансный усилитель, соединенный с приемной катушкой; усилитель, соединенный с выходом трансимпедансного усилителя; и цепь приемника-процессора, соединенную с выходом усилителя; при этом указанная цепь приемника-процессора выполнена с возможностью приема аналогового сигнала, отображающего импульсный радиосигнал, преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал и декодирования цифрового сигнала с целью воспроизведения данных, передаваемых в виде импульсного радиосигнала.
[0481] 17. Приемная схема по п. 16, в которой приемник-процессор содержит: аналого-цифровой преобразователь (ADC); и процессор для обработки цифровых сигналов, соединенный с выходом ADC.
[0482] 18. Приемная схема по п. 16, содержащая: по меньшей мере, три приемных индуктора, расположенных перпендикулярно друг к другу; по меньшей мере, три усилителя, соединенных с соответствующими перпендикулярно расположенными друг к другу индукторами; мультиплексор, предназначенный для приема выходных сигналов, по меньшей мере, с трех усилителей; аналого-цифровой преобразователь (ADC), соединенный с выходом мультиплексора; и процессор для обработки цифровых сигналов, соединенный с выходом ADC.
[0483] 19. Приемная схема по п. 18, в которой, по меньшей мере, один из трех индукторов характеризуется общей удлиненной формой.
[0484] 20. Приемная схема по п. 18, в которой, по меньшей мере, один из трех индукторов характеризуется общей плоской формой.
[0485] 21. Приемная схема по п. 16, содержащая: множество полосовых фильтров, соединенных с выходом мультиплексора, причем каждый полосовой фильтр настроен на отдельную полосу частот; множество усилителей, соединенных с соответствующим множеством полосовых фильтров; и множество аналого-цифровых преобразователей (ADC), имеющих входы, соединенные с выходами полосовых фильтров, и выходы, соединенные с процессором для обработки цифровых сигналов.
[0486] 22. Приемная схема по п. 21, дополнительно содержащая элемент беспроводной связи.
[0487] 23. Приемная схема по п. 16, содержащая: множество приемных индукторов; множество соответствующих усилителей, соединенных с множеством индукторов; мультиплексор, предназначенный для приема выходных сигналов с множества усилителей; аналого-цифровой преобразователь (ADC), соединенный с выходом мультиплексора; и процессор для обработки цифровых сигналов, соединенный с выходом ADC.
[0488] 24. Приемная схема по п. 23, в которой множество приемных индукторов расположено по круговой схеме.