专利名称：无线数据传输方法
技术领域：
本发明涉及一种无线数据传输方法，特别涉及一种用于医用数字遥测监护系统的无线数据传输方法。
背景技术：
医用遥测监护仪是一个典型的嵌入式系统，由发射盒、接收机和中央监护站组成。这样的系统一般携带若干个无线发射盒，作为前端病人数据采集系统。发射盒与接收机使用无线方式通讯。发射盒通过传感器和检测电路测量人体的心电(ECG)、血氧饱和度(SPO2)、无创血压(NIBP)等生理信号，把经过计算处理后的生理参数数值和波形通过无线方式发送给接收机。
无线通信时，在信道上数据是一个一个比特发送的，有同步和异步两种。和有线连接中常用的UART异步传输一样，每个字节都有开始和停止位，还可加一个奇偶校验位。
同步传输方式中，由于每个字节都需要同步，所以速率是比较低的。不能传输二路200Hz、12bit的信号。在不加奇偶校验位和校验字节的情况下，可勉强传输二路200Hz、8bit的信号，如此没有数据空间余量留给发射盒状态、血氧、血压。
如直接用异步信号进行传输，实现上较为简单，但异步信号对边沿抖动等干扰非常敏感，会导致较大的误码率，异步方式多用在一些简单的、对可靠性要求不高的场合，不能满足医疗数据传输的高可靠性要求。
同步组帧传输的格式中每个字节不需要起始和停止，导引部分的信号称为同步信号，数据以打包的方式传输，一个数据帧可包含10-50个字节。
这种方式在无线通讯中被广泛使用，它对空间传输干扰造成的信号变形的容错能力比异步传输要强。它可以二路200Hz、8bit的信号，并且有数据空间留给发射盒状态、血氧、血压等数据量小的数据。
交织纠错编码在数字无线通讯中很常用，对于单向数字通讯，它可以显著提高通讯质量和可靠性。因为纠错编码需要冗余，在一个不允许信息延迟的实时系统中，附加冗余比特需要更高的传输速率，这就意味着需要更宽的带宽。因此在现有的低速无线通信中，显然无法实现。
发明内容本发明的目的就是为了克服现有技术中的以上不足之处，提供一种效率高、成本低、实时性强的无线数据传输方法。
为实现上述目的，本发明提出一种无线数据传输方法，包括如下步骤1)系统进行数据采集，2)对所述数据进行动态增益处理，3)数据压缩，4)交织纠错编码，5)无线发射。
上述的无线数据传输方法，所述步骤2)动态增益处理过程包括系统对采集到的每帧12位精度数据找出最大值，判断并去掉其无效的高位，在剩下的数据中取高8位；对该帧其他数据取相同位置的8位数据。所述步骤3)数据压缩的过程包括A)采用拟合方法对数据进行第一次压缩，B)对经所述拟合后的数据进行编码，实现二次压缩。所述步骤4)交织纠错编码的过程包括在发射端，对数据进行循环冗余校验，再进行前向纠错编码，对前述编码后数据进行交织处理；在接收端，交织纠错编码过程是发射段的反过程。所述步骤5)的无线发射采用同步传输方式。
所述步骤A)采用水平线拟合、斜线拟合、水平线斜线混合拟合方法。
所述水平线拟合的过程包括确定水平阈值和斜线阈值，以输入的原始数据第一个点作为标准比较点，用第二个数据点与其比较，若其差值绝对值小于水平阈值，则该数据点用标准比较点代替；若差值绝对值大于水平阈值而且小于斜线阈值，且连续三点同向走向递增或递减，则采用斜线拟合；否则，第二个点将作为新的标准比较点，进入下一拟合方式判断。
或所述水平线拟合的过程包括选取标准比较点，对比较点后输入的数据点进行比较，若比较结果小于水平阈值，则该数据点用标准比较点代替；若比较结果超出水平阈值，则取该数据点取为新的标准比较点，进入下一拟合过程。
所述斜线拟合过程包括选取标准比较点，对标准比较点后输入的数据点进行比较，当被比较点数据与标准比较点数据的差值绝对值大于水平阈值而且小于斜线阈值，且连续三点同向走向递增或递减，被比较数据点由标准比较点代替；若比较结果大于斜线阈值，则该数据点作为新的标准比较点，进入下一拟合过程。
所述水平线斜线混合拟合过程包括如果经过斜线拟合后，在已经保存的斜线终点后，出现了可以用水平直线拟合的情况，则标准比较点代替的数据点个数信息包括被斜线替代和被水平线替代的个数信息。
所述步骤B)编码过程对每一个数据帧的开始两个位置保存拟合过的数据，对数据帧的其他数据进行差值编码。所述差值编码的步骤包括用当前数据减去前面的数据，若差值的绝对值小于16，则用差值和所代替的数据点数组成一个字节进行编码；如果差值的绝对值大于16同时小于127，则将此数据和此数据代替的数据个数用两个字节进行编码；如果差值的绝对值大于127，则当作错误处理。
由于采用了以上的方案，带来了如下的有益效果本发明使用数据动态增益与压缩方法实现数据在低速带宽下传输，特别是可实现医疗无线遥测监护中高采样率的心电(ECG)数据在低速带宽下传输，可以支持两通道200Hz采样率的12位ECG数据在4.8K波特率、有效传输率为50％的通讯状况下传输，对带宽要求不高，节省带宽开销，效率高、实时性强，实现成本低。
本发明采用纠错编码可以带来6dB以上的编码增益，其作用等效于把发射功率提高6dB，降低了误码率(10-3提高到10-6)；降低衰落信道影响，加强无线通讯的可靠性；采用交织纠错编码，可增加抗突发干扰能力，可以纠正连续20bit的突发干扰引起的错误。
本发明采用同步传输方式，解决医疗无线遥测监护中通讯可靠性问题，实现远距离可靠的数据传输。
本发明采用的技术方案对处理器的运算能力要求不高，16位处理器就可满足要求，实现成本低。
图1是本发明的无线传输通信流程示意图。
图2是本发明直线拟合示意图1。
图3是本发明直线拟合示意图2。
图4是本发明斜线拟合示意图。
图5是水平线斜线拟合示意图。
图6是水平拟合数据格式示意图。
图7是斜线拟合数据格式示意图。
图8编码格式示意图1。
图9编码格式示意图2。
具体实施方式下面通过具体的实施例并结合附图，说明本发明的方案，其整体的流程图请参考图1所示，具体过程如下一、动态增益本系统使用12位精度的AD进行信号采集，传输12数据需要更高的带宽，为节省带宽，适应系统要求，将其转换为8位数据传输。为了不降低数据的有效范围，要找到最合适的8位数据传输。实际上，对于大信号其低位数据意义不大，而对于小信号，其高位数据又全是0，也没有价值。因此本例采用动态增益方法，对一帧数据取出最有效的8位。具体做法是排列一帧12位数据，找出最大值，判断它的高位有几位是无效的，去掉这些位，在剩下的数据中取高8位；对这帧其他数据取相同位置的8位数据；从而实现12位数据到8位数据转换。
二、数据压缩采用水平线斜线混合拟合对做了动态增益的心电图(ECG)数据序列进行压缩，具体的压缩步骤如下1)水平线拟合对于输入的原始数据点s(0)，以它的数值作为标准(比较点)直到比较到s(3)，因此如果比较到s(3)后必须强制将比较点从s(0)变到s(4)，同时保存的数据为s(0)以及它能代替的数据点数3，如图2所示。
如果出现一次超过阈值的情况，就要终止以s(0)为比较点的比较过程，那么重新选取另一个比较点。超过阈值的点，将作为新的比较参考点。阈值δ分水平阈值和斜线阈值两种，其取值范围可由实验得出，取阈值越大，压缩比越高，但失真度越大。本例中水平阈值δ＝1，如图3所示，此时需要将s(3)作为比较点重新开始进行比较。
2)斜线拟合对于输入的原始数据点为s(0)，以它作为比较点，如果出现s(1)与s(0)的差值绝对值大于水平阈值的情况，那么就不能用水平线去拟合，而是要用斜线去拟合，如图4所示，可以看到如果s(1)与s(0)的差值如不超过本例的斜线阈值δ＝3，那么认为进入了斜线拟合状态。利用斜线拟合条件数据点递增或递减(s(1)-s(0))*(s(2)-s(1))＞0、差值在斜线阈值范围内||s(1)-s(0)|-|s(2)-s(1)||＜δ，去判断s(1)，是否可以用斜线代替，如果可以代替，也就是说对于s(0)、s(1)、s(2)来说s(1)并不是转折点，同时也不会偏离s(0)、s(2)组成的斜线，那么s(1)是没有必要保存的，就继续比较s(2)，如果可以替代，说明S(2)也不是s(1)、s(2)、s(3)这三个点的转折点，那么也可以不用保存，依次类推…，比较到S(3)点时，由于不符合阈值，可以看出s(3)点是s(2)、s(3)、s(4)的转折点，因此斜线拟合到此结束，斜线的起点已经在前面的拟合过程中保存过，不再保存，这样最后保存了斜线的终点s(3)，以及斜线代替的点数2，保存的并不是2，而是8，保存斜线代替的点数n，让其左移两位，就相当于保存斜线代替的点数乘4，以空出低两位的空间保存水平代替的点数(0～3)；这样保证低两位数据空出来为了后面再进行水平直线拟合，图中的情况就是保存s(3)，以及替代的点数2(实际保存的数值为8)。压缩后的数据也为8位的数据，根据ECG数据特征，一个输出数据可以代替很多个原始数据点。
3)水平线斜线混合拟合如果经过斜线拟合后(已经保存了斜线终点)出现了可以用水平直线拟合的情况，如图5所示。图中s(3)和代替点数2已经被保存，之后的数据点s(4)、s(5)与s(3)进行差值比较后发现可以用s(3)去替代，那么就是说s(3)被保存后，代替的数据点个数信息应该包含被斜线替代和被水平直线替代的个数信息，这样可以增加压缩比。
4)经过以上的数据拟合后，水平线拟合后得数据格式如图6所示。
5)经过以上的数据拟合后，得数据格式如图7所示。
6)编码部分对上面拟合数据进行编码，其过程如下每一个数据帧的开始两个位置将保存拟合过的数据而不进行编码，这是为了数据帧的其他数据进行编码。从数据帧的第三个字节开始进行编码。
7)如果是直线拟合，就利用差值编码方法。用当前数据减去前面的数据，若差值的绝对值小于16，那么就可以用差值和代替的数据点数组成一个字节进行编码，其格式如图8所示直线拟合标志0+差值符号+差值绝对值4bit+水平代替的数据点数2bit；如果大于16而小于127，就用两个字节编码；若差值大于127我们当成是异常点。
8)如果是直线拟合，就利用差值编码方法。用当前数据减去前面的数据，如果差值的绝对值大于16同时小于127(如果大于127当作错误处理)，那么将此数据和此数据代替的数据个数这两个字节用如图9所示的格式代替。
9)如果是斜线拟合的数据，那么就直接按照7)的方法进行编码。
三、交织纠错编码为了提高通信可靠性，本例采用前向纠错编码FEC(Forward ErrorCorrection)和循环冗余校验码CRC(Cyclic Redundancy Check)。为了纠正突发错误，又把每帧数据进行交织处理，使抗突发干扰能力增强。
位同步 帧同步 数据1…数据18 CRC16bit16bit8bit …8bit 16bit即先对18byte数据进行CRC编码，增加了2byte的校验位。然后每8bit数据添加4bit FEC编码校验位，最后再进行交织处理。整个信道编码过程为信息序列-CRC校验-FEC编码-交织-信道-解交织-FEC译码-CRC校验-信息序列。
1)CRC校验循环冗余校验码CRC(Cyclic Redundancy Check)，编码、检错算法简单且易于实现，CRC校验码的检错能力很强，它除了能检查出离散错外，还能检查出突发错。本例采用CRC-CCITT码，其生成多项式为g(x)＝x16+x12+x5+1 (1-1)关于CRC校验的原理在现有技术中多有论述，此处不再详细说明。
2)FEC编码对于帧中的数据信息采用了(12，8)扩展汉明码进行编码，即每8位数据增加4位校验码，能够纠正12位数据中的单个错误。
设要传输的汉明码为C，校验矩阵为H，伴随向量为S，那么HCT＝0T，取H为H=111011001000110100110100101110100010011101010001,]]>令C＝[D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 C3 C2 C1 C0]，其中D7-D0为数据位，C3-C0为校验位。
C3＝D7D6D5D3D2C2＝D7D6D4D1D0C1＝D7D5D4D3D1C0＝D6D5D4D2D0伴随向量S为S3＝D7D6D5D3D2C3S2＝D7D6D4D1D0C2S1＝D7D5D4D3D1C1S0＝D6D5D4D2D0C0在接收端，系统对接收到的数据计算S，如S3-S0均为0，则数据无错。如不为0则根据S的值决定错误位置并纠正。其伴随向量与出错位置的对应关系如下表所列。
表1伴随向量与出错位置对应表3)交织编码为了克服突发错误，对编码后的数据进行交织处理，对应于(12，8)扩展汉明码，交织采用20×12的矩阵。
a1a2a3... a11a12a14a13a15... a23a24. . . ..
a217a218a219... a227a228a229a230a231... a239a240在发送端，编码序列在进行调制之前，将输入序列逐行存入矩阵，存满以后，按列的次序取出，再进行调制。接收端收到后先将序列存到一个与发端相同的交织寄存器矩阵，但按列的次序存入，存满以后，按行的次序取出然后进行解码。
FEC编码结合交织法，可完成纠正群差错的任务。按此交织方案，交织深度为20，由于交织措施，送入解码器的差错被分解开了，每组只分配到一个。因为所采用的(12，8)汉明码能够纠正一个错误，所以在接收端去交织将突发误码离散化后，在一个码阵共240bit中可以纠正单串不超过20bit或者纠正多串总长度不超过20bit的误码。
四、同步传输采用同步传输对经前述处理的数据进行无线发射。
在远端，接收机对无线数据进行接收，该数据再经过解交织纠错编码、解压缩、解动态增益后，再经过数据处理，还原为各项采集到的生理参数数值。
权利要求
1.一种无线数据传输方法，包括如下步骤1)系统进行数据采集，2)对所述数据进行动态增益处理，3)数据压缩，4)交织纠错编码，5)无线发射。
2.如权利要求1所述的无线数据传输方法，其特征是，所述步骤3)数据压缩的过程包括A)采用拟合方法对数据进行第一次压缩，B)对经所述拟合后的数据进行编码，实现二次压缩。
3.如权利要求1或2所述的无线数据传输方法，其特征是，所述步骤4)交织纠错编码的过程包括在发射端，对数据进行循环冗余校验，再进行前向纠错编码，对前述编码后数据进行交织处理；在接收端，交织纠错编码过程是发射段的反过程。
4.如权利要求1或2所述的无线数据传输方法，其特征是，所述步骤2)动态增益处理过程包括系统对采集到的每帧12位精度数据找出最大值，判断并去掉其无效的高位，在剩下的数据中取高8位；对该帧其他数据取相同位置的8位数据。
5.如权利要求2所述的无线数据传输方法，其特征是所述步骤5)的无线发射采用同步传输方式。
6.如权利要求2所述的无线数据传输方法，其特征是所述步骤A)拟合方法采用水平线拟合、斜线拟合、水平线斜线混合拟合方法。
7.如权利要求2所述的无线数据传输方法，其特征是，所述步骤B)编码过程包括对每一个数据帧的开始两个位置保存拟合过的数据，对数据帧的其他数据进行差值编码。
8.如权利要求6所述的无线数据传输方法，其特征是，所述水平线拟合的过程包括确定水平阈值和斜线阈值，以输入的原始数据第一个点作为标准比较点，用第二个数据点与其比较，若其差值绝对值小于水平阈值，则该数据点用标准比较点代替；若差值绝对值大于水平阈值而且小于斜线阈值，且连续三点同向走向递增或递减，则采用斜线拟合；否则，第二个点将作为新的标准比较点，进入下一拟合方式判断。
9.如权利要求6所述的无线数据传输方法，其特征是，所述水平线拟合的过程包括选取标准比较点，对比较点后输入的数据点进行比较，若比较结果小于水平阈值，则该数据点用标准比较点代替；若比较结果超出水平阈值，则取该数据点取为新的标准比较点，进入下一拟合过程。
10.如权利要求6所述的无线数据传输方法，其特征是，所述斜线拟合过程包括选取标准比较点，对标准比较点后输入的数据点进行比较，当被比较点数据与标准比较点数据的差值绝对值大于水平阈值而且小于斜线阈值，且连续三点同向走向递增或递减，被比较数据点由标准比较点代替；若比较结果大于斜线阈值，则该数据点作为新的标准比较点，进入下一拟合过程。
11.如权利要求7所述的无线数据传输方法，其特征是，所述差值编码的步骤包括用当前数据减去前面的数据，若差值的绝对值小于16，则用差值和所代替的数据点数组成一个字节进行编码；如果差值的绝对值大于16同时小于127，则将此数据和此数据代替的数据个数用两个字节进行编码；如果差值的绝对值大于127，则当作错误处理。
12.如权利要求8-10中任一项所述的无线数据传输方法，其特征是，所述水平线斜线混合拟合过程包括如果经过斜线拟合后，在已经保存的斜线终点后，出现了可以用水平直线拟合的情况，则标准比较点代替的数据点个数信息包括被斜线替代和被水平线替代的个数信息。
全文摘要
本发明公开了一种无线数据传输方法，包括如下步骤1)系统进行数据采集，2)对所述数据进行动态增益处理，3)数据压缩，4)交织纠错编码，5)无线发射。本发明使用数据动态增益与压缩方法，可实现医疗无线遥测监护中高采样率的心电(ECG)数据在低速带宽下传输，可以支持两通道200Hz采样率的12位ECG数据在4.8K波特率、有效传输率为50％的通讯状况下传输，对带宽要求不高，节省带宽开销，效率高、实时性强，实现成本低。采用交织纠错编码，可增加抗突发干扰能力，可以纠正连续20bit的突发干扰引起的错误。
文档编号H03M13/00GK101046917SQ20061003474
公开日2007年10月3日 申请日期2006年3月27日 优先权日2006年3月27日
发明者熊志强, 钟遥, 佘云慧, 周赛新, 陈宏 , 左月萍 申请人:深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司