基于SHARC 2147x处理器的浮点数字信号处理

浮点数字信号处理已成为精密技术的一贯需求，航空、工业机器和医疗保健等领域要求较高精度的应用通常都有这个需求。医疗超声设备是目前在用的最复杂的信号处理机器之一，并且逐渐向便携式领域扩展。其面临的挑战在于要在不牺牲系统性能的条件下实现这种密集信号处理。凭借低功耗SHARC 2147x处理器的推出，ADI公司已经完全能够解决提供精密处理同时降低功率预算以实现便携式超声等应用的挑战。

本文讨论了便携式超声设备的使用、所用的处理技术以及SHARC 2147x系列处理器如何以最低功耗水平提供必要功能。

不牺牲性能的便携性

像超声系统等关键护理技术要求不管是临床还是远程使用都必须具备足够的可靠性和一致的质量。虽然低功耗技术的进步推动了便携设备的发展，但在医疗超声系统设计中仍有许多基本组件需要将全部医院内的功能带到以前超声无法使用的灾区。这是医疗设备开发人员义不容辞的责任，他们提供的产品应该能在多种环境、商业和技术约束下提供最高的图像完整性能。特别是对于便携式超声设备而言，系统性能意味着能够以与某些特定系统一样的清晰度和精确度来解释图像——只是现在它承载了满足重量、尺寸、电池寿命和成本等特定类别的约束条件。这些设计约束要求元器件具有实时运算能力、低功耗，以及针对产品设计考虑的低成本和紧凑性。随着便携式超声设备的兴起，同时满足低功耗和保持性能等级不变的挑战变得越来越艰巨。

连续波多谱勒成像

超声成像技术基于Johann Christian的多谱勒原理，即运动物体会发出可检测的频率——“多谱勒频移”或声音。例如，血液密度的超声图像就是通过向血管导入波束然后检测血液流动(的“声音”)而创建的。多谱勒超声成像有两种主要模式，即脉冲波(PW)多谱勒和连续波(CW)多谱勒。脉冲波多谱勒沿着扫描线传送超声脉冲，用接收信号之间的相对时间计算多谱勒频率——因此可以利用发送器的脉冲特性得到血流位置信息。

连续波多谱勒超声

本文主要讨论第二种，即连续波多谱勒超声，它能探查和测量身体内运动组织的速度。由于产生的是连续波，连续波多谱勒具有较高的灵敏度和较低的带宽要求，通常小于100kHz，因此对于评估较高的血流速度特别有效。连续波多谱勒的高速度检测可用于先天性或心脏瓣膜病的诊断，因为高血液流速配置跟踪是检测这些疾病的基础。

正如名字的含义一样，在使用连续波多谱勒超声技术时，发送传感器(压电晶体)将发送一个连续的单频音，同时接收传感器记录声学回音超声波信号。因为拍频(多谱勒频移)的解释决定了血液在心脏血管系统中的流动速度和方向，连续波路径中的高性能信号处理是测量精度的关键要素。连续波多谱勒信号的动态范围是超声系统中所有信号中最大的，部分原因是从穿越接收路径的发送信号(是由信号传送的半双工特性造成的)产生的泄漏以及接近体表的固定身体部分产生的反射。检测身体中较深血管的血液流动将产生非常微弱的多谱勒信号，因此整个连续波信号链需要较宽的动态范围。高质量超声系统性能与是否实现很好的信号链集成直接相关。

浮点处理的动态范围

浮点运算中固有的求幂确保可获得大得多的动态范围——可以出现最大和最小的值——这在处理特别大的数据集或范围可能无法预测的数据集时尤其重要。因此，浮点处理器是多谱勒超声等运算密集型应用的理想之选。这种动态范围处理能使采用连续波多谱勒技术的便携式超声系统检测到上述非常低的信号。连续波路径中数字信号处理单元的功能是至少实现壁滤波、包络检测和快速傅立叶变换(FFT)。

ADI公司的全信号链集成

ADI公司的SHARC 2147x系列DSP和模拟前端(AFE)组件可以处理整个信号链中的超声信号。就像任何复杂技术一样，高度集成的组件可提高总体系统效率和性能。对于像便携式超声这样的信号处理密集应用，整个信号链的速度和效率将直接影响质量的保持，尽管是便携形式。为了实现精密分析，从接收、到前端模拟信号处理组件再到数字信号处理及后端保持强大的信号完整性是关键所在。

ADI公司新推出的SHARC 2147x系列处理器主要用于计算密集型浮点应用。SHARC 2147x系列处理器集成了一个具有40位扩展精度能力的32位浮点运算单元，支持宽动态范围和很高精度的计算，并且设计工作在高频率，功耗却很低。这些处理器使用低功耗工艺技术来降低总体功耗，并且还采用了其它功耗降低技术，空闲状态时功耗非常小。低激活功耗和很低空闲功耗的这种组合可延长电池寿命。低功耗还意味着无需任何强制散热技术，允许处理器用于空间相当紧张的场合。SHARC 2147x系列处理器具有非常小的外形尺寸，因此可以实现很高的空间使用效率——所有这些特性都极其适合便携式超声应用。

SHARC 2147x系列处理器具备5Mb的片上内存，因此将外部存储器的需求降至最低，从而提高了系统的总体性能。在一些紧凑的嵌入式应用实现中，仅片上内存就够用了，无需再使用外部存储器，从而降低了材料清单(BOM)成本。由于具备5Mb的片上内存，超声系统开发可以实现最低的BOM成本和最大的便携能力。为了使芯片性能达到最大，SHARC 2147x系列处理器还集成了带独立运算单元和DMA内存映像功能的专用硬件加速器，可以用来实现在解码和分析返回的多谱勒信号中各种速度分量的并行FFT处理功能。另外，将FFT运算卸载到这个并行引擎上还能降低FFT处理周期的功耗。

模拟前端(AFE)组件可以用来优化模拟信号链性能，同时限制电路板组件数量，使功耗最低。ADI公司的AD9276八路接收器不仅包含了B模式和脉冲波多谱勒模式成像的处理能力，还包含有一个集成式I/Q解调器，因此可以在很小外形尺寸和超低功耗的条件下实现连续波多谱勒处理。具有8通道带低噪声预放(LNA)的可变增益放大器(VGA)的时间增益控制(TGC)通道、抗混叠滤波器(AAF)、12位10MSPS至80MSPS模数转换器(ADC)可为高端超声系统提供高质量的成像系统。内置带每通道可编程相位延时功能的I/Q解调器使得系统可以处理具有特别大动态范围的连续波多谱勒信号。

将ADI公司SHARC 2147x用作核心浮点处理器、AD9276用作模拟前端的超声设备实现。