摘要
本文介紹了一種基于數字解調器和JESD204B接口的多通道超聲系統接收方案。該方案大量地降低了模擬前端(AFE)的輸出數據率，同時減少了模擬前端和數字電路之間的物理連線數目高達80%。另外，采用該種方案的超聲系統可以實現更多目標，比如采用成本更低且計算效率較低的現場可編程門陣列(FPGA)、通過使用軟件波束合成和更高階多波束處理可以實現實時4D和高級影像模式。
簡介
隨著醫療超聲在醫學診斷領域的廣泛應用，醫生對超聲系統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。目前128通道已經成為中高端醫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。目前的超聲系統基本采用射頻 (RF) 波束合成的方法，輸出的數據量完全由模數轉換器 (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(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帶來的設計困難。。
系統架構
超聲系統由超聲探頭（換能器）、發射電路、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超聲系統發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(FPGA)，會根據系統當前的配置和控制參數，產生相應的發射波形，通過發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射接收切換電路，發射接收切換電路的主要目的是防止發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。該系統的接收通道由128通道的發送接收切換電路，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。
圖1. 128通道超聲發射接收電路框圖
2 新型集成數字解調器和JESD204B接口的超聲模擬前端可使數據率和接口連接線最多降低80%
圖2.AD9671功能框圖
AD9671：集成數字解調器和JESD204B接口的8通道超聲AFE
本文介紹的超聲系統接收電路中，選擇使用美國ADI公司的8通道集成數字解調器和JESD204B接口的超聲模擬前端AD9671芯片。它內置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和諧波抑制功能的連續波(CW) I/Q解調器、抗混疊濾波器(AAF)、14位模數轉換器(ADC)、用于處理數據和降低帶寬的數字解調器和抽取器，以及JESD204B接口。圖2為AD9671的功能框圖。
圖3.數字解調器框圖
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。
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5.0Gbps的數據率。
系統設計與應用
本節主要介紹基于AD9671的多通道超聲系統的接收電路設計，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的可行性，利用4個該模塊可以構成128通道的超聲系統接收通道。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，進行數據的讀取和處理，以及超聲信號的處理和圖像生成。
圖4.接收電路頂層框圖
數字解調器應用分析
對于一個128通道的超聲系統，如果采用采樣速率為40 MSPS的14位ADC，使用傳統的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=71.68Gbps.
下面將分析采用數字解調器的優勢。
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 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0Hz。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，經過基帶解調和抽取之后，輸出16位格式的I和Q數據，數據速率為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%的數據率。
JESD204B接口應用分析
對于目前多通道超聲系統應用中的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通道的超聲系統而言，需要128/8*10=160對LVDS數據和時鐘線連接到FPGA。
下面將分析采用JESD204B接口的優勢。
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40MHz采樣率的輸出信號，數據率是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通道的數據輸出。那么對于一個128通道的超聲系統來說，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。
結論：本文介紹了一種基于AD9671的多通道超聲系統設計，AD9671是一款8通道帶有數字解調器和JESD204B接口的AFE。同時，本文還分別分析了在超聲系統中，采用這種AFE與數字解調器和JESD204B接口帶來的優勢。與目前基于RF波束合成和LVDS接口的設計相比，模擬前端與數字處理器件之間的數據速率和接口連線均能減少80%。如果在分析中將兩種方法結合起來，則物理連接數甚至可以進一步減少。因此，本文介紹的系統設計通過減少數據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,以及降低系統設計成本。