復(fù)雜醫(yī)療系統(tǒng)中信號完整性測試挑戰(zhàn)的應(yīng)對之道

在高速數(shù)字技術(shù)的推動(dòng)下，各種復(fù)雜的醫(yī)療系統(tǒng)快步發(fā)展，這也使得醫(yī)療領(lǐng)域的諸多服務(wù)在性能、精度和效率上大幅提升。醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)在骨科、產(chǎn)科、神經(jīng)科、心臟病學(xué)等各個(gè)醫(yī)療領(lǐng)域的早期檢測和診斷中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。手術(shù)機(jī)器人、醫(yī)院專用機(jī)器人和遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)可以輔助醫(yī)療從業(yè)者檢測和診斷病情，提升護(hù)理質(zhì)量，甚至延長患者的生命。上述所有功能都需要通過高速數(shù)字信號來實(shí)現(xiàn)，這也就意味著整個(gè)系統(tǒng)的信號完整性極其重要。

軟件創(chuàng)新催生出更多高速數(shù)字硬件

由軟件驅(qū)動(dòng)的智能自動(dòng)化功能，為這些復(fù)雜的醫(yī)療系統(tǒng)提供了主要價(jià)值。醫(yī)療設(shè)備中的軟件能夠處理和去除影像中的噪點(diǎn)，生成 3D 影像，并訓(xùn)練和使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對圖像進(jìn)行分割與分類。例如，核磁共振成像（MRI）使用的軟件算法能夠識別并突出顯示腫瘤或骨折等異常情況，幫助放射科醫(yī)生做出診斷。

隨著軟件的使用日益增多，這些復(fù)雜的醫(yī)療系統(tǒng)便能夠部署到越來越具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中。在這些應(yīng)用中，出色的可靠性、速度和低時(shí)延對于保障客戶安全至關(guān)重要。這就意味著設(shè)備的數(shù)字硬件性能必須提升，以便實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)采集和信號處理，因而需要有更多更快的數(shù)字處理器和影像著色處理器、更高速的存儲器、更快的時(shí)鐘速率、更高的幀速率、更快的互連以及先進(jìn)的數(shù)字邏輯技術(shù)和多電平信令方案，包括 PAM4、PAM8、PAM16 和非歸零（NRZ）邏輯。此外，近年來網(wǎng)絡(luò)安全威脅日益嚴(yán)重，監(jiān)管機(jī)構(gòu)也對保護(hù)患者隱私提出了嚴(yán)格要求，這些因素都推動(dòng)著整個(gè)行業(yè)采用數(shù)字硬件來完成數(shù)據(jù)混淆、加密和有效性檢查等任務(wù)。

高速數(shù)字硬件的增加給測試帶來了挑戰(zhàn)

大量使用高速數(shù)字硬件帶來了復(fù)雜的測試挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。低比特誤碼率可能會影響患者的安全和醫(yī)療設(shè)備的可靠性，因此如何識別低比特誤碼率非常關(guān)鍵。數(shù)據(jù)量的增加意味

著，即使比特誤碼率很低，也可能導(dǎo)致大量誤碼，因?yàn)檎`碼會隨時(shí)間迅速累積。醫(yī)學(xué)診斷在很大程度上依賴于系統(tǒng)各個(gè)元器件之間傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。例如，在 MRI 或 CT 掃描儀等用于診斷的成像系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸或處理過程中的錯(cuò)誤會導(dǎo)致由大量數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)生成的影像失真等問題，有可能造成誤診。

在高速數(shù)字硬件中，PCB 電路板上的元器件密度增加，意味著布線空間的減少，必然導(dǎo)致電路板層數(shù)的增加，測試難度也會隨之加大。元器件的封裝設(shè)計(jì)越緊湊，功率密度就越高，可能造成電路板局部發(fā)熱。然而，醫(yī)療設(shè)備需要精密的溫度控制，才能保障設(shè)備功能和患者安全，不完善的熱管理可能導(dǎo)致過熱、元器件故障或溫度升高引發(fā)的性能下降。

高速數(shù)字硬件還帶來一些額外的測試挑戰(zhàn)。由于時(shí)鐘速率和數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，眼圖對信號噪聲和抖動(dòng)的容許誤差會變小。具有更多過孔的多層電路板需要通過復(fù)雜的制造工藝來提高信號完整性。此外，元器件密度的提升要求走線寬度變窄，與較寬的設(shè)計(jì)相比，出現(xiàn)意外開孔的可能性會增加。由于布線的空間被壓縮，發(fā)生串?dāng)_的可能性會更大，因?yàn)榇艌隹赡茉谡麄€(gè)回路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而電場則可能形成寄生電容。

在設(shè)備制造前進(jìn)行仿真不可或缺

為了應(yīng)對高速數(shù)字硬件面臨的測試挑戰(zhàn)，降低醫(yī)療系統(tǒng)中的風(fēng)險(xiǎn)，在將設(shè)計(jì)交付生產(chǎn)制造之前，對電路板運(yùn)行進(jìn)行仿真這個(gè)環(huán)節(jié)至關(guān)重要。雖然仿真可能無法發(fā)現(xiàn)所有潛在問題，卻能夠盡最大可能排查出更多問題，在這方面發(fā)揮著重要作用。在生產(chǎn)制造前對器件進(jìn)行仿真具有以下幾個(gè)優(yōu)勢。它有助于提高電路板的實(shí)際性能，縮減反復(fù)設(shè)計(jì)硬件原型的次數(shù)，從而節(jié)省時(shí)間和成本。仿真還能加快原型的開發(fā)速度，盡量避免對電路板進(jìn)行計(jì)劃外的修改、測試和記錄。通過仿真還可以排除可能被誤認(rèn)為是故障的錯(cuò)誤信號，從而快速推進(jìn)固件和軟件測試。除此之外，解決這些問題對于 PAM4、PAM8、PAM16 和 NRZ 等高級數(shù)字邏輯協(xié)議有著至關(guān)重要的意義，因?yàn)檫@些協(xié)議對信號質(zhì)量波動(dòng)的容許誤差比較小。

使用仿真軟件可以對復(fù)雜的高速 PCB 電路板進(jìn)行信號完整性分析。圖 1 展示了一個(gè)使用仿真軟件分析抖動(dòng)對眼圖影響的示例。通過使用仿真軟件可以同時(shí)表征信號網(wǎng)和功率網(wǎng)的損耗和耦合。仿真軟件還能幫助用戶提取并無縫傳輸準(zhǔn)確的電磁（EM）模型，以便在 ADS 瞬態(tài)和通道模擬器中使用。用戶還可以通過仿真軟件在進(jìn)行 EM 提取之前快速檢查走線阻抗，進(jìn)而節(jié)省時(shí)間。這樣可以降低患者的隱私數(shù)據(jù)或影像出現(xiàn)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

圖 1：利用仿真軟件分析抖動(dòng)對眼圖的影響。

在 PCBA 打樣加工完成后進(jìn)行信號完整性測量意義重大

工程師即便使用了信號仿真軟件，也極其謹(jǐn)慎地完成了布線和印刷電路板組件（PCBA）打樣加工，但考慮到多方面的原因，工程師仍然需要在加工制造之后，使用示波器來測量電路板的信號完整性。雖然遵循了技術(shù)指標(biāo)和規(guī)格要求，但元器件內(nèi)部還是會存在一些變化，而信號完整性分析軟件無法完整地說明其原因。此外，元器件通常具有固有的阻抗、電容和電感等寄生模擬特性，這些特性都沒有對應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。表面貼裝（SMT）器件的貼裝工藝容易受到各種變化的影響，可能導(dǎo)致焊盤上的元器件偏離中心位置。此外，鋼網(wǎng)工藝可能無法始終如一地形成完美的焊料塊，在持續(xù)使用之下，焊料堆積的尺寸會縮小。長此以往，焊料的化學(xué)成分和特性可能會發(fā)生細(xì)微變化，影響銅焊盤和 SMT 器件之間的焊點(diǎn)結(jié)合。另外，回流爐內(nèi)的正常波動(dòng)會影響焊料的回流特性。即使在焊接點(diǎn)上建立了電氣連接，焊接的牢固度也可能不夠，存在翼形部件缺失焊腳、板載無源 SMT 電阻器、球柵陣列（BGA）接頭枕頭效應(yīng)等現(xiàn)象。在制造完成后使用示波器有助于全面評估和解決這些因素可能導(dǎo)致的信號完整性問題。

圖 2：示波器分析信號完整性問題。

通過示波器可讓工程師了解復(fù)雜設(shè)計(jì)中錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用。如圖 2 所示，示波器能夠同時(shí)測量多達(dá)八個(gè)通道，從而快速檢查加工生產(chǎn)出來的 PCBA 是否存在信號完整性問題。工程師通過使用示波器可進(jìn)行邏輯分析、實(shí)時(shí)頻譜分析（RTSA）、串行協(xié)議分析、波形生成、頻率響應(yīng)和相位噪聲測試。由于醫(yī)療系統(tǒng)對數(shù)據(jù)通信速度有較高的需求，因此會使用較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和間距

較小的并行數(shù)據(jù)通道。如此一來，電磁耦合（即串?dāng)_）會增加。此外，電源會對它們所驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)通道產(chǎn)生噪聲和抖動(dòng)之類的干擾；反過來，數(shù)據(jù)相關(guān)噪聲也會對電源產(chǎn)生影響，例如同步開關(guān)噪聲（SSN）就會導(dǎo)致接地反彈。示波器能夠檢測和量化串?dāng)_，判斷主要是哪些干擾源導(dǎo)致了串?dāng)_，還能檢測和診斷抖動(dòng)、垂直噪聲和相位噪聲。

結(jié)語

高速數(shù)字技術(shù)在成像、診斷、遠(yuǎn)程醫(yī)療、個(gè)性化醫(yī)療和患者護(hù)理等領(lǐng)域助力實(shí)現(xiàn)了一系列先進(jìn)功能，徹底改變了復(fù)雜的醫(yī)療系統(tǒng)，帶來了更高效、更有效和以患者為中心的醫(yī)療服務(wù)。打造高速數(shù)字醫(yī)療系統(tǒng)始終是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。隨著數(shù)據(jù)傳輸速率和影像分辨率的提高，再加上邊緣計(jì)算被越來越多地嵌入到系統(tǒng)當(dāng)中，要想保持與應(yīng)用相匹配的信號完整性，工程師所面臨的難度也不斷加大。通過在 PCB 電路板加工制造前使用仿真軟件，以及在加工制造后使用帶有強(qiáng)大軟件功能的示波器，就可以把具備所需功效和安全性的產(chǎn)品推向市場，降低患者所面臨的風(fēng)險(xiǎn)。

作者：是德科技醫(yī)療解決方案市場經(jīng)理Lorie Jurkovich