基于数字解调器和JESD204B接口的多通道超声接收系统设计

作者：Hugh Yu, Gina Kelso, and Ashraf Saad

随着医疗超声在医疗诊断领域的广泛应用，医生对超声图像系统图像质量的要求越来越高，而提高图像质量的关键技术之一是提高接收通道的信噪比。随着系统中接收通道数量的增加一倍，信噪比理论上应该提高3 dB。因此，增加系统通道数量已成为加强信噪比的最简单有效的方法。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通道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，模拟前端和后端数字处理以及物理连接之间的数据速率急剧增加。它们还会导致数字威廉希尔官方网站 器件接口的数量、处理能力、成本、整个接收器威廉希尔官方网站 的设计复杂性以及相应的功耗增加。目前，超声系统使用射频（RF）波束成形。输出数据速率完全取决于模数转换器（ADC）的分辨率、采样速率和通道数。同时，模拟前端（AFE）通常使用低压差分信号（LVDS）输出接口。八通道AFE需要八对LVDS数据线以及一对数据时钟和帧时钟。对于拥有超过 128 个通道的系统，有大量的数据和物理连接。

本文介绍了一种基于八通道AFE的数字解调器和JESD204B接口的超声接收通道设计方案，有效解决了上述系统数据速率大、物理连接复杂带来的设计难题。

系统架构

超声系统由探头（换能器）、发射威廉希尔官方网站 、接收威廉希尔官方网站 、后端数字处理威廉希尔官方网站 、控制威廉希尔官方网站 、显示模块等组成。图1是带有JESD204B接口的128通道超声系统发送/接收路径框图。数字处理模块通常包括现场可编程门阵列（FPGA），根据系统的当前配置和控制参数生成相应的波形。然后，发射威廉希尔官方网站 的驱动器和高压威廉希尔官方网站 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。它将电压信号转换为超声波，进入人体，同时接收组织产生的回波。然后将回波转换为电压信号并传输到发送/接收（T/R）开关威廉希尔官方网站 。T/R开关威廉希尔官方网站 的主要目的是防止高压发射信号损坏低压接收模拟前端。经过信号调理、增益和滤波后的模拟电压信号被传递到AFE的集成ADC，然后转换为数字数据，然后通过JESD204B接口传输到后端数字部分进行相应的处理，最终创建超声图像。接收通道由一个128通道T/R开关威廉希尔官方网站 、一个带数字解调器和JESD204B接口的16八通道超声AFE器件以及一个带JESD204B接口的FPGA组成。

图1.128通道超声系统框图。

AD9671： 八通道超声AFE，内置数字解调器和JESD204B接口

AD9671是八通道超声AFE，内置ADI公司（ADI）的数字解调器和JESD204B接口，被选用于该超声系统接收威廉希尔官方网站 。它包含八个通道，包括一个带低噪声放大器（LNA）的可变增益放大器（VGA）、一个具有可编程相位旋转功能的连续波（CW）谐波抑制I/Q解调器、一个抗混叠滤波器（AAF）、一个14位ADC、一个用于数据处理和带宽降低的数字解调器和抽取器，以及JESD204B接口。图2是AD9671的功能框图。

图2.AD9671功能框图

数字解调器

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。抽取器减少了多余的过采样。图3是数字解调器的框图。

图3.数字解调器框图。

JESD204B接口

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。它可以连接到最大数据输出速率为 5.0 Gbps 的 FPGA。

系统设计与应用

本节介绍了AD9671多通道超声系统的接收威廉希尔官方网站 设计，并进一步分析了使用数字解调器和JESD204B接口的优势。

接收威廉希尔官方网站 设计

图4所示为32通道接收威廉希尔官方网站 模块原理图，可用于验证基于AD9671的系统可行性。通过四个这样的模块，可以配置超声系统的128通道接收威廉希尔官方网站 。该模块可用于执行数据采集和处理，并通过专用FMC连接器连接到FPGA来实现超声波信号处理和图像生成。

图4.接收威廉希尔官方网站 的顶层原理图。

数字解调器应用分析

对于 128 通道超声系统，如果使用采样率为 40 MSPS 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 = 71.68 Gbps。

下面分析了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。这可以通过将ADC输出的数字化RF信号乘以复正弦信号

来实现，其中fd是可以接近超声换能器中心频率的解调频率，以将中心频率下变频至0 Hz左右。输出信号是一个复数信号，由其I（同相）和Q（正交相位）表示。探头的中心频率和所有感兴趣的频段信号被降档到大约0 Hz，用滤波器和抽取器滤除不需要的频率分量，以保留对生成超声图像有用的频段信息。

对于中心频率为3.5 MHz的探头换能器，经过基带解调和抽取后，具有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。 与原来的71.68 Gbps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

就当前多通道超声系统应用中的AFE和ADC而言，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头疼的问题。对于LVDS，当前超声系统中有一个八进制AFE有10对电线。对于 128 通道超声系统，需要将 128/8 × 10 = 160 对 LVDS 数据和时钟线连接到 FPGA。

下面分析了使用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，因此具有14位分辨率、40 MSPS ADC的八通道AFE的输出数据速率为20 ×40 × 8 = 6.4 Gbps。AD9671 JESD204B接口每通道的最大数据速率为5.0 Gbps，因此只需两对数据通道即可实现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，只需要 128/8 × 2 = 32 对输出数据通道;消除了 80% 的物理接口路由。

结论

本文介绍了一种基于AD9671（具有数字解调器和JESD204B接口的八通道AFE）的多通道超声系统设计。本文分别有效分析了在超声系统中使用这种带有数字解调器和JESD204B接口的AFE的应用优势和优势。与目前大多数RF波束成形和LVDS接口设计相比，模拟前端和数字处理部分之间的数据速率和接口路由都降低了80%。如果在分析中将这两种方法组合在一起，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布线所需的威廉希尔官方网站 板面积、计算复杂性要求以及系统设计成本，有效地简化威廉希尔官方网站 设计和软件处理复杂性。

审核编辑：郭婷