This dissertation presents two energy-efficient data transceivers utilizing a human body itself as a data transmission medium, called body-coupled communication (BCC) technology, for body area network applications. Firstly, for point-to-point data communications applicable to multimedia data transmission, the proposed BCC scheme is based on wideband signaling (WBS) and adopts a direct-coupled interface (DCI) with only a single electrode of $50-\omega$ impedance. The channel investigation with the DCI identifies an optimum channel bandwidth of 10-kHz to 100-MHz. A WBS communication link is modeled to specify link parameters for the energy-efficient data transmission. A low power WBS transceiver includes a direct digital transmitter, a receiver analog front-end (AFE) and an all-digital clock and data recovery (CDR) circuit. To further reduce power consumption, the AFE employs a low power wideband op amp and the CDR circuit incorporates a low-voltage digitally-controlled oscillator and a quadratic sampling technique. The WBS transceiver chip with a $0.25- \mu m$ standard CMOS technology has 2-Mb/s data rate at a bit error rate of $10^{-7}$, dissipating only 5-mW from a 1-V supply. Its bit energy achieves 2.5-nJ/b, 26 times more efficient than other BCC transceivers. The transmission of MP3 audio data through the human body is successfully demonstrated by using the prototype WBS transceiver chip with the proposed BCC scheme.
Secondly, an energy-efficient PHY transceiver is presented for point-to-multipoint data communications in body sensor networks applicable to healthcare monitoring. An energy model of the PHY transceiver is proposed and its architecture is optimized by a scalable spreading factor with respect to bit energy efficiency. The scalable spreading and modulation technique exploits 3-level pulse position modulation and direct sequence spreading spectrum to deliver various physiological signals in wide data rate range. The dedicated packet format is designed to minimize the synchronization time and to facilitate the realization of an energy-efficient receiver. In order to reduce the power consumption of each building block, the AFE exploits pulse detection and cross-delayed sampling techniques. The digital basedband has a scalable architecture with hierarchical block gating scheme. The $0.18-\mu m$ CMOS PHY transceiver chip operates up to 10-Mb/s while consuming 2.6-mW in average from a 0.9-V supply. Therefore, the transceiver consumes a bit energy of 0.14-nJ/b, which is 9 times more efficient than the WBS transceiver.
반도체와 통신 기술의 발달로 다양한 형태의 이동형 및 착용형 기기가 등장하면서 사용하기에 간편하고 효율적인 데이터 통신 기술이 필요하다. 본 논문은 이동형 및 착용형 또는 내장형 기기간의 인체 영역 네트워크를 위하여 인체를 데이터 전송 매질로 사용하는 에너지 효율적인 데이터 송수신기의 설계 및 구현에 대한 것이다. 인체 통신 채널의 특성을 시간과 주파수 영역으로 파악하여 인체 통신 채널이 펄스 방식의 전송과 약 100-MHz의 대역통과 주파수 특성을 보인다는 것을 검증하였다. 이러한 채널에 적합한 하나의 전극을 사용하는 광대역 시그널링 (WBS) 기술을 제안하였으며, 거리에 따른 1:1 통신 링크에 대한 이론적 분석을 통하여 송수신기의 이론적인 성능지표를 결정하였다. 또한, WBS 송수신기의 소비전력을 줄이기 위해서 Low Power Op Amp, All-Digital CDR Architecture, Low-Voltage DCO, Quadratic Sampling Technique 등의 다양한 저전력 회로 기술을 제안하였다. $0.25-\mu m$ CMOS 공정으로 구현된 WBS 송수신기 칩은 5-mW 소비전력으로 2-Mb/s의 전송 속도의 성능을 보였는데, 이는 기존의 인체 통신용 송수신기보다 25배 이상의 에너지 성능 향상을 가진다. 구현된 칩을 사용한 MP3 Player 데모 보드를 제작하여 실제로 인체를 통한 MP3 오디오 전송을 시연하였다. 또한 본 논문에서는 멀티미디어 전송과 더불어 인체 통신의 또 다른 용도로서 인체 영역에서 착용형 및 내장형 바이오 센서를 사용한 건강 모니터링을 위한 물리층 송수신기를 설계 및 구현하였다. 각 센서 노드들끼리 1:N 데이터 통신을 하기 위하여 인체 통신 채널에 적합한 Scalable Spreading & Modulation 기법인 3-Level PPM with DSSS 기술을 제안하였으며, PHY 에너지 모델을 수립하여 Scalable Spreading Factor에 의한 비트 에너지의 최적화에 대해서 이론적인 분석을 하였다. Cross-Delayed Sampling, Hierarchical Block Gating, Clock-Gated D Flip-Flop 등의 각 구성 블럭들에 적합한 다양한 회로 기술을 제안하여 전체적으로 PHY 송수신기의 소비전력을 줄일 수 있었다. 0.18-um CMOS 공정으로 구현된 PHY 송수신기 칩은 2.6-mW 평균소비전력에서 최대 10-Mb/s까지 가변적인 전송 속도를 보였으며 이전에 제안한 WBS 송수신기보다 9배 이상 효율적인 0.14-nJ/b의 비트 에너지 성능을 달성하였다.
