摘要

       本文介紹了一種基于數(shù)字解調(diào)器和JESD204B接口的多通道超聲系統(tǒng)接收方案,。該方案大量地降低了模擬前端(AFE)的輸出數(shù)據(jù)率,，同時減少了模擬前端和數(shù)字電路之間的物理連線數(shù)目高達80%,。另外，采用該種方案的超聲系統(tǒng)可以實現(xiàn)更多目標,，比如采用成本更低且計算效率較低的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA),、通過使用軟件波束合成和更高階多波束處理可以實現(xiàn)實時4D和高級影像模式。

簡介

隨著醫(yī)療超聲在醫(yī)學診斷領域的廣泛應用,，醫(yī)生對超聲系統(tǒng)的圖像質(zhì)量有了越來越高的要求,，而提高圖像質(zhì)量的最重要指標之一就是提高接收通道的信噪比。接收通道數(shù)每增加一倍,，理論上來說信噪比可以提高3dB, 所以提高信噪比的一個最簡單有效的辦法就是增加通道數(shù),。目前128通道已經(jīng)成為中高端醫(yī)療超聲設備的主流配置，而192或者更多通道數(shù)會是高端設備的一個趨勢,。隨著通道數(shù)的增加,，模擬前端和后端數(shù)字處理部分之間的數(shù)據(jù)量和物理連線急劇增加，使得數(shù)字電路器件的端口數(shù)量,、處理能力,、成本以及整個接收電路設計復雜度，功耗也相應地水漲船高,。目前的超聲系統(tǒng)基本采用射頻 (RF) 波束合成的方法,，輸出的數(shù)據(jù)量完全由模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)的分辨率、采樣速率以及通道數(shù)目決定,；同時超聲模擬前端(AFE)通常使用低電壓差分信號(LVDS)輸出接口,，一個8通道的AFE需要8對LVDS數(shù)據(jù)線加上位時鐘和幀時鐘各一對。對于一個128通道以上的系統(tǒng)而言,，數(shù)據(jù)量和物理連線非?？捎^。

本文提出了一種基于數(shù)字解調(diào)器和JESD204B的AFE前端的超聲系統(tǒng)接收通道設計方案,，有效地解決了上面提及的大數(shù)據(jù)量和復雜物理連接給系統(tǒng)帶來的設計困難,。。

系統(tǒng)架構(gòu)

超聲系統(tǒng)由超聲探頭（換能器）,、發(fā)射電路,、接收電路,、后端數(shù)字處理電路、控制電路和顯示模塊等組成,。圖1是128通道的基于JESD204B超聲系統(tǒng)發(fā)射和接收通道的框圖。數(shù)字處理部分,，通常是在線可編程邏輯陣列(FPGA),，會根據(jù)系統(tǒng)當前的配置和控制參數(shù)，產(chǎn)生相應的發(fā)射波形,，通過發(fā)射電路中的驅(qū)動和高壓電路產(chǎn)生高壓來激勵超聲探頭的換能器,，通常是壓電陶瓷，換能器將電壓信號轉(zhuǎn)換為超聲波進入人體,，同時接收人體產(chǎn)生的回波轉(zhuǎn)換成電壓信號并傳輸至發(fā)射接收切換電路,，發(fā)射接收切換電路的主要目的是防止發(fā)射高壓損壞低壓的接收模擬前端。模擬前端將輸入模擬信號進行調(diào)理,，放大,，濾波，由AFE所帶的ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,，通過JESD204B高速接口送到后端數(shù)字部分進行相應處理,，并最終生成超聲圖像。該系統(tǒng)的接收通道由128通道的發(fā)送接收切換電路,，16片帶數(shù)字解調(diào)器和JESD204B接口的8通道集成AFE以及一片帶JESD204B接口的FPGA組成,。

圖1. 128通道超聲發(fā)射接收電路框圖

2 新型集成數(shù)字解調(diào)器和JESD204B接口的超聲模擬前端可使數(shù)據(jù)率和接口連接線最多降低80%

圖2.AD9671功能框圖

AD9671：集成數(shù)字解調(diào)器和JESD204B接口的8通道超聲AFE

本文介紹的超聲系統(tǒng)接收電路中，選擇使用美國ADI公司的8通道集成數(shù)字解調(diào)器和JESD204B接口的超聲模擬前端AD9671芯片,。它內(nèi)置8通道的可變增益放大器(VGA),、低噪聲放大器(LNA)、具有可編程相位旋轉(zhuǎn)和諧波抑制功能的連續(xù)波(CW) I/Q解調(diào)器,、抗混疊濾波器(AAF),、14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、用于處理數(shù)據(jù)和降低帶寬的數(shù)字解調(diào)器和抽取器,，以及JESD204B接口,。圖2為AD9671的功能框圖。

圖3.數(shù)字解調(diào)器框圖

數(shù)字解調(diào)器

數(shù)字解調(diào)器由基帶解調(diào)器和包含低通濾波器的基帶抽取器組成,?；鶐Ы庹{(diào)器將ADC輸出的RF信號通過正交解調(diào)轉(zhuǎn)換成I/Q信號，基帶抽取器將通過設置低通濾波器的帶寬濾除高頻信號,，選擇保留對超聲圖像有用的信號,。圖3是數(shù)字解調(diào)器的框圖。

JESD204B接口

AD9671的數(shù)字輸出接口完全遵循JESD204B,，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器串行接口標準,。AD9671的JESD204B接口可以靈活地支持1線,、2線和4線模式與后端數(shù)字處理部分的FPGA進行相連，最大可以輸出5.0Gbps的數(shù)據(jù)率,。

系統(tǒng)設計與應用

本節(jié)主要介紹基于AD9671的多通道超聲系統(tǒng)的接收電路設計,，從而進一步分析使用數(shù)字解調(diào)器和JESD204B接口對系統(tǒng)應用帶來的好處。

接收電路設計

基于ADI的AD9671,，一個32通道的接收電路模塊被設計用來驗證系統(tǒng)的可行性,，利用4個該模塊可以構(gòu)成128通道的超聲系統(tǒng)接收通道。該模塊的頂層原理圖如圖4所示,。使用該模塊可以跟后端的FPGA通過專用的FMC連接器相連,，進行數(shù)據(jù)的讀取和處理，以及超聲信號的處理和圖像生成,。

圖4.接收電路頂層框圖

數(shù)字解調(diào)器應用分析

對于一個128通道的超聲系統(tǒng),，如果采用采樣速率為40 MSPS的14位ADC，使用傳統(tǒng)的RF波束合成算法,，通過ADC轉(zhuǎn)換之后的RF數(shù)據(jù)直接輸出到波束合成模塊,，那么在ADC輸出與實現(xiàn)波束合成的FPGA之間的數(shù)據(jù)率是14*40*128=71.68Gbps.

下面將分析采用數(shù)字解調(diào)器的優(yōu)勢。

數(shù)字解調(diào)器的基帶解調(diào)器進行正交解調(diào),，將ADC輸出的數(shù)字化的RF信號乘以一個復數(shù)正弦信號,其中 是解調(diào)頻率,，可以取為超聲探頭的中心頻率，將中心頻率下變頻到0Hz,。這樣得到實部I和虛部Q數(shù)據(jù),。將此探頭中心頻率及其附近有用帶寬內(nèi)的頻率信號下變頻到一個0Hz左右后，再利用基帶抽取器中的濾波器濾除無用的頻率,，保留對生成超聲圖像有用的頻段信息,。

一個中心頻率是3.5MHz的探頭傳感器，經(jīng)過基帶解調(diào)和抽取之后,，輸出16位格式的I和Q數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)速率為2 (I&Q) × 16 位 × 3.5 MHz × 128 個通道 = 14.336 Gbps。相比原來的71.68 Gbps,，即使是I和Q兩個通道同時輸出,，也整整減少了80%的數(shù)據(jù)率。

JESD204B接口應用分析

對于目前多通道超聲系統(tǒng)應用中的AFE和ADC而言,，LVDS早已取代并行接口輸出,，然而，對于128通道以上的超聲系統(tǒng)而言,，ADC輸出的大量LVDS線的扇出問題仍然是一個讓設計工程師頭痛的問題,。目前的超聲AFE基本都是8通道集成芯片，一個AFE需要輸出10對線，對于一個128通道的超聲系統(tǒng)而言,，需要128/8*10=160對LVDS數(shù)據(jù)和時鐘線連接到FPGA,。

下面將分析采用JESD204B接口的優(yōu)勢。

由于JESD204B采用16位數(shù)據(jù)格式輸出,，并需要8到10位轉(zhuǎn)換,，對于一個AFE, 8通道14位40MHz采樣率的輸出信號，數(shù)據(jù)率是20*40*8=6.4Gbps,。AD9671的JESD204B接口每對線支持的最大速率是5.0Gbps,，那么只需要2對線就可以完成8通道的數(shù)據(jù)輸出。那么對于一個128通道的超聲系統(tǒng)來說,，所需的輸出數(shù)據(jù)線只需要128/8*2=32對。相比于160對的LVDS線,，整整減少了80%的物理連線,。

結(jié)論：本文介紹了一種基于AD9671的多通道超聲系統(tǒng)設計，AD9671是一款8通道帶有數(shù)字解調(diào)器和JESD204B接口的AFE,。同時,，本文還分別分析了在超聲系統(tǒng)中，采用這種AFE與數(shù)字解調(diào)器和JESD204B接口帶來的優(yōu)勢,。與目前基于RF波束合成和LVDS接口的設計相比,，模擬前端與數(shù)字處理器件之間的數(shù)據(jù)速率和接口連線均能減少80%。如果在分析中將兩種方法結(jié)合起來,，則物理連接數(shù)甚至可以進一步減少,。因此，本文介紹的系統(tǒng)設計通過減少數(shù)據(jù)接口物理連線所需的電路板面積和降低計算復雜性,，從而有效地簡化電路設計和軟件處理復雜性,以及降低系統(tǒng)設計成本,。