中心議題：
- 個案研究—3個月制造出超聲波成像系統樣機
- 超聲波系統組件的集成
- 最終結果—可調和可定制的系統
解決方案：
- Diagnostic Sonar 利用 PXI 平臺構建其超聲波成像系統樣機
- 利用集成 AFE 開發更高性能系統
產品上市時間對于醫療產品至關重要。產品發布時間差幾個月會對項目投資收益率 (ROI) 產生極大的影響，可能會損失收益，也可能會錯過產品上市的最佳時機。但是，另一方面，醫療成像系統開發人員還必須使用最新的技術，讓系統擁有優異的模擬性能、復合信號處理與可視化，并利用高速模數轉換器 (ADC) 和更多的通道數目，獲得較高的數據吞吐量。
要求產品快速上市的同時又要使用新技術，這給產品設計帶來了巨大的挑戰。但是，現在新出現的一些工具可以幫助工程師們迅速地讓新的設計轉入樣機制造，并使其系統達到最佳性能。這些工具幫助開發人員使用可重配置現場可編程門陣列 (FPGA) 技術和面向應用型集成模擬前端 (AFE)，并結合靈活的集成平臺，更加快速地進行成像系統樣機開發。開發人員現在可以把模塊化 FPGA 硬件、集成 AFE、高級設計工具和工業標準平臺組合到一起，以構建高度靈活、可調節和可定制的成像系統。
個案研究—3個月制造出超聲波成像系統樣機
一家總部位于英國的公司 Diagnostic Sonar，對一種新型相控陣超聲波成像系統進行了概念展示。通過對現成 FPGA 硬件和具體應用集成 AFET 進行設計，并使用高級設計工具，它們從確定構架到制造出一臺能夠顯示實時超聲波圖像的樣機系統，總共只用了“3 個月”的時間。由于使用了現成的模塊化 FPGA 和 AFE 硬件構建系統，這個開發團隊才能夠在如此短的時間內制造出他們的首臺樣機系統。這種方法擁有極大的靈活性，并且具有可定制特性，從而讓開發團隊可以專心致力于超聲波處理算法和 I/O 接口這些更需要發揮其專業知識的方面。
圖 1 Diagnostic Sonar 利用 PXI 平臺構建其超聲波成像系統樣機
FPGA 擁有許多設計靈活性，讓開發人員可以嘗試一些新的想法，降低了系統開發早期存在的風險。由于 FPGA 可以通過軟件進行再配置，設計人員可以節省開發時間，能夠對 FPGA 編程以適應某些改動的同時演示基于硬件的處理過程，而這些改動是最初設計產品規格時所沒有想到的。
使用 FPGA進行樣機制造的一個挑戰是，利用傳統的硬件描述語言（例如：VHDL 等）對某個系統進行編程是一件非常耗時的工作，從而加長了項目的計劃時間線。但是，開發工具的一些最新進展讓我們可以將高級圖形工具用于總體系統設計，從而使 FPGA 編程變得更加高效。在適當情況下，它可使用現有的 VHDL IP（Xilinx CORE Generator™、內部開發、第三方等）。若使用正確，這些工具可以實現非常快速的原型系統開發，這樣算法和硬件性能便都能得到評估和改進。
Diagnostic Sonar 的開發團隊利用美國國家儀器公司的工具制造出了其系統樣機。這些工具包括使用 LabVIEW™ FPGA 組件編程的 NI FlexRIO™ 模塊化 FPGA 硬件，它是一種圖形設計語言，可用于設計 FPGA 電路，并且無需知道 VHDL 編碼知識。NI FlexRIO 把可交換、可定制 I/O 適配器組件和一個用戶可編程 FPGA 組件，一起組合到一個 PXI 或者 PXI Express 機架內。Virtex 系列 Xilinx FPGA 用在電路板上，目的是達到醫療成像等應用要求的 I/O 和信號處理性能。Diagnostic Sonar 公司過去使用 FPGA 開發電路板，但現在 NI FlexRIO 更能吸引他們，因為他們想使用熟悉的優秀硬件來制造樣機，而這些硬件已經包括了許多用于 I/O 連接、PCI Express 總線接口和 DRAM 通信的基礎組件。自己在內部開發這些組件會花費大量的時間，并且會轉移開發人員的注意力，讓其無法專心致力于產品的創新，而產品的最大附加值正是創新。[page]
圖 2 NI FlexRIO 是一個產品實例，它將用戶可編程 FPGA 和高度集成的 TI AFE與可定制 I/O 結合
一旦 Diagnostic Sonar 公司決定利用使用 NI FlexRIO 的現成模塊化 FPGA 構架來制造其系統樣機，下一步便是定義系統的 I/O。NI FlexRIO 平臺擁有各種模擬和數字適配器組件，可以滿足許多應用需求，但是它也允許系統開發人員設計其自己的定制 I/O，使用適配器組件開發工具包 (MDK) 連接至 FPGA。Diagnostic Sonar 公司已經具備了設計超聲波前端的經驗。但是，他們意識到要想達到最佳系統性能的通道密度要求，他們必需使用專門為超聲波應用設計的全集成 AFE。
利用集成 AFE 開發更高性能系統
超聲波系統性能會受到其模擬電路的極大影響。因此，AFE 的每一個特性對所有超聲波系統設計都至關重要。
超聲波系統的 AFE 由一個低噪放大器 (LNA)、壓控衰減器 (VCA)、可編程增益放大器 (PGA)、圖形保真濾波器 (AAF) 和模數轉換器 (ADC) 組成。LNA 提供獲得良好靈敏度所需的低噪放大。VCA 和 PGA 是時間增益控制 (TGC) 模塊的組成部分，可改善系統的動態范圍。另外，它們還允許增益隨時間而增加，目的是在信號通過人體時對增大的信號衰減進行補償。之后，對經過放大處理的信號進行濾波，以改善其信噪比 (SNR)。然后，通過一個 ADC 將所得到的信號轉換成數字格式，并利用接收波束生成器對其進行處理。AFE 的性能極大地推動著超聲波系統特性的演變，讓它的體積更小、重量更輕、電池壽命更長和圖像質量更高。
在開始 IC 設計以前，工藝選擇是半導體制造廠商的一個關鍵考慮因素。工藝選擇必須平衡性能、功耗、成本和升級可行性等方面。
不管設計的對象是高端汽車還是一個手持便攜式系統，AFE 通道整合都很重要。便攜式系統開發人員必須盡可能多地節省其電路板空間，并且高端系統必須針對高通道數目進行優化。過去五年，AFE 迅猛發展。2004 年，使用離散方法設計一個 16 通道的 AFE 需要超過 40 個組件。現在，只需要 2 個！
半導體工藝技術的發展讓我們能夠縮小尺寸、降低功耗和提高總性能。今天的一些AFE，例如：TI 的 AFE5808，性能提高了一倍，電路板空間減小了 94%，功耗降低了 67%。AFE 器件中更高的通道集成度讓尺寸大大減小，更少的組件數目節省了成本，而其布局也更加簡單—所有這些，最終讓系統擁有更高成本效益和更短產品上市時間成為現實。
圖 3 過去幾年面向具體應用的模擬前端極大地提高了集成度和性能
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超聲波系統組件的集成
許多設計人員的應用都要求盡可能地使用最高性能的 AFE，而 Diagnostic Sonar 公司則考慮使用 NI FlexRIO MDK 來圍繞最新的 AFE 構建其自己的設計。但是，最終他們都意識到可以利用 TI 的 AFE5801 所提供的高性能來實現其應用。AFE5801 擁有 8 通道，可提供 –5Db 到 +31Db 的數控掃描增益。他們可以使用一種現貨適配器組件 NI 5752，其將四個這種 AFE 集成到一個 32 通道組件中，擁有 50 MS/s 的采樣速率和 12 比特分辨率。
在系統接收端使用現成組件為他們節省了大量的開發時間，這樣他們可以將其精力放在硬件設計方面：NI FlexRIO（同 NI 5752 配對使用）的 32 通道、高壓脈沖生成器組件。使用模塊化 FPGA 硬件進行樣機制造，讓他們能夠迅速地生產出一臺可以工作運行的樣機系統，并確定需要進行哪些硬件改動，原因是 I/O 從 FPGA 反端分離了出來。由于他們都使用了模塊化 FPGA 板構建其設計，他們的樣機系統都只有 32 條通道，但對構架進行簡單的調整，便可以擁有 64 條、128 條、256 條甚至更多（需為 32 的倍數）同時用于收發的通道數目，集成多路傳輸功能，并且適應于各種超聲波陣列。另外，通過將 FPGA 用于硬件式信號處理，他們的信號處理可以根據系統增加通道數目情況進行調整，無需讓 CPU 限制系統的成像速率。
在軟件端，Diagnostic Sonar 公司一開始在主機上使用 LabVIEW 編制算法—包括波束生成、濾波和矯正等，并使用一種圖形用戶界面 (GUI) 實現數據的可視化。在樣機系統演示之后，他們便可以利用 LabVIEW FPGA 將算法移至 NI FlexRIO 板上的 FPGA，以進一步提高信號處理性能。最后，Diagnostic Sonar 公司使用模塊化 FPGA 硬件和圖形軟件，創造出了一種高性能、多通道超聲波采集和處理系統。該系統可以針對各種應用進行調整和定制。這些技術讓他們能夠為其客戶提供各種選項，可以提供一種可立即投入使用的標準系統配置，也可以向那些擁有系統集成能力的公司分開出售單個組件（例如：32 通道脈沖生成器、定制陣列連接和波束生成IP等）。
最終結果—可調和可定制的系統
Diagnostic Sonar 是一家小型公司，但是他們利用 FPGA 的信號處理能力和可重配置性以及 TI 超聲波AFE擁有的優異模擬性能，制造出了一個可輕松調整和定制的超聲波系統。另外，他們利用現成定制硬件在非常短的時間內（僅 3 個月）便完成了對初始系統的樣機論證工作。
總之，這種需求會不斷增長。各大醫療系統開發公司需要使用各種方法將下一代技術集成到其產品中，并且還要在上市產品中實現新的創新。Diagnostic Sonar 和許多其他公司都在使用同樣的設計方法，即利用 FPGA 和 AFE 幫助實現下一代成像系統的這些創新。
