新型集成数字解调器和JESD204B接口的超声模拟前端

摘要：本文介绍了一种基于数字解调器和JESD204B接口的多通道超声系统接收方案。该方案大量地降低了模拟前端(AFE)的输出数据率，同时减少了模拟前端和数字电路之间的物理连线数目高达80%。另外，采用该种方案的超声系统可以实现更多目标，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)、通过使用软件波束合成和更高阶多波束处理可以实现实时4D和高级影像模式。

简介:
随着医疗超声在医学诊断领域的广泛应用，医生对超声系统的图像质量有了越来越高的要求，而提高图像质量的最重要指标之一就是提高接收通道的信噪比。接收通道数每增加一倍，理论上来说信噪比可以提高3dB，所以提高信噪比的一个最简单有效的办法就是增加通道数。目前128通道已经成为中高端医疗超声设备的主流配置，而192或者更多通道数会是高端设备的一个趋势。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连线急剧增加，使得数字电路器件的端口数量、处理能力、成本以及整个接收电路设计复杂度，功耗也相应地水涨船高。目前的超声系统基本采用射频(RF)波束合成的方法，输出的数据量完全由模数转换器(ADC)的分辨率、采样速率以及通道数目决定；同时超声模拟前端(AFE)通常使用低电压差分信号(LVDS)输出接口，一个8通道的AFE需要8对LVDS数据线加上位时钟和帧时钟各一对。对于一个128通道以上的系统而言，数据量和物理连线非常可观。

本文提出了一种基于数字解调器和JESD204B的AFE前端的超声系统接收通道设计方案，有效地解决了上面提及的大数据量和复杂物理连接给系统带来的设计困难。

系统架构
超声系统由超声探头(换能器)、发射电路、接收电路、后端数字处理电路、控制电路和显示模块等组成。图1是128通道的基于JESD204B超声系统发射和接收通道的框图。数字处理部分，通常是在线可编程逻辑阵列(FPGA)，会根据系统当前的配置和控制参数，产生相应的发射波形，通过发射电路中的驱动和高压电路产生高压来激励超声探头的换能器，通常是压电陶瓷，换能器将电压信号转换为超声波进入人体，同时接收人体产生的回波转换成电压信号并传输至发射接收切换电路，发射接收切换电路的主要目的是防止发射高压损坏低压的接收模拟前端。模拟前端将输入模拟信号进行调理，放大，滤波，由AFE所带的ADC转换成数字信号，通过JESD204B高速接口送到后端数字部分进行相应处理，并最终生成超声图像。该系统的接收通道由128通道的发送接收切换电路，16片带数字解调器和JESD204B接口的8通道集成AFE以及一片带JESD204B接口的FPGA组成。

 

图1. 128通道超声发射接收电路框图

AD9671：集成数字解调器和JESD204B接口的8通道超声AFE
本文介绍的超声系统接收电路中，选择使用美国ADI公司的8通道集成数字解调器和JESD204B接口的超声模拟前端AD9671芯片。它内置8通道的可变增益放大器(VGA)、低噪声放大器(LNA)、具有可编程相位旋转和谐波抑制功能的连续波(CW) I/Q解调器、抗混叠滤波器(AAF)、14位模数转换器(ADC)、用于处理数据和降低带宽的数字解调器和抽取器，以及JESD204B接口。图2为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包含低通滤波器的基带抽取器组成。基带解调器将ADC输出的RF信号通过正交解调转换成I/Q信号，基带抽取器将通过设置低通滤波器的带宽滤除高频信号，选择保留对超声图像有用的信号。图3是数字解调器的框图。

 

图3. 数字解调器框图

JESD204B接口
AD9671的数字输出接口完全遵循JESD204B，数据转换器串行接口标准。AD9671的JESD204B接口可以灵活地支持1线、2线和4线模式与后端数字处理部分的FPGA进行相连，最大可以输出5.0 Gbps的数据率。