0 引言

    隨著醫(yī)療超聲在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，醫(yī)生對(duì)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(biāo)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3 dB，所以提高信噪比的一個(gè)最簡(jiǎn)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(shè)備的主流配置，而192或者更多通道數(shù)會(huì)是高端設(shè)備的一個(gè)趨勢(shì)。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(gè)接收電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度，功耗也相應(yīng)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(shù)據(jù)量完全由模數(shù)轉(zhuǎn)換器Analog to Digital Converter(ADC)的分辨率、采樣速率以及通道數(shù)目決定；同時(shí)超聲模擬前端Analog Front End(AFE)通常使用低電壓差分信號(hào)Low-Voltage Differential Signaling(LVDS)輸出接口，一個(gè)8通道的AFE需要8對(duì)LVDS數(shù)據(jù)線加上位時(shí)鐘和幀時(shí)鐘各一對(duì)。對(duì)于一個(gè)128通道以上的系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)量和物理連線非常可觀。

    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(shè)計(jì)方案，有效地解決了上面提及的大數(shù)據(jù)量和復(fù)雜物理連接給系統(tǒng)帶來的設(shè)計(jì)困難。

1 系統(tǒng)結(jié)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Field Programmable Gate Array(FPGA)，會(huì)根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的配置和控制參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的發(fā)射波形，通過發(fā)射電路中的驅(qū)動(dòng)和高壓電路產(chǎn)生高壓來激勵(lì)超聲探頭的換能器，通常是壓電陶瓷，換能器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波進(jìn)入人體，同時(shí)接收人體產(chǎn)生的回波轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)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(hào)進(jìn)行調(diào)理，放大，濾波，由AFE所帶的ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過JESD204B高速接口送到后端數(shù)字部分進(jìn)行相應(yīng)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。

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(guó)ADI公司的8通道帶數(shù)字解調(diào)器和JESD204B的超聲模擬前端AD9671芯片。其內(nèi)部集成了8通道低噪聲放大器Low noise Amplifier(LNA)，可變?cè)鲆娣糯笃鱒ariable Gain Amplifier(VGA)，抗混疊濾波器Anti-Aliasing Filter(AAF)，14位ADC，數(shù)字解調(diào)器和JESD204B接口。圖2是AD9671中一個(gè)通道的信號(hào)鏈路示意圖。

1.2 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。基帶解調(diào)器將ADC輸出的RF信號(hào)通過正交解調(diào)轉(zhuǎn)換成I/Q信號(hào)，基帶抽取器將通過設(shè)置低通濾波器的帶寬濾除高頻信號(hào)，選擇保留對(duì)超聲圖像有用的信號(hào)。圖3是數(shù)字解調(diào)器的框圖。

1.3 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(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)行相連，最大可以輸出5.0 Gb/s的數(shù)據(jù)率。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)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(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步分析使用數(shù)字解調(diào)器和JESD204B接口對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用帶來的好處。

2.1 接收電路設(shè)計(jì)

    基于ADI的AD9671，一個(gè)32通道的接收電路模塊被設(shè)計(jì)用來驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，利用4個(gè)該模塊可以構(gòu)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(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和處理，以及超聲信號(hào)的處理和圖像生成。

2.2 數(shù)字解調(diào)器應(yīng)用分析

    對(duì)于一個(gè)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(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(shí)現(xiàn)波束合成的FPGA之間的數(shù)據(jù)率是14×40×128=71.68 Gb/s。

    下面我們來分析一下使用數(shù)字解調(diào)器會(huì)帶來什么樣的好處。

    數(shù)字解調(diào)器的基帶解調(diào)器進(jìn)行正交解調(diào)，將ADC輸出的數(shù)字化的RF信號(hào)乘以一個(gè)復(fù)數(shù)正弦信號(hào)其中f_d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0 Hz。這樣得到實(shí)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(hào)下變頻到一個(gè)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(duì)生成超聲圖像有用的頻段信息。

    一個(gè)中心頻率是4 MHz的探頭，系統(tǒng)需要諧波成像，那么整個(gè)系統(tǒng)需要接收的二次諧波頻率是8 MHz，通過構(gòu)建這樣一個(gè)信號(hào)，如圖4所示，然后利用MATLAB仿真了利用f_d=4 MHz將該信號(hào)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(hào)，如圖5所示。

    經(jīng)過數(shù)字解調(diào)，輸出16位格式的I和Q數(shù)據(jù)，那么現(xiàn)在的數(shù)據(jù)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(gè)通道同時(shí)輸出，也整整減少了77%的數(shù)據(jù)率。

2.3 JESD204B接口應(yīng)用分析

    對(duì)于目前多通道超聲系統(tǒng)應(yīng)用中的AFE和ADC而言，LVDS早已取代并行接口輸出，然而，對(duì)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(gè)讓設(shè)計(jì)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(gè)AFE需要輸出10對(duì)線，對(duì)于一個(gè)128通道的超聲系統(tǒng)而言，需要128/8×10=160對(duì)LVDS數(shù)據(jù)和時(shí)鐘線。

    下面我們來分析一下使用JESD204B接口會(huì)帶來什么樣的好處。

    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(duì)于一個(gè)AFE，8通道14位40 MHz采樣率的輸出信號(hào)，數(shù)據(jù)率是20×40×8=6.4 Gb/s。AD9671的JESD204B接口每對(duì)線支持的最大速率是5.0 Gb/s，那么只需要2對(duì)線就可以完成8通道的數(shù)據(jù)輸出。那么對(duì)于一個(gè)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(duì)。相比于160對(duì)的LVDS線，整整減少了80%的物理連線。

3 結(jié)論

    本文提出了基于數(shù)字解調(diào)器和JESD204B接口的多通道超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分別對(duì)數(shù)字解調(diào)器和JESD204B在超聲系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析。與目前基于RF波束合成和LVDS接口的設(shè)計(jì)相比，模擬前端和數(shù)字處理部分之間的數(shù)據(jù)率降低了77%，物理連線減少了80%。如果將兩者結(jié)合起來分析，那么物理連線將進(jìn)一步減少。因此，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有效地簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)和軟件處理的復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)的運(yùn)算量和成本。

參考文獻(xiàn)

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[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/.