基于數(shù)字解調(diào)器和JESD204B的多通道超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

俞毅剛，Gina Kelso，Saad Ashraf

（1.亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)(上海)有限公司，上海200120；2.Analog Devices Inc.，San Diego CA 92131，USA）

基于數(shù)字解調(diào)器和JESD204B的多通道超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

俞毅剛1，Gina Kelso2，Saad Ashraf2

（1.亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)(上海)有限公司，上海200120；2.Analog Devices Inc.，San Diego CA 92131，USA）

針對多通道超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)中接收電路中模擬前端和數(shù)字處理電路間的大數(shù)據(jù)量傳輸和大量數(shù)據(jù)連線的復(fù)雜性，提出了一個基于數(shù)字解調(diào)器和JESD204B接口的超聲系統(tǒng)接收方案。該方案大幅降低了模擬前端的輸出數(shù)據(jù)率，同時(shí)減少了模擬前端和數(shù)字電路部分的連線數(shù)目。有效地達(dá)到簡化電路設(shè)計(jì)及降低數(shù)字處理要求，通過使用軟件波束合成和更高階多波束處理可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)4D和高級影像模式。

數(shù)字解調(diào)器；JESD204B；超聲系統(tǒng)；電路

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(shè)備的主流配置，而192或者更多通道數(shù)會是高端設(shè)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(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Low-Voltage Differential Signaling(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(shí)鐘和幀時(shí)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(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(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(jìn)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(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。

圖1 128通道超聲發(fā)射接收電路框圖

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(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)，可變增益放大器 Variable 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中一個通道的信號鏈路示意圖。

圖2 AD9671單通道示意圖

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信號通過正交解調(diào)轉(zhuǎn)換成I/Q信號，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，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。

圖3 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，以及超聲信號的處理和圖像生成。

2.2 數(shù)字解調(diào)器應(yīng)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(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信號乘以一個復(fù)數(shù)正弦信號(e-j2πfdt)，其中fd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(gòu)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。

圖4 數(shù)字解調(diào)器輸入仿真波形

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兩個通道同時(shí)輸出，也整整減少了77%的數(shù)據(jù)率。

圖5 數(shù)字解調(diào)器輸出仿真波形

2.3 JESD204B接口應(yīng)用分析

對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(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(shí)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(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40 MHz采樣率的輸出信號，數(shù)據(jù)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(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。

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)，分別對數(shù)字解調(diào)器和 JESD204B在超聲系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢進(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。

[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/.

Gina Kelso（1974-），女，碩士，策略市場經(jīng)理，主要研究方向：醫(yī)療電子、醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，半導(dǎo)體應(yīng)用。

Saad Ashraf（1972-），男，博士，高級系統(tǒng)應(yīng)用工程師，主要研究方向：醫(yī)療電子、超聲影像設(shè)備，半導(dǎo)體應(yīng)用。

A multi-channel ultrasound system design based on digital demodulator and JESD204B

Yu Yigang1，Gina Kelso2，Saad Ashraf2
(1.Analog Devices(Shanghai)Co.ltd，Shanghai 200120，China；2.Analog Devices Inc.，San Diego CA 92131，USA)

A design based on digital demodulator and JESD204B interface for multiple channel ultrasound receive system is introduced.The design reduces the data rate and simplifies board routing between the Analog Front End(AFE)and digital processing circuits.In addition,the ultrasound system can achieve more targets,such as utilization of cheaper and less computationally efficient Field Programmable Gate Array(FPGA),software beamformer,and higher order multiline processing for real-time 4D and advanced imaging modes.

digital demodulator；JESD204B；ultrasound system；circuit

TN47；TP274

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.020

俞毅剛，Gina Kelso，Saad Ashraf.基于數(shù)字解調(diào)器和 JESD204B的多通道超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)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.

2016-05-30）

俞毅剛（1975-），男，碩士，高級系統(tǒng)應(yīng)用工程師，主要研究方向：醫(yī)療電子、醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，半導(dǎo)體應(yīng)用。