便攜式超聲設(shè)備及SHARC 2147x處理器的應(yīng)用分析

浮點數(shù)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(yī)療保健等領(lǐng)域要求較高精度的應(yīng)用通常都有這個需求。醫(yī)療超聲設(shè)備是目前在用的最復(fù)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(zhàn)在于要在不犧牲系統(tǒng)性能的條件下實現(xiàn)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降低功率預(yù)算以實現(xiàn)便攜式超聲等應(yīng)用的挑戰(zhàn)。

本文討論了便攜式超聲設(shè)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(tǒng)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)的進步推動了便攜設(shè)備的發(fā)展，但在醫(yī)療超聲系統(tǒng)設(shè)計中仍有許多基本組件需要將全部醫(yī)院內(nèi)的功能帶到以前超聲無法使用的災(zāi)區(qū)。這是醫(yī)療設(shè)備開發(fā)人員義不容辭的責(zé)任，他們提供的產(chǎn)品應(yīng)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(shè)備而言，系統(tǒng)性能意味著能夠以與某些特定系統(tǒng)一樣的清晰度和精確度來解釋圖像——只是現(xiàn)在它承載了滿足重量、尺寸、電池壽命和成本等特定類別的約束條件。這些設(shè)計約束要求元器件具有實時運算能力、低功耗，以及針對產(chǎn)品設(shè)計考慮的低成本和緊湊性。隨著便攜式超聲設(shè)備的興起，同時滿足低功耗和保持性能等級不變的挑戰(zhàn)變得越來越艱巨。

連續(xù)波多譜勒成像

超聲成像技術(shù)基于Johann Christian的多譜勒原理，即運動物體會發(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向血管導(dǎo)入波束然后檢測血液流動(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(xù)波(CW)多譜勒。脈沖波多譜勒沿著掃描線傳送超聲脈沖，用接收信號之間的相對時間計算多譜勒頻率——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(xù)波多譜勒超聲

本文主要討論第二種，即連續(xù)波多譜勒超聲，它能探查和測量身體內(nèi)運動組織的速度。由于產(chǎn)生的是連續(xù)波，連續(xù)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(xù)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(chǔ)。

正如名字的含義一樣，在使用連續(xù)波多譜勒超聲技術(shù)時，發(fā)送傳感器(壓電晶體)將發(fā)送一個連續(xù)的單頻音，同時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(tǒng)中的流動速度和方向，連續(xù)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(xù)波多譜勒信號的動態(tài)范圍是超聲系統(tǒng)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將產(chǎn)生非常微弱的多譜勒信號，因此整個連續(xù)波信號鏈需要較寬的動態(tài)范圍。高質(zhì)量超聲系統(tǒng)性能與是否實現(xiàn)很好的信號鏈集成直接相關(guān)。

浮點處理的動態(tài)范圍

浮點運算中固有的求冪確?？色@得大得多的動態(tài)范圍——可以出現(xiàn)最大和最小的值——這在處理特別大的數(shù)據(jù)集或范圍可能無法預(yù)測的數(shù)據(jù)集時尤其重要。因此，浮點處理器是多譜勒超聲等運算密集型應(yīng)用的理想之選。這種動態(tài)范圍處理能使采用連續(xù)波多譜勒技術(shù)的便攜式超聲系統(tǒng)檢測到上述非常低的信號。連續(xù)波路徑中數(shù)字信號處理單元的功能是至少實現(xiàn)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)組件可以處理整個信號鏈中的超聲信號。就像任何復(fù)雜技術(shù)一樣，高度集成的組件可提高總體系統(tǒng)效率和性能。對于像便攜式超聲這樣的信號處理密集應(yīng)用，整個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。為了實現(xiàn)精密分析，從接收、到前端模擬信號處理組件再到數(shù)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應(yīng)用。SHARC 2147x系列處理器集成了一個具有40位擴展精度能力的32位浮點運算單元，支持寬動態(tài)范圍和很高精度的計算，并且設(shè)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電池壽命。低功耗還意味著無需任何強制散熱技術(shù)，允許處理器用于空間相當(dāng)緊張的場合。SHARC 2147x系列處理器具有非常小的外形尺寸，因此可以實現(xiàn)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(yīng)用。

SHARC 2147x系列處理器具備5Mb的片上內(nèi)存，因此將外部存儲器的需求降至最低，從而提高了系統(tǒng)的總體性能。在一些緊湊的嵌入式應(yīng)用實現(xiàn)中，僅片上內(nèi)存就夠用了，無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(nèi)存，超聲系統(tǒng)開發(fā)可以實現(xiàn)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(nèi)存映像功能的專用硬件加速器，可以用來實現(xiàn)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)組件可以用來優(yōu)化模擬信號鏈性能，同時限制電路板組件數(shù)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，還包含有一個集成式I/Q解調(diào)器，因此可以在很小外形尺寸和超低功耗的條件下實現(xiàn)連續(xù)波多譜勒處理。具有8通道帶低噪聲預(yù)放(LNA)的可變增益放大器(VGA)的時間增益控制(TGC)通道、抗混疊濾波器(AAF)、12位10MSPS至80MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)可為高端超聲系統(tǒng)提供高質(zhì)量的成像系統(tǒng)。內(nèi)置帶每通道可編程相位延時功能的I/Q解調(diào)器使得系統(tǒng)可以處理具有特別大動態(tài)范圍的連續(xù)波多譜勒信號。

將ADI公司SHARC 2147x用作核心浮點處理器、AD9276用作模擬前端的超聲設(shè)備實現(xiàn)。