3、信号链架构：模拟前端(AFE)架构、数字处理链路、无线传输链路、系统功耗预算
好，我们进入第三章。这一章我打算把整个医疗贴片的信号链拆开来讲。你想想看，一个贴片戴在胸口，要测到微伏级的心电信号，还要无线发出去，电池就那么一小块——这中间的每一环都是挑战。
我个人习惯把信号链分成三段来看：模拟前端负责把生物信号抓出来，数字链路负责处理干净，无线链路负责送出去。最后，这三段加在一起，得算一笔功耗账。
3.1 模拟前端(AFE)架构
模拟前端是整个系统的入口。说白了，就是传感器之后、ADC之前的那部分电路。我做过好几个医疗贴片项目，每次最头疼的就是这里——信号太小，噪声太大。
典型的AFE架构包含以下几个关键模块：
- 仪表放大器(INA)：第一级放大，提供高共模抑制比(CMRR)。我建议CMRR至少做到100dB以上，否则工频干扰会让你抓狂。
- 高通滤波器：通常放在第一级之后，用来滤除电极直流偏置。截止频率设在0.5Hz左右比较合适。
- 可编程增益放大器(PGA)：根据信号幅度动态调整增益。嗯，这里要注意，增益步进不要太大，6dB一步就挺好。
- 低通滤波器：抗混叠用的。对于心电信号，截止频率设在100-150Hz就够了。
关键指标：
- 输入参考噪声：< 1μVrms（0.5-100Hz）
- CMRR：> 100dB
- 输入阻抗：> 10MΩ
- 增益范围：20-60dB
我曾经在一个项目中，AFE的输入阻抗做低了，结果电极接触不良时信号直接漂到天上去。后来我把输入阻抗提到了100MΩ，问题才解决。所以，输入阻抗这块千万别省。
3.2 数字处理链路
模拟信号进来之后，经过ADC变成数字域。数字处理链路的主要任务就是：去噪、提取特征、压缩数据。
我常用的数字处理流程是这样的：
- 数字滤波：先做一个50Hz/60Hz的陷波滤波器，把工频干掉。然后再做一个0.5-100Hz的带通滤波器。
- 基线漂移校正：用中值滤波或者高通滤波把基线拉平。我试过很多方法，最后还是觉得中值滤波最稳。
- QRS检测：如果要做心率分析，这里需要加一个QRS波群检测算法。Pan-Tompkins算法虽然老，但胜在稳定。
- 数据压缩：无线传输带宽有限，得把数据压一压。我推荐用LZSS或者简单的差分编码，压缩比能做到3:1左右。
我的经验：数字滤波器的阶数不要太高。我曾经为了追求滤波效果，用了8阶的IIR滤波器，结果相位失真搞得QRS波都变形了。后来换成4阶，效果反而更好。
ADC的选型也很关键。对于心电信号，12位精度基本够用，采样率设在250-500Hz。如果你要做起搏器检测，那得提到1000Hz以上。
3.3 无线传输链路
信号处理完了，怎么送出去？医疗贴片常用的无线方案有几种：
| 方案 | 功耗 | 速率 | 距离 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| BLE 4.2/5.0 | ~5mA（峰值） | 1Mbps | 10m | 消费级医疗贴片 |
| ANT+ | ~3mA（峰值） | 60kbps | 10m | 运动监测 |
| NFC | 无源 | 106kbps | 10cm | 一次性贴片 |
| 私有2.4G | ~2mA（峰值） | 250kbps | 20m | 医院专用设备 |
我个人最常用的是BLE。原因很简单：手机直接连，不需要网关。但要注意，BLE的广播功耗其实不小。我建议把广播间隔拉到100ms以上，能省不少电。
注意：无线传输的丢包问题。医疗数据不能丢，一定要加ACK重传机制。我曾经遇到过BLE连接不稳定，丢包率到10%的情况，后来加了重传和缓存，才把丢包率压到0.1%以下。
3.4 系统功耗预算
好，前面三段都讲完了。现在我们来算一笔账——整个系统到底能撑多久？
假设我们用的是CR2032纽扣电池，容量大约220mAh。目标续航是7天，那平均电流就不能超过：
220mAh / (7天 × 24小时) ≈ 1.3mA嗯，1.3mA。这个数字很紧张。我们来看看各部分怎么分：
| 模块 | 工作电流 | 占空比 | 平均电流 |
|---|---|---|---|
| AFE + ADC | 200μA | 100% | 200μA |
| MCU（处理） | 500μA | 50% | 250μA |
| BLE（发送） | 5mA | 5% | 250μA |
| BLE（广播） | 3mA | 10% | 300μA |
| 其他（LED等） | 100μA | 10% | 10μA |
| 总计 | ~1.01mA |
你看，1.01mA，还在预算内。但这是理想情况。实际项目中，电池容量会衰减，无线环境会变差，占空比会升高。我建议留出20%的余量。
省电技巧：
- AFE不用的时候关掉。心电信号不是每时每刻都要采，可以间歇工作。
- MCU用低功耗模式。处理完数据就睡，用RTC唤醒。
- BLE的数据包尽量打包发送。一次发多个数据，比多次发一个数据省电得多。
我曾经做过一个项目，功耗预算算得死死的，结果发现BLE的广播电流比预想的大了一倍。后来我把广播间隔从50ms拉到200ms，功耗才降下来。所以，实际测试很重要，别光靠算。
好了，这一章就到这里。信号链的架构和功耗预算，说白了就是平衡的艺术——性能要够，功耗要低，成本要省。下一章我们聊聊具体的电路设计和PCB布局，那才是真正见功夫的地方。