復雜醫(yī)療系統(tǒng)中信號完整性測試挑戰(zhàn)的應對之道

在高速數(shù)字技術(shù)的推動下，各種復雜的醫(yī)療系統(tǒng)快步發(fā)展，這也使得醫(yī)療領(lǐng)域的諸多服務在性能、精度和效率上大幅提升。醫(yī)學成像系統(tǒng)在骨科、產(chǎn)科、神經(jīng)科、心臟病學等各個醫(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)機器人、醫(yī)院專用機器人和遠程醫(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)字信號來實現(xiàn)，這也就意味著整個系統(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)動的智能自動化功能，為這些復雜的醫(yī)療系統(tǒng)提供了主要價值。醫(yī)療設(shè)備中的軟件能夠處理和去除影像中的噪點，生成 3D 影像，并訓練和使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來對圖像進行分割與分類。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)性的應用中。在這些應用中，出色的可靠性、速度和低時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、更快的時鐘速率、更高的幀速率、更快的互連以及先進的數(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)安全威脅日益嚴重，監(jiān)管機構(gòu)也對保護患者隱私提出了嚴格要求，這些因素都推動著整個行業(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。

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)字硬件帶來了復雜的測試挑戰(zhàn)，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。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，也可能導致大量誤碼，因為誤碼會隨時間迅速累積。醫(yī)學診斷在很大程度上依賴于系統(tǒng)各個元器件之間傳輸數(shù)據(jù)的準確性。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誤會導致由大量數(shù)字數(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)生串擾的可能性會更大，因為磁場可能在整個回路上產(chǎn)生感應電壓，而電場則可能形成寄生電容。

在設(shè)備制造前進行仿真不可或缺

為了應對高速數(shù)字硬件面臨的測試挑戰(zhàn)，降低醫(yī)療系統(tǒng)中的風險，在將設(shè)計交付生產(chǎn)制造之前，對電路板運行進行仿真這個環(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)制造前對器件進行仿真具有以下幾個優(yōu)勢。它有助于提高電路板的實際性能，縮減反復設(shè)計硬件原型的次數(shù)，從而節(jié)省時間和成本。仿真還能加快原型的開發(fā)速度，盡量避免對電路板進行計劃外的修改、測試和記錄。通過仿真還可以排除可能被誤認為是故障的錯誤信號，從而快速推進固件和軟件測試。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，因為這些協(xié)議對信號質(zhì)量波動的容許誤差比較小。

使用仿真軟件可以對復雜的高速 PCB 電路板進行信號完整性分析。圖 1 展示了一個使用仿真軟件分析抖動對眼圖影響的示例。通過使用仿真軟件可以同時表征信號網(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行 EM 提取之前快速檢查走線阻抗，進而節(jié)省時間。這樣可以降低患者的隱私數(shù)據(jù)或影像出現(xiàn)錯誤的風險。

圖 1：利用仿真軟件分析抖動對眼圖的影響。

在 PCBA 打樣加工完成后進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的技術(shù)指標。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，焊料的化學成分和特性可能會發(fā)生細微變化，影響銅焊盤和 SMT 器件之間的焊點結(jié)合。另外，回流爐內(nèi)的正常波動會影響焊料的回流特性。即使在焊接點上建立了電氣連接，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雜設(shè)計中錯綜復雜的相互作用。如圖 2 所示，示波器能夠同時測量多達八個通道，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行邏輯分析、實時頻譜分析（RTSA）、串行協(xié)議分析、波形生成、頻率響應和相位噪聲測試。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（即串擾）會增加。此外，電源會對它們所驅(qū)動的數(shù)據(jù)通道產(chǎn)生噪聲和抖動之類的干擾；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）就會導致接地反彈。示波器能夠檢測和量化串擾，判斷主要是哪些干擾源導致了串擾，還能檢測和診斷抖動、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、遠程醫(yī)療、個性化醫(yī)療和患者護理等領(lǐng)域助力實現(xiàn)了一系列先進功能，徹底改變了復雜的醫(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。打造高速數(shù)字醫(yī)療系統(tǒng)始終是一項挑戰(zhàn)。隨著數(shù)據(jù)傳輸速率和影像分辨率的提高，再加上邊緣計算被越來越多地嵌入到系統(tǒng)當中，要想保持與應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險。

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是德科技（NYSE：KEYS）啟迪并賦能創(chuàng)新者，助力他們將改變世界的技術(shù)帶入生活。作為一家標準普爾 500 指數(shù)公司，我們提供先進的設(shè)計、仿真和測試解決方案，旨在幫助工程師在整個產(chǎn)品生命周期中更快地完成開發(fā)和部署，同時控制好風險。我們的客戶遍及全球通信、工業(yè)自動化、航空航天與國防、汽車、半導體和通用電子等市場。

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