文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.020
中文引用格式： 俞毅剛，Gina Kelso，Saad Ashraf. 基于數字解調器和JESD204B的多通道超聲系統(tǒng)設計[J].電子技術應用，2016，42(11)：77-79.
英文引用格式： Yu Yigang，Gina Kelso，Saad Ashraf. A multi-channel ultrasound system design based on digital demodulator and JESD204B[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：77-79.
0 引言
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)的圖像質量有了越來越高的要求，而提高圖像質量的最重要指標之一就是提高接收通道的信噪比。接收通道數每增加一倍，理論上來說信噪比可以提高3 dB，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。目前128通道已經成為中高端醫(yī)療超聲設備的主流配置，而192或者更多通道數會是高端設備的一個趨勢。隨著通道數的增加，模擬前端和后端數字處理部分之間的數據量和物理連線急劇增加，使得數字電路器件的端口數量、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Radio Frequency(RF)波束合成的方法，輸出的數據量完全由模數轉換器Analog to Digital Converter(ADC)的分辨率、采樣速率以及通道數目決定；同時超聲模擬前端Analog Front End(AFE)通常使用低電壓差分信號Low-Voltage Differential Signaling(LVDS)輸出接口，一個8通道的AFE需要8對LVDS數據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，數據量和物理連線非常可觀。
本文提出了一種基于數字解調器和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據量和復雜物理連接給系統(tǒng)帶來的設計困難。
1 系統(tǒng)結構
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。數字處理部分，通常是在線可編程邏輯陣列Field Programmable Gate Array(FPGA)，會根據系統(tǒng)當前的配置和控制參數，產生相應的發(fā)射波形，通過發(fā)射電路中的驅動和高壓電路產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換為超聲波進入人體，同時接收人體產生的回波轉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理，放大，濾波，由AFE所帶的ADC轉換成數字信號，通過JESD204B高速接口送到后端數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片帶數字解調器和JESD204B接口的8通道集成AFE以及一片帶JESD204B接口的FPGA組成。
1.1 模擬前端AD9671芯片
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通道帶數字解調器和JESD204B的超聲模擬前端AD9671芯片。其內部集成了8通道低噪聲放大器Low noise Amplifier(LNA)，可變增益放大器Variable Gain Amplifier(VGA)，抗混疊濾波器Anti-Aliasing Filter(AAF)，14位ADC，數字解調器和JESD204B接口。圖2是AD9671中一個通道的信號鏈路示意圖。
1.2 數字解調器
數字解調器由基帶解調器和包含低通濾波器的基帶抽取器組成。基帶解調器將ADC輸出的RF信號通過正交解調轉換成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是數字解調器的框圖。
1.3 JESD204B接口
AD9671的數字輸出接口完全遵循JESD204B，數據轉換器串行接口標準。AD9671的JESD204B接口可以靈活地支持1線、2線和4線模式與后端數字處理部分的FPGA進行相連，最大可以輸出5.0 Gb/s的數據率。
2 系統(tǒng)設計與應用
這一節(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字解調器和JESD204B接口對系統(tǒng)應用帶來的好處。
2.1 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個該模塊可以構成128通道的超聲系統(tǒng)接收通道。使用該模塊可以跟后端的FPGA通過專用的連接器相連，進行數據的讀取和處理，以及超聲信號的處理和圖像生成。
2.2 數字解調器應用分析
對于一個128通道的超聲系統(tǒng)，如果采用14位的ADC，采樣速率是40 MHz，使用傳統(tǒng)的RF波束合成算法，通過ADC轉換之后的RF數據直接輸出到波束合成模塊，那么在ADC輸出與實現波束合成的FPGA之間的數據率是14×40×128=71.68 Gb/s。
下面我們來分析一下使用數字解調器會帶來什么樣的好處。
數字解調器的基帶解調器進行正交解調，將ADC輸出的數字化的RF信號乘以一個復數正弦信號
其中fd是解調頻率，可以取為超聲探頭的中心頻率，將中心頻率下變頻到0 Hz。這樣得到實部I和虛部Q數據。將此探頭中心頻率及其附近有用帶寬內的頻率信號下變頻到一個0 Hz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4 MHz的探頭，系統(tǒng)需要諧波成像，那么整個系統(tǒng)需要接收的二次諧波頻率是8 MHz，通過構建這樣一個信號，如圖4所示，然后利用MATLAB仿真了利用fd=4 MHz將該信號下變頻到0 Hz，并利用基帶抽取器的濾波器提取出基波信號，如圖5所示。
經過數字解調，輸出16位格式的I和Q數據，那么現在的數據率是2×16×4×128=16.384 Gb/s。相比于原來的71.68 Gb/s，即使是I和Q兩個通道同時輸出，也整整減少了77%的數據率。
2.3 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數據和時鐘線。
下面我們來分析一下使用JESD204B接口會帶來什么樣的好處。
由于JESD204B采用16位數據格式輸出，并需要8到10位轉換，對于一個AFE，8通道14位40 MHz采樣率的輸出信號，數據率是20×40×8=6.4 Gb/s。AD9671的JESD204B接口每對線支持的最大速率是5.0 Gb/s，那么只需要2對線就可以完成8通道的數據輸出。那么對于一個128通道的超聲系統(tǒng)來說，所需的輸出數據線只需要128/8×2=32對。相比于160對的LVDS線，整整減少了80%的物理連線。
3 結論
本文提出了基于數字解調器和JESD204B接口的多通道超聲系統(tǒng)設計，分別對數字解調器和JESD204B在超聲系統(tǒng)中的應用優(yōu)勢進行了分析。與目前基于RF波束合成和LVDS接口的設計相比，模擬前端和數字處理部分之間的數據率降低了77%，物理連線減少了80%。如果將兩者結合起來分析，那么物理連線將進一步減少。因此，本文設計的系統(tǒng)有效地簡化了電路設計和軟件處理的復雜度，降低了系統(tǒng)的運算量和成本。
參考文獻
[1] Analog Devices Inc.JESD204B Octal Ultrasound AFE with Digital Demodulator，AD9671 datasheet，http：//www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD9671.pdf.
[2] Saad Ashraf，AD967x DigitalProcessing Overview and System Consideration.Analog Devices Inc.，2012.
[3] JEDEC Standard，Serial Interface for Data Converter，JESD204B(July 2011)，JEDEC Solid State Technology Association，http://www.jedec.org/.