INTRODUZIONE
Il mondo delle Telecomunicazioni, negli ultimi anni, ha dato un notevole impulso alle attività di ricerca nel settore wireless, rendendolo una vera e propria punta angolare della società dell’Informazione.
I motivi di un così notevole interesse sono da ricercarsi nella grande flessibilità di questi dispositivi che, anche in assenza di infrastrutture preesistenti, riescono ad insediarsi con costi di installazione e manutenzione abbastanza contenuti.
Le applicazioni più comuni e più commercializzate attualmente riguardano le WLAN (Wireless Local Area Network), in grado di garantire connettività tra più dispositivi in una certa area di copertura. A seconda dell’estensione di tale area, si distinguono le varie tipologie di rete a partire dalle PAN (Personal Area Network), che garantiscono servizio di copertura in un raggio di pochi metri, fino alle WAN (Wide Area Network) per le quali è prevista una vasta area di copertura.
L’IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) si è occupato, nel corso degli anni, di sancire gli standard di tali tecnologie. Tra i principali ricordiamo l’IEEE 802.11 (Wi-Fi), l’IEEE 802.15 (PAN) e l’IEEE 802.16 (WiMAX).
Negli ultimi tempi questi standard si sono evoluti in parallelo allo sviluppo tecnologico e alle nuove idee per l’utilizzo di tali dispositivi.
Tra i molti rami di studio che sono nati recentemente, vogliamo qui rivolgere la nostra attenzione ai sistemi UWB (Ultra-Wide Band), ossia una tecnologia sviluppata per trasmettere e ricevere segnali mediante l'utilizzo di impulsi di durata estremamente ridotta (da poche decine di picosecondi a qualche nanosecondo). Questi treni di impulsi producono forme d’onda ad ampio spettro, ed è proprio da qui che nasce il nome.
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- Introduzione -
Per essere più precisi in questi casi si parla di UWB-IR (Impulse Radio); nella tesi trascuriamo questa notazione indicando questi sistemi col semplice acronimo UWB.
Questi dispositivi standardizzati nell’IEEE 802.15.4a sono nati inizialmente con l’obiettivo di permettere, oltre alla normale comunicazione, l’uso di tecniche raffinate di ranging e di positioning. Inoltre, poiché gli impulsi UWB sono estremamente brevi, essi sono in grado di trasmettere una notevole quantità di dati nelle reti multiutente. Gli impulsi UWB risultano poi anche relativamente immuni da effetti indesiderati, come la cancellazione del segnale prodotta da riflessioni multiple (multipath) osservata in altri sistemi di radiocomunicazione.
I sistemi UWB sono quindi particolarmente adatti per applicazioni di reti mobili ad elevata densità e con alta capacità trasmissiva e possono operare per piccole e brevi distanze (d<100 m).
Un’altra caratteristica importante è che i sistemi UWB hanno il vantaggio di assorbire bassa energia.
Infine il vantaggio principale risiede nella semplicità ed economicità di questi sistemi, che sono quasi immuni da interferenze esterne e difficilmente intercettabili.
Una descrizione esaustiva la rimandiamo al Capitolo 1, per ora vogliamo solo soffermarci sugli aspetti di utilizzo presi in considerazione in questo lavoro di tesi.
Obiettivo della Tesi
Come sopra abbiamo accennato le possibili applicazioni di questi sistemi di nuova concezione sono molte.
In particolare, lo scopo di questa tesi è fondamentalmente quello di dimostrare che, tramite i sistemi UWB, si può fornire una stima della frequenza cardiaca e di quella respiratoria di un essere umano.
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- Introduzione -
L’obiettivo, anche se evade dalle normali applicazioni per cui i sensori UWB sono stati finora progettati, risulta essere di notevole interesse in diversi settori, laddove il monitoraggio delle attività vitali umane può incidere sulla sicurezza e l’incolumità degli individui stessi.
Potremmo pensare, ad esempio, ad una sala ospedaliera in cui un sensore UWB esterno monitorizza il battito del cuore e il respiro di un paziente sotto operazione (senza doverlo ricoprire di elettrodi e fili!). Oppure ad un pompiere che in missione di salvataggio indossa sulla pelle un sensore, che in qualche modo comunica le sue attività vitali al centro di coordinamento delle operazioni.
Un altro esempio ancora potrebbe essere quello di monitorare il conducente di un’autovettura e prevenire che questo si addormenti osservando l’andamento del battito cardiaco…
Naturalmente potremmo ora citare molte situazioni ed ognuna delle quali richiederebbe un’attenta analisi del caso specifico.
Questo però evade dall’obiettivo della tesi.
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- Introduzione -
Infatti in questo lavoro ci limitiamo ad analizzare per via teorica e simulativa, la struttura di un ricetrasmettitore UWB e delle tecniche sperimentali di signal processing, al fine di ricavare le informazioni di nostro interesse dall’eco proveniente dal cuore e dal polmone.
Come si intuisce le problematiche relative all’approccio di questo sistema di trasmissione sono molte. Nel seguito verranno proposti e implementati degli algoritmi di stima le cui prestazioni saranno analizzate tramite simulazioni.
Questo è un progetto senza dubbio ambizioso e di enorme complessità, che nel futuro dovrà essere ovviamente rivisitato, sulla base di sperimentazioni applicate ai vari casi pratici. Resta comunque evidente dagli studi qui effettuati che la stima della frequenza cardiaca e respiratoria è alla portata di questi sensori UWB e che la riuscita dello scopo rappresenterebbe un notevole traguardo nel campo della sicurezza di ogni individuo sotto monitoraggio.
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