新型集成數字解調器和JESD204B接口的超聲模擬前端

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

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。

新型集成數字解調器和JESD204B接口的超聲模擬前端