使用多通道数字解调器和JESD204B接口简化和提高超声医学成像系统的性能

使用多通道数字解调器和JESD204B接口简化和提高超声医学成
像系统的性能
Fri, 11/11/2016 - 2:32pmComments
by Hugh Yu, Gina Kelso, Ashraf Saad - Analog Devices, Inc.
摘要：介绍了基于数字解调器和JESD204B接口的多通道超声接收系统的设计。

该设计降低了数据速率，并简化了模拟前端（AFE）和数字处理电路之间的电路板布线高达80％。

此外，超声系统可以实现更多的设计目标，例如利用更便宜和更低计算效率的现场可编程门阵列（FPGA），基于软件的波束形成器以及用于实时4D和高级成像的更高阶多线处理模式。

Introduction
超声成像系统设计者必须不断努力以满足用户在整个医学诊断领域中对更高图像质量的需求。

用于图像质量改进的关键技术之一是增强接收信道的信噪比。

由于系统中的接收信道数量加倍，理论上信噪比应提高3 dB。

因此，增加系统通道的数量已经成为增强信噪比的最简单和最有效的方法。

目前，128通道已成功成为中高级医疗超声设备的主流配置，192个或更多通道将成为高端系统的下一个趋势。

随着通道数量的增加，模拟前端（AFE）和后端数字处理部分之间的数据速率成比例地增长。

较高的通道数也在数字电路器件接口的数量，处理功率，成本和整个接收器电路的设计复杂性方面产生类似的增长。

例如，大多数超声成像系统使用射频（RF）波束成形技术，其中输出数据速率完全基于模数转换器（ADC）的分辨率，采样速率和通道数来确定。

同时，模拟前端（AFE）通常使用低压差分信号（LVDS）输出接口。

八进制AFE需要8对LVDS数据线加上一对数据时钟和帧时钟。

对于具有超过128个通道的系统，存在大量的数据和物理连接。

本文介绍了一种基于具有数字解调器接口的八进制AFE的超声接收通道设计解决方案，其中使用ADI的JESD204B作为示例。

使用这种方法有效地解决了由上述系统的大数据速率和复杂物理连接引起的设计困难。

System architecture
超声系统由探头（换能器），发射电路，接收电路，后端数字处理电路，控制电路，显示模块等组成。

图1是128通道超声系统发射/接收路径的框图，其中JESD204B接口。

数字处理模块通常包括现场可编程门阵列（FPGA），其根据系统的当前配置和
控制参数生成相应的波形，并且发射电路的驱动器和高压电路然后产生高电压以激励超声换能器。

超声换能器通常由压电陶瓷换能器（PZT）制成。

它将电压信号转换成进入人体的超声波，同时接收由人体的骨骼和组织产生的回声。

输入的回波被转换成电压信号并被发送到发射/接收（T / R）开关电路。

T / R开关电路的主要目的是防止高压发送信号损坏低压接收模拟前端。

输入的模拟电压信号在被传递到AFE的集成ADC之前被放大并经受信号调节和滤波，在那里它被转换为数字数据。

然后将数字化信号通过JESD204B接口传输到后端数字部分，以进行相应的处理，最终创建超声图像。

接收通道由128通道T / R开关电路，具有数字解调器的16个八通道超声AFE元件和具有JESD204B接口的FPGA 组成。

AD9671八路超声AFE带有数字解调器和JESD204B接口，来自Analog Devices （ADI），构成了这种超声系统接收电路的基础。

它包含8个具有低噪声放大器（LNA）的可变增益放大器（VGA）通道，具有可编程相位旋转的连续波（CW）谐波抑制I / Q解调器，抗混叠滤波器（AAF），14位ADC ，用于数据处理和带宽减少的数字解调器和抽取器，以及JESD204B接口。

图2是AD9671的功能框图。

数字解调器由基带解调器和基带抽取器组成。

解调器将RF信号下变频为基带正交信号。

过采样由抽取器减少。

图3是数字解调器的方框图。

AD9671数字输出符合JEDEC标准JESD204B，数据转换器串行接口。

AD9671支持单通道，双通道或四通道接口。

它可以连接到FPGA，最大数据输出速率为5.0 Gbps。

System design & application
本节介绍AD9671多通道超声系统的接收电路设计，并进一步分析使用数字解调器和JESD204B接口的系统的优点。

Receive Circuit Design
32通道接收电路模块原理图如图4所示，可以设计用来验证基于AD9671的系统的可行性。

利用四个这样的模块，可以配置超声系统的128通道接收电路。

该模块可用于通过专用FMC连接器连接到FPGA来执行数据捕获和处理以及实现超声波信号处理和图像生成。

对于128通道超声系统，如果使用具有40MSPS的采样率的14位ADC，并且使用RF波束成形算法，则ADC输出和波束成形FPGA之间的数据速率为14 * 40 * 128 = 71.68Gbps。

下面分析使用数字解调器的好处。

RF信号的基带解调器执行正交解调。

可以通过将由ADC输出的数字化RF信号乘以复合正弦信号来实现，其中是可以接近超声换能器的中心频率的解调频率，以将中心频率下变频到大约0Hz。

输出信号是由其I（同相）和Q（正交相位）表示的复信号。

探头的中心频率和所有感兴趣的频带信号被下移到大约0Hz，用滤波器和抽取器滤除不需要的频率分量，以保留对于生成超声图像有用的频带信息。

对于中心频率为3.5 MHz的探头换能器，在基带解调和抽取后，使用16位格式I和Q数据输出，数据速率现在为2（I＆Q）* 16位* 3.5 MHz * 128通道= 14.336 Gbps。

与原始的71.68Gbps相比，即使I和Q通道同时输出，数据速率也降低了80％。

JESD204B接口应用分析
在多通道超声系统应用中的电流AFE和ADC方面，LVDS已经取代了并行输出接口。

然而，对于128通道或更高的超声系统，ADC输出的大量LVDS线连接仍然是设计工程师的头痛。

使用LVDS，在当前超声系统中，对于一个八度AFE存在10对线。

对于128通道超声系统，需要128/8 * 10 = 160对LVDS数据和时钟线连接到FPGA。

下面分析使用JESD204B接口的好处。

由于JESD204B使用16位数字输出格式并使用8B / 10B编码，因此对于具有14位分辨率，40 MSPSADC的八进制AFE的输出数据速率为20 * 40 * 8 = 6.4Gbps。

AD9671 JESD204B接口的每个通道的最大数据速率为 5.0 Gbps，因此只需要2对数据通道来实现8通道AFE数据输出。

因此，对于128通道超声系统，与160对LVDS线相比，仅需要128/8 * 2 = 32对输出数据通道; 消除了80％的物理接口路由。

总结
本文介绍了基于AD9671的多通道超声系统设计，一种具有数字解调器和JESD204B接口的八进制AFE。

分别有效地分析了在超声系统中使用这种具有数字解调器和JESD204B接口的AFE的应用优点和益处。

与大多数当前的RF波束
成形和基于LVDS接口的设计相比，模拟前端和数字处理部分之间的数据速率和接口路由都减少了80％。

如果两种方法在分析中组合在一起，则物理连接将进一步减少。

因此，本文介绍的系统设计可以通过减少数据接口路由所需的电路板面积，计算复杂度要求以及系统设计成本，有效地简化电路设计和软件处理复杂性。