0 引言

    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3 dB，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Radio Frequency(RF)波束合成的方法，输出的数据量完全由模数转换器Analog to Digital Converter(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Analog Front End(AFE)通常使用低电压差分信号Low-Voltage Differential Signaling(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。

1 系统结构

    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Field Programmable Gate Array(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。

1.1 模拟前端AD9671芯片

    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通道带数字解调器和JESD204B的超声模拟前端AD9671芯片。其内部集成了8通道低噪声放大器Low noise Amplifier(LNA)，可变增益放大器Variable Gain Amplifier(VGA)，抗混叠滤波器Anti-Aliasing Filter(AAF)，14位ADC，数字解调器和JESD204B接口。图2是AD9671中一个通道的信号链路示意图。

1.2 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。

1.3 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 Gb/s的数据率。

2 系统设计与应用

    这一节主要介绍基于AD9671的多通道超声系统的接收电路设计，从而进一步分析使用数字解调器和JESD204B接口对系统应用带来的好处。

2.1 接收电路设计

    基于ADI的AD9671，一个32通道的接收电路模块被设计用来验证系统的可行性，利用4个该模块可以构成128通道的超声系统接收通道。使用该模块可以跟后端的FPGA通过专用的连接器相连，进行数据的读取和处理，以及超声信号的处理和图像生成。

2.2 数字解调器应用分析

    对于一个128通道的超声系统，如果采用14位的ADC，采样速率是40 MHz，使用传统的RF波束合成算法，通过ADC转换之后的RF数据直接输出到波束合成模块，那么在ADC输出与实现波束合成的FPGA之间的数据率是14×40×128=71.68 Gb/s。

    下面我们来分析一下使用数字解调器会带来什么样的好处。

    数字解调器的基带解调器进行正交解调，将ADC输出的数字化的RF信号乘以一个复数正弦信号其中f_d是解调频率，可以取为超声探头的中心频率，将中心频率下变频到0 Hz。这样得到实部I和虚部Q数据。将此探头中心频率及其附近有用带宽内的频率信号下变频到一个0 Hz左右后，再利用基带抽取器中的滤波器滤除无用的频率，保留对生成超声图像有用的频段信息。

    一个中心频率是4 MHz的探头，系统需要谐波成像，那么整个系统需要接收的二次谐波频率是8 MHz，通过构建这样一个信号，如图4所示，然后利用MATLAB仿真了利用f_d=4 MHz将该信号下变频到0 Hz，并利用基带抽取器的滤波器提取出基波信号，如图5所示。

    经过数字解调，输出16位格式的I和Q数据，那么现在的数据率是2×16×4×128=16.384 Gb/s。相比于原来的71.68 Gb/s，即使是I和Q两个通道同时输出，也整整减少了77%的数据率。

2.3 JESD204B接口应用分析

    对于目前多通道超声系统应用中的AFE和ADC而言，LVDS早已取代并行接口输出，然而，对于128通道以上的超声系统而言，ADC输出的大量LVDS线的扇出问题仍然是一个让设计工程师头痛的问题。目前的超声AFE基本都是8通道集成芯片，一个AFE需要输出10对线，对于一个128通道的超声系统而言，需要128/8×10=160对LVDS数据和时钟线。

    下面我们来分析一下使用JESD204B接口会带来什么样的好处。

    由于JESD204B采用16位数据格式输出，并需要8到10位转换，对于一个AFE，8通道14位40 MHz采样率的输出信号，数据率是20×40×8=6.4 Gb/s。AD9671的JESD204B接口每对线支持的最大速率是5.0 Gb/s，那么只需要2对线就可以完成8通道的数据输出。那么对于一个128通道的超声系统来说，所需的输出数据线只需要128/8×2=32对。相比于160对的LVDS线，整整减少了80%的物理连线。

3 结论

    本文提出了基于数字解调器和JESD204B接口的多通道超声系统设计，分别对数字解调器和JESD204B在超声系统中的应用优势进行了分析。与目前基于RF波束合成和LVDS接口的设计相比，模拟前端和数字处理部分之间的数据率降低了77%，物理连线减少了80%。如果将两者结合起来分析，那么物理连线将进一步减少。因此，本文设计的系统有效地简化了电路设计和软件处理的复杂度，降低了系统的运算量和成本。

参考文献

[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/.