便攜式超聲設備及SHARC 2147x處理器的應用分析

浮點(diǎn)數字信號處理已成為精密技術(shù)的一貫需求，航空、工業(yè)機器和醫療保健等領(lǐng)域要求較高精度的應用通常都有這個(gè)需求。醫療超聲設備是目前在用的最復雜的信號處理機器之一，并且逐漸向便攜式領(lǐng)域擴展。其面臨的挑戰在于要在不犧牲系統性能的條件下實(shí)現這種密集信號處理。憑借低功耗SHARC 2147x處理器的推出，ADI公司已經(jīng)完全能夠解決提供精密處理同時(shí)降低功率預算以實(shí)現便攜式超聲等應用的挑戰。

本文討論了便攜式超聲設備的使用、所用的處理技術(shù)以及SHARC 2147x系列處理器如何以最低功耗水平提供必要功能。

不犧牲性能的便攜性

像超聲系統等關(guān)鍵護理技術(shù)要求不管是臨床還是遠程使用都必須具備足夠的可靠性和一致的質(zhì)量。雖然低功耗技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了便攜設備的發(fā)展，但在醫療超聲系統設計中仍有許多基本組件需要將全部醫院內的功能帶到以前超聲無(wú)法使用的災區。這是醫療設備開(kāi)發(fā)人員義不容辭的責任，他們提供的產(chǎn)品應該能在多種環(huán)境、商業(yè)和技術(shù)約束下提供最高的圖像完整性能。特別是對于便攜式超聲設備而言，系統性能意味著(zhù)能夠以與某些特定系統一樣的清晰度和精確度來(lái)解釋圖像——只是現在它承載了滿(mǎn)足重量、尺寸、電池壽命和成本等特定類(lèi)別的約束條件。這些設計約束要求元器件具有實(shí)時(shí)運算能力、低功耗，以及針對產(chǎn)品設計考慮的低成本和緊湊性。隨著(zhù)便攜式超聲設備的興起，同時(shí)滿(mǎn)足低功耗和保持性能等級不變的挑戰變得越來(lái)越艱巨。

連續波多譜勒成像

超聲成像技術(shù)基于Johann Christian的多譜勒原理，即運動(dòng)物體會(huì )發(fā)出可檢測的頻率——“多譜勒頻移”或聲音。例如，血液密度的超聲圖像就是通過(guò)向血管導入波束然后檢測血液流動(dòng)(的“聲音”)而創(chuàng )建的。多譜勒超聲成像有兩種主要模式，即脈沖波(PW)多譜勒和連續波(CW)多譜勒。脈沖波多譜勒沿著(zhù)掃描線(xiàn)傳送超聲脈沖，用接收信號之間的相對時(shí)間計算多譜勒頻率——因此可以利用發(fā)送器的脈沖特性得到血流位置信息。

連續波多譜勒超聲

本文主要討論第二種，即連續波多譜勒超聲，它能探查和測量身體內運動(dòng)組織的速度。由于產(chǎn)生的是連續波，連續波多譜勒具有較高的靈敏度和較低的帶寬要求，通常小于100kHz，因此對于評估較高的血流速度特別有效。連續波多譜勒的高速度檢測可用于先天性或心臟瓣膜病的診斷，因為高血液流速配置跟蹤是檢測這些疾病的基礎。

正如名字的含義一樣，在使用連續波多譜勒超聲技術(shù)時(shí)，發(fā)送傳感器(壓電晶體)將發(fā)送一個(gè)連續的單頻音，同時(shí)接收傳感器記錄聲學(xué)回音超聲波信號。因為拍頻(多譜勒頻移)的解釋決定了血液在心臟血管系統中的流動(dòng)速度和方向，連續波路徑中的高性能信號處理是測量精度的關(guān)鍵要素。連續波多譜勒信號的動(dòng)態(tài)范圍是超聲系統中所有信號中最大的，部分原因是從穿越接收路徑的發(fā)送信號(是由信號傳送的半雙工特性造成的)產(chǎn)生的泄漏以及接近體表的固定身體部分產(chǎn)生的反射。檢測身體中較深血管的血液流動(dòng)將產(chǎn)生非常微弱的多譜勒信號，因此整個(gè)連續波信號鏈需要較寬的動(dòng)態(tài)范圍。高質(zhì)量超聲系統性能與是否實(shí)現很好的信號鏈集成直接相關(guān)。

浮點(diǎn)處理的動(dòng)態(tài)范圍

浮點(diǎn)運算中固有的求冪確?？色@得大得多的動(dòng)態(tài)范圍——可以出現最大和最小的值——這在處理特別大的數據集或范圍可能無(wú)法預測的數據集時(shí)尤其重要。因此，浮點(diǎn)處理器是多譜勒超聲等運算密集型應用的理想之選。這種動(dòng)態(tài)范圍處理能使采用連續波多譜勒技術(shù)的便攜式超聲系統檢測到上述非常低的信號。連續波路徑中數字信號處理單元的功能是至少實(shí)現壁濾波、包絡(luò )檢測和快速傅立葉變換(FFT)。

ADI公司的全信號鏈集成

ADI公司的SHARC 2147x系列DSP和模擬前端(AFE)組件可以處理整個(gè)信號鏈中的超聲信號。就像任何復雜技術(shù)一樣，高度集成的組件可提高總體系統效率和性能。對于像便攜式超聲這樣的信號處理密集應用，整個(gè)信號鏈的速度和效率將直接影響質(zhì)量的保持，盡管是便攜形式。為了實(shí)現精密分析，從接收、到前端模擬信號處理組件再到數字信號處理及后端保持強大的信號完整性是關(guān)鍵所在。

ADI公司新推出的SHARC 2147x系列處理器主要用于計算密集型浮點(diǎn)應用。SHARC 2147x系列處理器集成了一個(gè)具有40位擴展精度能力的32位浮點(diǎn)運算單元，支持寬動(dòng)態(tài)范圍和很高精度的計算，并且設計工作在高頻率，功耗卻很低。這些處理器使用低功耗工藝技術(shù)來(lái)降低總體功耗，并且還采用了其它功耗降低技術(shù)，空閑狀態(tài)時(shí)功耗非常小。低激活功耗和很低空閑功耗的這種組合可延長(cháng)電池壽命。低功耗還意味著(zhù)無(wú)需任何強制散熱技術(shù)，允許處理器用于空間相當緊張的場(chǎng)合。SHARC 2147x系列處理器具有非常小的外形尺寸，因此可以實(shí)現很高的空間使用效率——所有這些特性都極其適合便攜式超聲應用。

SHARC 2147x系列處理器具備5Mb的片上內存，因此將外部存儲器的需求降至最低，從而提高了系統的總體性能。在一些緊湊的嵌入式應用實(shí)現中，僅片上內存就夠用了，無(wú)需再使用外部存儲器，從而降低了材料清單(BOM)成本。由于具備5Mb的片上內存，超聲系統開(kāi)發(fā)可以實(shí)現最低的BOM成本和最大的便攜能力。為了使芯片性能達到最大，SHARC 2147x系列處理器還集成了帶獨立運算單元和DMA內存映像功能的專(zhuān)用硬件加速器，可以用來(lái)實(shí)現在解碼和分析返回的多譜勒信號中各種速度分量的并行FFT處理功能。另外，將FFT運算卸載到這個(gè)并行引擎上還能降低FFT處理周期的功耗。

模擬前端(AFE)組件可以用來(lái)優(yōu)化模擬信號鏈性能，同時(shí)限制電路板組件數量，使功耗最低。ADI公司的AD9276八路接收器不僅包含了B模式和脈沖波多譜勒模式成像的處理能力，還包含有一個(gè)集成式I/Q解調器，因此可以在很小外形尺寸和超低功耗的條件下實(shí)現連續波多譜勒處理。具有8通道帶低噪聲預放(LNA)的可變增益放大器(VGA)的時(shí)間增益控制(TGC)通道、抗混疊濾波器(AAF)、12位10MSPS至80MSPS模數轉換器(ADC)可為高端超聲系統提供高質(zhì)量的成像系統。內置帶每通道可編程相位延時(shí)功能的I/Q解調器使得系統可以處理具有特別大動(dòng)態(tài)范圍的連續波多譜勒信號。

將ADI公司SHARC 2147x用作核心浮點(diǎn)處理器、AD9276用作模擬前端的超聲設備實(shí)現。