A sub-sampling pulse-resonance OOK modulated digital ultrasound communication system for medical IOT

Abstract

This dissertation presents a new ultrasound communication microsystem (Pulsed Resonance On-Off Keying) as a viable alternative to today's widely used RF technologies in order to avoid the associated health risks. Special circuit techniques were proposed to overcome the drawbacks of classical ultrasound communications; such as echoes and excess ringing, achieving a measured communication range of 28m with a 50 bits/s data rate and BER of 0.01. Targeting mainly medical sensor devices, the technology had to be insulated, small size and low power. Utilizing a 40 kHz ultrasound transducer and an 8-pin low power controller, wireless charged, high accuracy remote temperature sensor system with nominal average current consumption of 0.5uA was designed and tested. Multiple subsystems were all merged in a total volume of 12mm diameter and 15mm height, excluding the charging coil. Each of the ultrasound communication, temperature sensor and battery measurement functions do use the same circuit pins with special circuit configurations. Thanks to echoes avoidance, ringing suppression, dynamic detection threshold adjustment techniques along with 3-bit preamble synchronization; the proposed low-power sub-sampling IQ demodulation of OOK bits resulted in high sensitivity robust ultrasound communication system without any alignment requirement for the transducers. The lifetime of the prototyped sensors with an 8mAh LiR battery was about 27 months corresponding to sensory data update frequency of 1 sample/minute.

Bu tez, günümüzde yaygın şekilde kullanılan RF teknolojilerine, bu sistemden dolayı oluşan sağlık sorunlarını engellemek amacıyla, RF sistemlerine uygun bir alternatif olabilecek bir ultrason iletişim mikrosistemini takdim etmektedir. Klasik ultrason iletişim sistemlerinin yol açtığı sıkıntıların üstesinden gelmek için özel tasarım devre sistemleri önerilmektedir, bu sıkıntılara örnek olarak eko ve istenmeyen salınımlar örnek gösterilebilir. Bu özel tasarım devre 50bit/s data oranı ve 0.01 BER ile 28m iletişim menziline ulaşabilmektedir. Medikal sensör cihazlarına küçük boyutta ve düşük güçte entegre edilmiştir. 40kHz ultrason dönüştürücü ve 8-pinli düşük güç kontrolü kullanılarak, suya dayanıklı, kablosuz şarj edilebilen, yüksek hassasiyetli uzaktan kontrol edilebilen, ortalama 0.5uA akım tüketen ısı sensör sistemi dizayn ve test edilmiştir. Birden fazla alt sistem, şarj bobini hariç 12mm yarıçap ve 15mm uzunluğu olan bir hacme toplanmıştır. Tüm ultrason iletişim sistemi, ısı sensörü ve batarya ölçer fonksiyonlar aynı özel konfigürasyonlu devre pin'ini kullanmaktadır. Ekoyu ve ringing'i engellemesi, 3-bit giriş senkronizasyonuyla dinamik sezim eşik ayarlama teknikleri sayesinde, sunulan OOK düşük-güçlü alt-örnekleme IQ demodülasyonu bitleri, transdüserleri hizalamaya gerek kalmadan yüksek hassasiyetli ve güçlü bir ultrason iletişim sistemi elde etmemize olanak sağlamıştır. Dakikada 1 örnek data frekans güncellemesi yapan 8mAh LiR bataryanın ömrü yaklaşık 27 aydır.