数字解调器/JESD204B接口发威 超音波模拟前端输出效率改善

本文介绍了一种基于数字解调器和JESD204B接口的多信道超音波接收系统方案。此一方案可大幅降低输出数据率,同时也将模拟前端(AFE)和数字处理电路之间的物理联机数量大幅减少高达80%,并可带来许多额外的优势。本文介绍了一种基于数字解调器和JESD204B接口的多信道超音波接收系统方案。此一方案可大幅降低输出数据率,同时也将模拟前端(AFE)和数字处理电路之间的物理联机数量大幅减少高达80%。

另外,采用该方案的超音波系统,还可实现更多目标,比如采用成本更低,且计算效率较低的现场可编程门阵列(FPGA)、基于软件的波束成形器(Beamformer),和可实现实时4D和先进影像模式的更高阶多重波束处理技术。为提高讯号噪声比 超音波系统增加信道数随着医疗超音波在医学诊断领域的广泛应用,医生对超音波系统影像质量的要求也越来越高,而提高影像质量的最重要技术之一,就是提高接收信道的讯号噪声比(Signal-to-noise Ratio)。

接收通道数每增加一倍,理论上来说讯号噪声比可以提高3dB,所以增加信道数是提高讯号噪声比的一个最简单且有效的方案。目前,中高端医疗超音波设备的主流配置是128信道,而192或者更多信道数的配置则将是高端设备下一阶段的发展方向。随着通道数的增加,模拟前端和后端数字处理部分之间的数据量和物理联机会急剧地增加,使得数字电路器件的接口数量、处理能力、成本以及整个接收电路设计的复杂度及对应的功耗等,也会相应地水涨船高。

现今的超音波系统,是采用射频(RF)波束成形技术,输出的数据量完全是由模拟数字转换器(ADC)的分辨率、采样率以及信道的数量所决定;而模拟前端(AFE)通常使用低电压差动讯号(LVDS)输出接口,一个8信道的AFE需要8对LVDS数据线加上数据频率和帧频率各一对。对于一个128信道以上的系统而言,数据量和物理联机的数量就非常可观。数据量/物理联机数量升 系统接收信道设计方案接招本文将提出一种采用具有数字解调器和JESD204B的8信道AFE之超音波系统接收信道设计方案,有效地解决了上文提及的大数据量和复杂物理连接为系统所带来的设计挑战。

超音波系统是由超音波探针(换能器(Transducer))、发射电路、接收电路、后端数字处理电路、控制电路和显示模块等组成。图1是一128信道的超音波系统方块图,其发射和接收信道具有JESD204B接口。

128信道超音波系统的方块图

图1 128信道超音波系统的方块图

数字处理模块中,通常会有一颗现场可编程门阵列(FPGA),它会根据系统当前的配置和控制参数,产生相应的发射波形,经由发射电路中的驱动和高压电路产生高压来激励超音波换能器,该超音波换能器通常是以压电陶瓷换能器(Piezoelectric Ceramic Transducer, PZT)制成,它可将电压讯号转换为超音波,在进入人体时还可接收人体产生的回波,然后这些回波会被转换成电压讯号,并传送至发射接收切换电路,此一切换电路的主要目的是,防止高压的发射讯号损坏低压的接收模拟前端。

模拟的电压讯号在经过调理、放大、和滤波之后,会送到AFE的整合式ADC,之后再转换成数字数据,这些数据随后再经由JESD204B接口,传送到后端的数字组件来进行相应的处理,最后再产生超音波影像。该系统的接收信道是由128信道的发送接收切换电路、16颗具有数字解调器,和JESD204B接口的8信道超音波AFE、以及一颗带JESD204B接口的FPGA所组成。