基于數(shù)字解調(diào)器和JESD204B接口的多通道超聲接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2.AD9671功能框圖

數(shù)字解調(diào)器

數(shù)字解調(diào)器由基帶解調(diào)器和基帶抽取器組成。解調(diào)器將RF信號(hào)下變頻為基帶正交信號(hào)。抽取器減少了多余的過采樣。圖3是數(shù)字解調(diào)器的框圖。

圖3.數(shù)字解調(diào)器框圖。

JESD204B接口

AD9671數(shù)字輸出符合JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD204B，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器串行接口。AD9671支持單通道、雙通道或四通道接口。它可以連接到最大數(shù)據(jù)輸出速率為 5.0 Gbps 的 FPGA。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

本節(jié)介紹了AD9671多通道超聲系統(tǒng)的接收電路設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步分析了使用數(shù)字解調(diào)器和JESD204B接口的優(yōu)勢(shì)。

接收電路設(shè)計(jì)

圖4所示為32通道接收電路模塊原理圖，可用于驗(yàn)證基于AD9671的系統(tǒng)可行性。通過四個(gè)這樣的模塊，可以配置超聲系統(tǒng)的128通道接收電路。該模塊可用于執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和處理，并通過專用FMC連接器連接到FPGA來實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)處理和圖像生成。

圖4.接收電路的頂層原理圖。

數(shù)字解調(diào)器應(yīng)用分析

對(duì)于 128 通道超聲系統(tǒng)，如果使用采樣率為 40 MSPS 的 14 位 ADC，并且使用 RF 波束成形算法，則 ADC 輸出和波束成形 FPGA 之間的數(shù)據(jù)速率為 14 × 40 × 128 = 71.68 Gbps。

下面分析了使用數(shù)字解調(diào)器的好處。

RF信號(hào)的基帶解調(diào)器執(zhí)行正交解調(diào)。這可以通過將ADC輸出的數(shù)字化RF信號(hào)乘以復(fù)正弦信號(hào)

來實(shí)現(xiàn)，其中fd是可以接近超聲換能器中心頻率的解調(diào)頻率，以將中心頻率下變頻至0 Hz左右。輸出信號(hào)是一個(gè)復(fù)數(shù)信號(hào)，由其I（同相）和Q（正交相位）表示。探頭的中心頻率和所有感興趣的頻段信號(hào)被降檔到大約0 Hz，用濾波器和抽取器濾除不需要的頻率分量，以保留對(duì)生成超聲圖像有用的頻段信息。

對(duì)于中心頻率為3.5 MHz的探頭換能器，經(jīng)過基帶解調(diào)和抽取后，具有16位格式I和Q數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)速率現(xiàn)在為2（I&Q）×16位×3.5 MHz×128通道= 14.336 Gbps。 與原來的71.68 Gbps相比，即使I和Q通道同時(shí)輸出，數(shù)據(jù)速率也降低了80%。

JESD204B接口應(yīng)用分析

就當(dāng)前多通道超聲系統(tǒng)應(yīng)用中的AFE和ADC而言，LVDS已經(jīng)取代了并行輸出接口。然而，對(duì)于128通道或更高的超聲系統(tǒng)，ADC輸出的大量LVDS線連接仍然是設(shè)計(jì)工程師頭疼的問題。對(duì)于LVDS，當(dāng)前超聲系統(tǒng)中有一個(gè)八進(jìn)制AFE有10對(duì)電線。對(duì)于 128 通道超聲系統(tǒng)，需要將 128/8 × 10 = 160 對(duì) LVDS 數(shù)據(jù)和時(shí)鐘線連接到 FPGA。

下面分析了使用JESD204B接口的好處。

由于JESD204B使用16位數(shù)字輸出格式并使用8B/10B編碼，因此具有14位分辨率、40 MSPS ADC的八通道AFE的輸出數(shù)據(jù)速率為20 ×40 × 8 = 6.4 Gbps。AD9671 JESD204B接口每通道的最大數(shù)據(jù)速率為5.0 Gbps，因此只需兩對(duì)數(shù)據(jù)通道即可實(shí)現(xiàn)8通道AFE數(shù)據(jù)輸出。因此，對(duì)于 128 通道超聲系統(tǒng)，與 160 對(duì) LVDS 線相比，只需要 128/8 × 2 = 32 對(duì)輸出數(shù)據(jù)通道;消除了 80% 的物理接口路由。

結(jié)論

本文介紹了一種基于AD9671（具有數(shù)字解調(diào)器和JESD204B接口的八通道AFE）的多通道超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文分別有效分析了在超聲系統(tǒng)中使用這種帶有數(shù)字解調(diào)器和JESD204B接口的AFE的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和優(yōu)勢(shì)。與目前大多數(shù)RF波束成形和LVDS接口設(shè)計(jì)相比，模擬前端和數(shù)字處理部分之間的數(shù)據(jù)速率和接口路由都降低了80%。如果在分析中將這兩種方法組合在一起，物理連接將進(jìn)一步減少。因此，本文介紹的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以通過減少數(shù)據(jù)接口布線所需的電路板面積、計(jì)算復(fù)雜性要求以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，有效地簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)和軟件處理復(fù)雜性。

審核編輯：郭婷