El nuevo demodulador digital JESD204B y el frontal ultrasónico analógico reducen la velocidad de transmisión de datos y el enrutamiento de la interfaz hasta en un 80

Se presenta un diseño basado en un demodulador digital y una interfaz JESD204B para sistemas receptores de ultrasonidos multicanal. Este diseño reduce la velocidad de los datos y simplifica el enrutamiento de la placa entre el extremo frontal analógico (AFE) y los circuitos de procesamiento digital hasta en un 80%. Además, el sistema de ultrasonidos puede alcanzar más objetivos, como el uso de matrices de puertas programables en campo (FPGA), más baratas y menos eficientes desde el punto de vista computacional, un formador de haces basado en software y un procesamiento multilínea de orden superior para los modos de imagen en 4D y en tiempo real avanzado.

Introducción

Dado que los ultrasonidos médicos se utilizan ampliamente en el campo del diagnóstico médico, los médicos exigen cada vez más una mejor calidad de imagen de los sistemas de imágenes por ultrasonidos, y una de las técnicas clave para mejorar la calidad de la imagen es mejorar la relación señal/ruido del canal de recepción. Cuando el número de canales de recepción de un sistema se duplica, la relación señal/ruido debería mejorar teóricamente en 3 dB. Por eso, aumentar el número de canales del sistema se ha convertido en el método más sencillo y eficaz para mejorar la relación señal/ruido. En la actualidad, 128 canales se han convertido con éxito en la configuración habitual de los equipos de ultrasonidos médicos de nivel medio y alto, y 192 o más canales se convertirán en la próxima tendencia para los sistemas de gama alta. A medida que aumenta el número de canales, la velocidad de transmisión de datos entre el procesamiento del front-end analógico y el back-end digital, así como las conexiones físicas, aumentan drásticamente. También provocan un aumento del número de interfaces de dispositivos de circuitos digitales, de la potencia de procesamiento, de los costes, de la complejidad de diseño de todo el circuito receptor y del correspondiente consumo de energía. Actualmente, el sistema ultrasónico utiliza la formación de haces de radiofrecuencia (RF). La tasa de datos de salida está totalmente determinada por la resolución, la tasa de muestreo y el número de canales del convertidor analógico-digital (ADC). Por su parte, el front-end analógico (AFE) suele utilizar interfaces de salida de baja tensión diferencial (LVDS). Un AFE octal requiere ocho pares de cables de datos LVDS más un par de reloj de datos y otro de reloj de trama. Para un sistema con más de 128 canales, hay una cantidad importante de datos y conexiones físicas.

En este artículo, se presenta una solución de diseño de canal de receptor ultrasónico basado en AFE octal con demodulador digital e interfaz JESD204B, que resuelve eficazmente las dificultades de diseño causadas por las grandes velocidades de datos y las complejas conexiones físicas del sistema, como se ha mencionado anteriormente.

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Arquitectura del sistema

Un sistema de ultrasonidos consta de una sonda (transductor), un circuito de transmisión, un circuito de recepción, un circuito de procesamiento digital de fondo, un circuito de control, un módulo de visualización, etc. La figura 1 es un diagrama de bloques de un canal de transmisión/recepción de un sistema ultrasónico de 128 canales con interfaz JESD204B. El módulo de procesamiento digital suele estar formado por una matriz de puertas programables en campo (FPGA), que genera las formas de onda correspondientes en función de la configuración actual y los parámetros de control del sistema. El conductor del circuito transmisor y el circuito de alta tensión generan entonces una alta tensión para accionar los transductores ultrasónicos. El transductor ultrasónico suele consistir en un transductor cerámico piezoeléctrico (PZT). Convierte la señal de tensión en ondas de ultrasonido que penetran en el cuerpo humano mientras recibe los ecos producidos por los tejidos. A continuación, los ecos se convierten en una señal de tensión y se transmiten a un circuito de conmutación de transmisión/recepción (T/R). El objetivo principal del circuito de conmutación T/R es evitar que la señal de transmisión de alta tensión dañe el frontal analógico de recepción de baja tensión. Tras el acondicionamiento de la señal, la ganancia y el filtrado, la señal de tensión analógica se pasa al ADC integrado en el AFE y se convierte en datos digitales, que luego se transmiten a través de una interfaz JESD204B al back-end digital para su correspondiente procesamiento y crear finalmente la imagen ecográfica. El canal de recepción consta de un circuito de conmutación T/R de 128 canales, dispositivos AFE de ultrasonidos de 16 canales con demodulador digital e interfaz JESD204B, y una FPGA con interfaz JESD204B.

Figura 1. Diagrama de bloques del sistema de ultrasonidos de 128 canales.

AD9671: AFE ultrasónico octal con demodulador digital e interfaz JESD204B

Se eligió el AD9671, el AFE ultrasónico octal de Analog Devices (ADI) con demodulador digital e interfaz JESD204B, para utilizarlo en este circuito receptor del sistema ultrasónico. Contiene ocho canales de un amplificador de ganancia variable (VGA) con un amplificador de bajo ruido (LNA), un demodulador I/Q de rechazo de armónicos de onda continua (CW) con rotación de fase programable, un filtro antialiasing (AAF), un ADC de 14 bits, un demodulador digital y un decimador para el procesamiento de datos y la reducción del ancho de banda, e interfaces JESD204B. La figura 2 es un diagrama de bloques del AD9671.

Figura 2. Diagrama de bloques del AD9671.

Demodulador digital

El demodulador digital está formado por un demodulador de banda base y un decimador de banda base. El demodulador convierte la señal de RF en una señal de cuadratura de banda base. El exceso de muestreo se reduce con el decimador. La figura 3 es un diagrama de bloques de un demodulador digital.

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Figura 3: Diagrama de bloques de un demodulador digital.

Interfaz JESD204B

La salida digital del AD9671 cumple la norma JEDEC JESD204B, interfaz en serie para convertidores de datos. El AD9671 admite interfaces de uno, dos o cuatro canales. Puede conectarse a una FPGA con una velocidad máxima de salida de datos de 5,0 Gbps.

Diseño y aplicación del sistema

En este apartado se presenta el diseño del circuito receptor del sistema de ultrasonidos multicanal AD9671 y se analizan con más detalle las ventajas de utilizar demoduladores digitales e interfaces JESD204B para el sistema.

Diseño del circuito receptor

En la Figura 4 se muestra el dibujo superior de un módulo de circuito receptor de 32 canales, que puede diseñarse para verificar la viabilidad del sistema basado en el AD9671. Con cuatro de estos módulos se puede configurar un circuito receptor de 128 canales de un sistema de ultrasonidos. Este módulo puede utilizarse para realizar la captura y el procesamiento de datos, así como para el procesamiento de señales de ultrasonidos y la generación de imágenes, conectándose a una FPGA a través de un conector FMC dedicado.

Figura 4: Esquema de alto nivel del circuito receptor

Análisis de la aplicación del demodulador digital

Para un sistema de ultrasonidos de 128 canales, si se utiliza un ADC de 14 bits con una velocidad de muestreo de 40 MSPS y se utiliza un algoritmo de formación de haces de RF, la velocidad de datos entre la salida del ADC y la FPGA de formación de haces es de 14 × 40 × 128 = 71,68 Gbps.

A continuación se exponen las ventajas de utilizar un demodulador digital.

El demodulador de banda base de la señal de RF realiza la demodulación en cuadratura. Esto se puede conseguir multiplicando la señal de RF digitalizada que sale del ADC por una señal sinusoidal compleja Ecuación 1donde fd es la frecuencia de demodulación que puede estar cerca de la frecuencia central del transductor ultrasónico para convertir la frecuencia central en unos 0 Hz. La señal de salida es una señal compleja que se representa por su I (en fase) y Q (fase en cuadratura). La frecuencia central de la sonda y todas las señales de la banda de frecuencias de interés se reducen a unos 0 Hz, los componentes de frecuencia no deseados se filtran con los filtros y el decimador para conservar la información de la banda que es útil para generar las imágenes de ultrasonidos.

Para un transductor de sonda con una frecuencia central de 3,5 MHz, tras la demodulación y la decimación en banda base, con la salida de datos I y Q en formato de 16 bits, la velocidad de datos es ahora de 2 (I&Q) × 16 bits × 3,5 MHz × 128 canales = 14,336 Gbps. En comparación con los 71,68 Gbps originales, la velocidad de transmisión de datos ha disminuido un 80%, aunque los canales I y Q salgan simultáneamente.

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Análisis de la aplicación de la interfaz JESD204B

En términos de AFE y ADC actuales en aplicaciones de sistemas de ultrasonidos multicanal, LVDS ha sustituido a la interfaz de salida paralela. Sin embargo, para los sistemas de ultrasonidos con 128 o más canales, el gran número de conexiones de cables LVDS para la salida del ADC sigue siendo un dolor de cabeza para los ingenieros de diseño. Con LVDS, hay 10 pares de hilos para un ADC octal en un sistema de ultrasonidos actual. Para un sistema de ultrasonidos de 128 canales, hay que conectar al FPGA 128/8 × 10 = 160 pares de cables LVDS de datos y de reloj.

A continuación se exponen las ventajas de utilizar la interfaz JESD204B.

Como el JESD204B utiliza un formato de salida digital de 16 bits y emplea una codificación 8B/10B, la velocidad de datos de salida para un AFE octal con una resolución de 14 bits y una velocidad de muestreo ADC de 40 MSPS es de 20 × 40 × 8 = 6,4 Gbps. La velocidad máxima de datos de cada canal de la interfaz JESD204B del AD9671 es de 5,0 Gbps, por lo que sólo se necesitan dos pares de canales de datos para implementar una salida de datos AFE de 8 canales. Así, para un sistema de ultrasonidos de 128 canales, sólo se necesitan 128/8 × 2 = 32 pares de canales de datos de salida, frente a 160 pares de cables LVDS; se elimina el 80% del enrutamiento de la interfaz física.

Conclusión

En este artículo se presenta el diseño de un sistema de ultrasonidos multicanal basado en el AD9671, un AFE octal con demodulador digital e interfaz JESD204B. Se analizan eficazmente las ventajas y beneficios de utilizar un AFE de este tipo con demodulador digital e interfaz JESD204B en un sistema de ultrasonidos, respectivamente. En comparación con la mayoría de los diseños actuales basados en la formación de haces de RF y la interfaz LVDS, la velocidad de datos y el enrutamiento de la interfaz entre el extremo frontal analógico y las partes de procesamiento digital se reducen en un 80%. Si se combinan los dos métodos en un solo análisis, las conexiones físicas se reducirán aún más. Por tanto, el diseño del sistema presentado en este artículo puede simplificar eficazmente el diseño del circuito y la complejidad del procesamiento del software, reduciendo el área de la placa necesaria para el enrutamiento de la interfaz de datos, el requisito de complejidad computacional y los costes de diseño del sistema.

Referencias

Norma JEDEC, Interfaz en serie para convertidores de datos, JESD204B (julio de 2011). Asociación de Tecnología de Estado Sólido JEDEC http://www.jedec.org/.

Saad, Ashraf. Visión general del procesamiento digital del AD967x y consideración del sistema. Analog Devices Inc, 2012.

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