Entegre dijital demodülatör ve JESD204B arayüzlü yeni ultrasonik analog ön uç, veri hızını ve arayüz kablosunu% 80'e kadar azaltabilir
Özet
Bu makale, dijital demodülatör ve JESD204B arayüzüne dayalı çok kanallı bir ultrason sistemi alma şemasını tanıtmaktadır. Bu çözüm, analog ön uç ile dijital devre arasındaki fiziksel bağlantıların sayısını% 80'e kadar azaltırken, analog ön ucun (AFE) çıkış veri hızını büyük ölçüde azaltır. Ek olarak, bu şemayı kullanan ultrason sistemi, daha düşük maliyetli ve hesaplama açısından daha az verimli alan programlanabilir kapı dizilerinin (FPGA) kullanılması ve gerçek zamanlı elde etmek için yazılım ışın sentezi ve daha yüksek sıralı çok ışınlı işlemenin kullanılması gibi daha fazla hedefe ulaşabilir. 4D ve gelişmiş görüntü modları.
Tıbbi ultrasonun tıbbi teşhis alanında yaygın olarak uygulanmasıyla, doktorlar ultrason sistemlerinin görüntü kalitesi için giderek daha yüksek gereksinimlere sahip oluyor ve görüntü kalitesini iyileştirmenin en önemli göstergelerinden biri, alıcı kanalın sinyal-gürültü oranını artırmaktır. Alıcı kanalların sayısı her iki katına çıktığında, sinyal-gürültü oranı teorik olarak 3dB artabilir, bu nedenle sinyal-gürültü oranını iyileştirmenin en basit ve en etkili yollarından biri kanal sayısını artırmaktır. Şu anda 128 kanal, üst düzey tıbbi ultrason ekipmanının ana konfigürasyonu haline geldi ve 192 veya daha fazla kanal, üst düzey ekipmanlarda bir trend olacak. Kanal sayısındaki artışla birlikte, analog ön uç ve arka uç dijital işleme parçaları arasındaki veri miktarı ve fiziksel bağlantılar keskin bir şekilde artmış, bu da bağlantı noktalarının sayısı, işleme yetenekleri, maliyetler ve dijital devre cihazlarının genel alıcı devre tasarımı karmaşıklığı ve güç tüketimi ile sonuçlanmıştır. Buna bağlı olarak, dalga yükseldi. Mevcut ultrason sistemi temel olarak radyo frekansı (RF) ışın sentezini kullanır ve çıktı verilerinin miktarı tamamen analogdan dijitale dönüştürücünün (ADC) çözünürlüğü, örnekleme hızı ve kanal sayısı ile belirlenir; aynı zamanda ultrason analog ön ucu (AFE) genellikle düşük voltaj kullanır Diferansiyel sinyal (LVDS) çıkış arayüzü, 8 kanallı bir AFE, 8 çift LVDS veri hattı artı bir çift bit saati ve çerçeve saati gerektirir. 128'den fazla kanala sahip bir sistem için veri miktarı ve fiziksel bağlantı çok önemlidir.
Bu makale, yukarıda bahsedilen büyük veri hacmi ve karmaşık fiziksel bağlantıların neden olduğu sistem tasarım zorluklarını etkili bir şekilde çözen bir dijital demodülatör ve JESD204B tabanlı AFE ön uç ultrason sistemi teklif etmektedir. .
Ultrason sistemi, bir ultrason probu (dönüştürücü), verici devre, alıcı devre, arka uç dijital işleme devresi, kontrol devresi ve ekran modülünden oluşur. Şekil 1, kanalları ileten ve alan 128 kanallı JESD204B bazlı bir ultrason sisteminin bir blok diyagramıdır. Genellikle bir çevrimiçi programlanabilir mantık dizisi (FPGA) olan dijital işleme parçası, sistemin mevcut konfigürasyonuna ve kontrol parametrelerine göre karşılık gelen iletim dalga biçimini oluşturacak ve ultrason probunun dönüştürücüsünü uyarmak için iletim devresindeki sürücü ve yüksek voltaj devresi aracılığıyla yüksek voltaj üretecektir. Genellikle piezoelektrik seramikler, dönüştürücü voltaj sinyalini insan vücuduna ultrasona çevirir ve aynı zamanda insan vücudunun ürettiği yankıyı bir voltaj sinyaline dönüştürerek verici ve alıcı anahtarlama devresine iletir.İletici ve alıcı anahtarlama devresinin temel amacı yüksek voltajın zarar görmesini önlemektir. Düşük voltajlı analog ön uç. Analog ön uç, AFE'nin ADC'si tarafından dijital sinyale dönüştürülen ve karşılık gelen işleme için JESD204B yüksek hızlı arabirim aracılığıyla arka uç dijital parçaya gönderilen analog giriş sinyalini ayarlar, yükseltir ve filtreler ve son olarak bir ultrason görüntüsü oluşturur. Sistemin alıcı kanalı, 128 kanallı gönderme ve alma anahtarlama devresi, dijital demodülatör ve JESD204B arayüzlü 16 adet 8 kanallı entegre AFE ve JESD204B arayüzlü bir FPGA parçasından oluşmaktadır.
Şekil 1. 128 kanallı ultrasonik verici ve alıcı devre blok şeması
2 Entegre dijital demodülatör ve JESD204B arayüzlü yeni ultrasonik analog ön uç, veri hızını ve arayüz kablosunu% 80'e kadar azaltabilir
Şekil 2. AD9671'in fonksiyonel blok şeması
AD9671: Entegre dijital demodülatör ve JESD204B arayüzlü 8 kanallı ultrason AFE
Bu makalede tanıtılan ultrason sisteminin alıcı devresinde, Amerikan ADI firmasının 8 kanallı entegre dijital demodülatör ve ultrasonik analog ön uç AD9671 çipi ve JESD204B arayüzü seçilmiştir. Dahili 8 kanallı değişken kazanç amplifikatörü (VGA), düşük gürültü amplifikatörü (LNA), programlanabilir faz rotasyonu ve harmonik bastırmalı sürekli dalga (CW) I / Q demodülatör ve örtüşme önleyici filtre (AAF) vardır. ), 14 bit analogdan dijitale dönüştürücü (ADC), veri işleme ve bant genişliği azaltma için dijital demodülatör ve dekimatör ve JESD204B arayüzü. Şekil 2, AD9671'in fonksiyonel blok şemasını göstermektedir.
Şekil 3. Dijital demodülatörün blok şeması
Dijital demodülatör
Dijital demodülatör, bir temel bant demodülatöründen ve bir alçak geçiren filtre içeren bir temel bant desimatöründen oluşur. Temel bant demodülatör, ADC tarafından RF sinyal çıkışını karesel demodülasyon yoluyla bir I / Q sinyaline dönüştürür Temel bant desimatör, alçak geçiren filtrenin bant genişliğini ayarlayarak yüksek frekanslı sinyalleri filtreler ve ultrason görüntüleri için yararlı olan sinyalleri korumayı seçer. Şekil 3, bir dijital demodülatörün bir blok diyagramıdır.
JESD204B arayüzü
AD9671'in dijital çıkış arayüzü, veri dönüştürücünün seri arayüz standardı olan JESD204B'yi tamamen takip eder. AD9671'in JESD204B arayüzü, arka uç dijital işleme parçasının FPGA'sına ve 5.0Gbps'lik maksimum çıkış veri hızına bağlanmak için 1 telli, 2 telli ve 4 telli modları esnek bir şekilde destekleyebilir.
Sistem tasarımı ve uygulaması
Bu bölüm, dijital demodülatör ve JESD204B arayüzünü kullanmanın faydalarını sistem uygulamasına daha fazla analiz etmek için AD9671'e dayalı çok kanallı ultrason sisteminin alıcı devre tasarımını tanıtmaktadır.
Devre tasarımı alma
ADI'nin AD9671'ine dayalı olarak, 32 kanallı bir alıcı devre modülü, sistemin uygulanabilirliğini doğrulamak için tasarlanmıştır.Bu modüllerden 4'ünün kullanılması, 128 kanallı bir ultrason sistemi alıcı kanalı oluşturabilir. Bu modülün üst seviye şematik diyagramı Şekil 4'te gösterildiği gibidir. Bu modül, veri okuma ve işlemenin yanı sıra ultrasonik sinyal işleme ve görüntü oluşturma için özel bir FMC konektörü aracılığıyla arka uç FPGA'ya bağlanabilir.
Şekil 4. Alıcı devrenin üst seviye blok şeması
Dijital demodülatör uygulama analizi
128 kanallı bir ultrason sistemi için, 40 MSPS örnekleme hızına sahip 14 bitlik bir ADC kullanılıyorsa, geleneksel RF ışın sentezi algoritması kullanılır ve ADC dönüşümünden sonraki RF verileri doğrudan ışın sentez modülüne çıkarılır, ardından ADC çıkışı ve ışın sentezi gerçekleştirilir. FPGA'lar arasındaki veri hızı 14 * 40 * 128 = 71.68Gbps'dir.
Aşağıda, dijital bir demodülatör kullanmanın avantajları analiz edilecektir.
Dijital demodülatörün temel bant demodülatörü, kareleme demodülasyonu gerçekleştirir ve ADC'nin sayısallaştırılmış RF sinyal çıkışını karmaşık bir sinüs sinyaliyle çarpar; burada, demodülasyon frekansı, ultrason probunun merkez frekansı olarak alınabilir ve merkez frekansı aşağı dönüştürülür. 0 Hz'ye kadar. Bu şekilde gerçek kısım I ve hayali kısım Q verileri elde edilir. Sondanın merkez frekansındaki frekans sinyalini ve bunun yakınındaki yararlı bant genişliğini yaklaşık 0 Hz'ye düşürdükten sonra, temel bant desimatördeki filtre, gereksiz frekansları filtrelemek için kullanılır ve ultrason görüntülerinin oluşturulması için yararlı olan frekans bandı bilgileri korunur.
Merkez frekansı 3.5MHz olan bir prob sensörü, temel bant demodülasyonu ve ekstraksiyonundan sonra 16-bit format I ve Q verileri çıkarır, veri hızı 2 (IQ) × 16 bit × 3.5 MHz × 128 kanal = 14.336 Gbps'dir. Orijinal 71.68 Gbps ile karşılaştırıldığında, I ve Q kanalları aynı anda çıksa bile, veri hızı% 80 azalır.
JESD204B Arayüzünün Uygulama Analizi
Mevcut çok kanallı ultrason sistemi uygulamalarında AFE ve ADC için, LVDS uzun süredir paralel arabirim çıktısının yerini almıştır.Ancak, 128'den fazla kanallı ultrason sistemleri için, ADC tarafından çıkarılan çok sayıda LVDS hattının yayılma sorunu tasarım mühendisleri için hala bir sorundur. Baş ağrısı sorunu. Mevcut ultrasonik AFE'ler temelde 8 kanallı entegre çiplerdir.Bir AFE'nin 10 çift hat çıkışı yapması gerekir 128 kanallı bir ultrason sistemi için, FPGA'ya bağlanmak için 128/8 * 10 = 160 çift LVDS verisi ve saat hattı gerekir.
Aşağıda, JESD204B arayüzünü kullanmanın avantajları analiz edilecektir.
JESD204B, çıktı için 16 bitlik bir veri formatı kullandığından ve 8 ila 10 bit dönüşüm gerektirdiğinden, örnekleme hızı 40 MHz olan bir AFE, 8 kanallı 14 bit çıkış sinyali için, veri hızı 20 * 40 * 8 = 6,4 Gb / sn'dir. AD9671 JESD204B arayüzünün her bir hat çifti tarafından desteklenen maksimum hız 5.0Gbps'dir, bu nedenle 8 kanallı veri çıkışını tamamlamak için yalnızca iki çift hat gerekir. Daha sonra 128 kanallı bir ultrason sistemi için, gerekli çıktı veri hatları yalnızca 128/8 * 2 = 32 çifte ihtiyaç duyar. 160 çift LVDS hattı ile karşılaştırıldığında, fiziksel bağlantı sayısı% 80 oranında azalır.
Sonuç: Bu makale, dijital bir demodülatör ve JESD204B arayüzüne sahip 8 kanallı bir AFE olan AD9671'e dayanan çok kanallı bir ultrason sistemi tasarımını tanıttı. Bu makale aynı zamanda bu AFE ve dijital demodülatör ve JESD204B arayüzünü ultrason sisteminde kullanmanın avantajlarını da analiz etmektedir. RF hüzmeleme ve LVDS arayüzüne dayalı mevcut tasarımla karşılaştırıldığında, analog ön uç ile dijital işleme cihazı arasındaki veri hızı ve arayüz bağlantısı% 80 oranında azaltılabilir. Analizde iki yöntem birleştirilirse, fiziksel bağlantıların sayısı daha da azaltılabilir. Bu nedenle, bu makalede sunulan sistem tasarımı, devre tasarımını ve yazılım işleme karmaşıklığını etkili bir şekilde basitleştirir ve veri arayüzünün fiziksel kablolaması için gerekli devre kartı alanını azaltarak ve hesaplama karmaşıklığını azaltarak sistem tasarım maliyetlerini azaltır.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
