SHARC 2147x系列處理器：浮點精度提升便攜式連續(xù)波多譜勒處理能力

　　浮點數(shù)字信號處理已成為精密技術的一貫需求，航空、工業(yè)機器和醫(yī)療保健等領域要求較高精度的應用通常都有這個需求。醫(yī)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公司已經完全能夠解決提供精密處理同時降低功率預算以實現(xiàn)便攜式超聲等應用的挑戰(zhàn)。本文討論了便攜式超聲設備的使用、所用的處理技術以及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)等關鍵護理技術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量。雖然低功耗技術的進步推動了便攜設備的發(fā)展，但在醫(yī)療超聲系統(tǒng)設計中仍有許多基本元件需要將全部醫(yī)院內的功能帶到以前超聲無法使用的災區(qū)。這是醫(yī)療設備開發(fā)人員義不容辭的責任，他們提供的產品應該能在多種環(huán)境、商業(yè)和技術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(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。這些設計約束要求元器件具有實時運算能力、低功耗，以及針對產品設計考慮的低成本和緊湊性。隨著便攜式超聲設備的興起，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運動組織的速度。由于產生的是連續(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。

　　正如名字的含義一樣，在使用連續(xù)波多譜勒超聲技術時，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)產生的泄漏以及接近體表的固定身體部分產生的反射。檢測身體中較深血管的血液流動將產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。

　　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)元件可以處理整個信號鏈中的超聲信號。就像任何復雜技術一樣，高度集成的元件可提高總體系統(tǒng)效率和性能。對于像便攜式超聲這樣的信號處理密集應用，整個信號鏈的速度和效率將直接影響質量的保持，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元件再到數(shù)字信號處理及后端保持強大的信號完整性是關鍵所在。