Valutazione di Architetture a Modulazione di Fase per il Trasferimento Wireless di Dati e Potenza a Canale Singolo negli Impianti Cocleari

The new generation of Active Implantable Medical Devices (AIMDs) is shifting toward Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) to improve patient safety and quality of life. In these devices, inductive coupling is the most promising method for wireless power transfer, particularly at frequencies in the tens of MHz, where power dissipation is minimized and specific absorption rate constraints are fulfilled. Among AIMDs, cochlear implants are a well-established technology, requiring a maximum power of 100 mW and a downlink data rate between 500 kbps and 1 Mbps, often employing a 13.56 MHz carrier frequency. To keep the system simple and reduce interference, single-channel SWIPT systems, where power and data share the same transmission channel, are preferred over multi-channel approaches. However, limited scientific evidence exists on single-channel SWIPT implementations for cochlear implants at 13.56 MHz, primarily due to the trade-off between data transmission rate and Power Transfer Efficiency (PTE). This trade-off is due to the high quality factor required for efficient inductive power transfer, which narrows the available bandwidth and limits the data rate. To address this challenge, further investigation is needed to understand the limitations and feasibility of single-channel SWIPT, especially regarding the impact of data rate on PTE. This work explores the data rate–power efficiency trade-off in a low carrier frequency, single-channel SWIPT system, taking cochlear implant requirements as a case study. The study is based on an experimentally validated inductive link operating at 13.56 MHz, designed to deliver up to 200 mW of power. The research begins by evaluating modulation schemes to identify the most bandwidth-efficient approach. Phase modulation appears to be the most promising option. Next, two transmitter architectures are investigated: a conventional BPSK modulator, commonly used for phase modulation in wireless power transmission systems, and a Class-E power amplifier-based BPSK modulator, a novel approach with potential for higher data rates but limited support in the literature. These architectures are compared through simulations, evaluating their bandwidth, achievable data rates, overall efficiency, link efficiency, and practical feasibility. The results show that the conventional BPSK modulator has higher PTE at the target data rate due to its wider bandwidth, while the Class-E power amplifier-based modulator allows for higher data rates but leads to higher power loss, primarily due to a lack of impedance matching between the power amplifier and the transmission coil. From these results, the conventional BPSK modulator is recommended for cochlear implants, as it provides a more reliable and energy-efficient solution. Future work should investigate higher-order phase modulation schemes and validate the findings through experimental implementations. The methodology and results presented in this work can also serve as a foundation for similar SWIPT applications in other AIMDs.

La nuova generazione di dispositivi medici impiantabili attivi (Active Implantable Medical Devices, AIMD) si sta orientando verso il trasferimento simultaneo di dati e potenza wireless (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer, SWIPT) per migliorare la sicurezza e la qualità della vita dei pazienti. In questi dispositivi, l'accoppiamento induttivo è il metodo più promettente per il trasferimento di potenza wireless, in particolare a frequenze dell'ordine delle decine di MHz, dove la dissipazione di potenza è ridotta al minimo e i vincoli riguardanti il tasso di assorbimento specifico sono soddisfatti. Tra gli AIMD, gli impianti cocleari sono una tecnologia consolidata, che richiede una potenza massima di 100 mW e una velocità di trasmissione dati in downlink compresa tra 500 kbps e 1 Mbps, spesso utilizzando una frequenza portante di 13,56 MHz. Per semplicità e per ridurre le interferenze, i sistemi SWIPT a canale singolo, in cui potenza e dati condividono lo stesso canale di trasmissione, sono preferiti agli approcci multicanale. Tuttavia, vi sono prove scientifiche limitate sulle implementazioni SWIPT a canale singolo per gli impianti cocleari a 13,56 MHz, soprattutto a causa del trade-off tra velocità di trasmissione dei dati ed efficienza di trasferimento della potenza (Power Transfer Efficiency, PTE). Questo compromesso è dovuto all'elevato quality factor richiesto per un efficiente trasferimento induttivo di potenza, che restringe la larghezza di banda disponibile e limita la velocità di trasmissione dei dati. Per affrontare questa sfida, sono necessarie ulteriori indagini per comprendere i limiti e la fattibilità dello SWIPT a canale singolo, in particolare per quanto riguarda l'impatto della velocità di trasferimento dei dati sul PTE. Questo lavoro esplora il trade-off tra velocità di trasmissione dei dati ed efficienza energetica in un sistema SWIPT a canale singolo con una bassa frequenza portante, considerando i requisiti di un impianto cocleare. Lo studio si basa su un link induttivo validato sperimentalmente che opera a 13,56 MHz, progettato per erogare fino a 200 mW di potenza. Lo studio inizia con una valutazione degli schemi di modulazione per identificare l'approccio più efficiente in termini di larghezza di banda. La modulazione di fase risulta essere l'opzione più promettente. Successivamente, vengono analizzate due architetture di trasmettitori: un modulatore BPSK convenzionale, comunemente utilizzato per la modulazione di fase nei sistemi wireless di trasmissione di potenza, e un modulatore BPSK basato su un amplificatore di potenza di classe E, un approccio nuovo con del potenziale per velocità di dati più elevate, ma con un supporto limitato in letteratura. Queste architetture sono state confrontate attraverso simulazioni, valutando la larghezza di banda, le velocità di trasmissione dati raggiungibili, l'efficienza complessiva, l'efficienza del link e la fattibilità. I risultati mostrano che il modulatore BPSK convenzionale ha un PTE più elevato alla velocità di trasmissione dei dati desiderata, grazie alla sua larghezza di banda più ampia, mentre il modulatore basato sull'amplificatore di potenza di classe E raggiunge velocità di trasmissione dei dati più elevate, ma comporta una maggiore perdita di potenza, principalmente a causa della mancanza di matching di impedenza tra l'amplificatore di potenza e la bobina di trasmissione. Grazie a questi risultati si può affermare che il modulatore di fase convenzionale è consigliato per gli impianti cocleari, in quanto fornisce una soluzione più affidabile ed efficiente dal punto di vista energetico. I lavori futuri potrebbero studiare schemi di modulazione di fase di ordine superiore e validare i risultati attraverso implementazioni sperimentali. La metodologia e i risultati presentati in questo lavoro possono servire anche come base per applicazioni SWIPT simili in altri AIMD.