0 引言

    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3 dB，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Radio Frequency(RF)波束合成的方法，輸出的數據量完全由模數轉換器Analog to Digital Converter(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Analog Front End(AFE)通常使用低電壓差分信號Low-Voltage Differential Signaling(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。

1 系統結構

    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Field Programmable Gate Array(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。

1.1 模擬前端AD9671芯片

    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通道帶數字解調器和JESD204B的超聲模擬前端AD9671芯片。其內部集成了8通道低噪聲放大器Low noise Amplifier(LNA)，可變增益放大器Variable Gain Amplifier(VGA)，抗混疊濾波器Anti-Aliasing Filter(AAF)，14位ADC，數字解調器和JESD204B接口。圖2是AD9671中一個通道的信號鏈路示意圖。

1.2 數字解調器

    數字解調器由基帶解調器和包含低通濾波器的基帶抽取器組成。基帶解調器將ADC輸出的RF信號通過正交解調轉換成I/Q信號，基帶抽取器將通過設置低通濾波器的帶寬濾除高頻信號，選擇保留對超聲圖像有用的信號。圖3是數字解調器的框圖。

1.3 JESD204B接口

    AD9671的數字輸出接口完全遵循JESD204B，數據轉換器串行接口標準。AD9671的JESD204B接口可以靈活地支持1線、2線和4線模式與后端數字處理部分的FPGA進行相連，最大可以輸出5.0 Gb/s的數據率。

2 系統設計與應用

    這一節主要介紹基于AD9671的多通道超聲系統的接收電路設計，從而進一步分析使用數字解調器和JESD204B接口對系統應用帶來的好處。

2.1 接收電路設計

    基于ADI的AD9671，一個32通道的接收電路模塊被設計用來驗證系統的可行性，利用4個該模塊可以構成128通道的超聲系統接收通道。使用該模塊可以跟后端的FPGA通過專用的連接器相連，進行數據的讀取和處理，以及超聲信號的處理和圖像生成。

2.2 數字解調器應用分析

    對于一個128通道的超聲系統，如果采用14位的ADC，采樣速率是40 MHz，使用傳統的RF波束合成算法，通過ADC轉換之后的RF數據直接輸出到波束合成模塊，那么在ADC輸出與實現波束合成的FPGA之間的數據率是14×40×128=71.68 Gb/s。

    下面我們來分析一下使用數字解調器會帶來什么樣的好處。

    數字解調器的基帶解調器進行正交解調，將ADC輸出的數字化的RF信號乘以一個復數正弦信號其中f_d是解調頻率，可以取為超聲探頭的中心頻率，將中心頻率下變頻到0 Hz。這樣得到實部I和虛部Q數據。將此探頭中心頻率及其附近有用帶寬內的頻率信號下變頻到一個0 Hz左右后，再利用基帶抽取器中的濾波器濾除無用的頻率，保留對生成超聲圖像有用的頻段信息。

    一個中心頻率是4 MHz的探頭，系統需要諧波成像，那么整個系統需要接收的二次諧波頻率是8 MHz，通過構建這樣一個信號，如圖4所示，然后利用MATLAB仿真了利用f_d=4 MHz將該信號下變頻到0 Hz，并利用基帶抽取器的濾波器提取出基波信號，如圖5所示。

    經過數字解調，輸出16位格式的I和Q數據，那么現在的數據率是2×16×4×128=16.384 Gb/s。相比于原來的71.68 Gb/s，即使是I和Q兩個通道同時輸出，也整整減少了77%的數據率。

2.3 JESD204B接口應用分析

    對于目前多通道超聲系統應用中的AFE和ADC而言，LVDS早已取代并行接口輸出，然而，對于128通道以上的超聲系統而言，ADC輸出的大量LVDS線的扇出問題仍然是一個讓設計工程師頭痛的問題。目前的超聲AFE基本都是8通道集成芯片，一個AFE需要輸出10對線，對于一個128通道的超聲系統而言，需要128/8×10=160對LVDS數據和時鐘線。

    下面我們來分析一下使用JESD204B接口會帶來什么樣的好處。

    由于JESD204B采用16位數據格式輸出，并需要8到10位轉換，對于一個AFE，8通道14位40 MHz采樣率的輸出信號，數據率是20×40×8=6.4 Gb/s。AD9671的JESD204B接口每對線支持的最大速率是5.0 Gb/s，那么只需要2對線就可以完成8通道的數據輸出。那么對于一個128通道的超聲系統來說，所需的輸出數據線只需要128/8×2=32對。相比于160對的LVDS線，整整減少了80%的物理連線。

3 結論

    本文提出了基于數字解調器和JESD204B接口的多通道超聲系統設計，分別對數字解調器和JESD204B在超聲系統中的應用優勢進行了分析。與目前基于RF波束合成和LVDS接口的設計相比，模擬前端和數字處理部分之間的數據率降低了77%，物理連線減少了80%。如果將兩者結合起來分析，那么物理連線將進一步減少。因此，本文設計的系統有效地簡化了電路設計和軟件處理的復雜度，降低了系統的運算量和成本。

參考文獻

[1] Analog Devices Inc.JESD204B Octal Ultrasound AFE with Digital Demodulator，AD9671 datasheet，http：//www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD9671.pdf.

[2] Saad Ashraf，AD967x DigitalProcessing Overview and System Consideration.Analog Devices Inc.，2012.

[3] JEDEC Standard，Serial Interface for Data Converter，JESD204B(July 2011)，JEDEC Solid State Technology Association，http://www.jedec.org/.