复杂医疗系统中信号完整性测试挑战的应对之道

作者：是德科技医疗解决方案市场经理Lorie Jurkovich



在高速数字技术的推动下，各种复杂的医疗系统快步发展，这也使得医疗领域的诸多服务在性能、精度和效率上大幅提升。医学成像系统在骨科、产科、神经科、心脏病学等各个医疗领域的早期检测和诊断中发挥着至关重要的作用。手术机器人、医院专用机器人和远程医疗系统可以辅助医疗从业者检测和诊断病情，提升护理质量，甚至延长患者的生命。上述所有功能都需要通过高速数字信号来实现，这也就意味着整个系统的信号完整性极其重要。

软件创新催生出更多高速数字硬件

由软件驱动的智能自动化功能，为这些复杂的医疗系统提供了主要价值。医疗设备中的软件能够处理和去除影像中的噪点，生成 3D 影像，并训练和使用神经网络来对图像进行分割与分类。例如，核磁共振成像（MRI）使用的软件算法能够识别并突出显示肿瘤或骨折等异常情况，帮助放射科医生做出诊断。

随着软件的使用日益增多，这些复杂的医疗系统便能够部署到越来越具有挑战性的应用中。在这些应用中，出色的可靠性、速度和低时延对于保障客户安全至关重要。这就意味着设备的数字硬件性能必须提升，以便实现更快的数据检测、数据采集和信号处理，因而需要有更多更快的数字处理器和影像着色处理器、更高速的存储器、更快的时钟速率、更高的帧速率、更快的互连以及先进的数字逻辑技术和多电平信令方案，包括 PAM4、PAM8、PAM16 和非归零（NRZ）逻辑。此外，近年来网络安全威胁日益严重，监管机构也对保护患者隐私提出了严格要求，这些因素都推动着整个行业采用数字硬件来完成数据混淆、加密和有效性检查等任务。

高速数字硬件的增加给测试带来了挑战

大量使用高速数字硬件带来了复杂的测试挑战，具体表现在以下几个方面。低比特误码率可能会影响患者的安全和医疗设备的可靠性，因此如何识别低比特误码率非常关键。数据量的增加意味着，即使比特误码率很低，也可能导致大量误码，因为误码会随时间迅速累积。医学诊断在很大程度上依赖于系统各个元器件之间传输数据的准确性。例如，在 MRI 或 CT 扫描仪等用于诊断的成像系统中，数据传输或处理过程中的错误会导致由大量数字数据生成的影像失真等问题，有可能造成误诊。

在高速数字硬件中，PCB 电路板上的元器件密度增加，意味着布线空间的减少，必然导致电路板层数的增加，测试难度也会随之加大。元器件的封装设计越紧凑，功率密度就越高，可能造成电路板局部发热。然而，医疗设备需要精密的温度控制，才能保障设备功能和患者安全，不完善的热管理可能导致过热、元器件故障或温度升高引发的性能下降。

高速数字硬件还带来一些额外的测试挑战。由于时钟速率和数据传输速率的提高，眼图对信号噪声和抖动的容许误差会变小。具有更多过孔的多层电路板需要通过复杂的制造工艺来提高信号完整性。此外，元器件密度的提升要求走线宽度变窄，与较宽的设计相比，出现意外开孔的可能性会增加。由于布线的空间被压缩，发生串扰的可能性会更大，因为磁场可能在整个回路上产生感应电压，而电场则可能形成寄生电容。

在设备制造前进行仿真不可或缺

为了应对高速数字硬件面临的测试挑战，降低医疗系统中的风险，在将设计交付生产制造之前，对电路板运行进行仿真这个环节至关重要。虽然仿真可能无法发现所有潜在问题，却能够尽最大可能排查出更多问题，在这方面发挥着重要作用。在生产制造前对器件进行仿真具有以下几个优势。它有助于提高电路板的实际性能，缩减反复设计硬件原型的次数，从而节省时间和成本。仿真还能加快原型的开发速度，尽量避免对电路板进行计划外的修改、测试和记录。通过仿真还可以排除可能被误认为是故障的错误信号，从而快速推进固件和软件测试。除此之外，解决这些问题对于 PAM4、PAM8、PAM16 和 NRZ 等高级数字逻辑协议有着至关重要的意义，因为这些协议对信号质量波动的容许误差比较小。

使用仿真软件可以对复杂的高速 PCB 电路板进行信号完整性分析。图 1 展示了一个使用仿真软件分析抖动对眼图影响的示例。通过使用仿真软件可以同时表征信号网和功率网的损耗和耦合。仿真软件还能帮助用户提取并无缝传输准确的电磁（EM）模型，以便在 ADS 瞬态和通道模拟器中使用。用户还可以通过仿真软件在进行 EM 提取之前快速检查走线阻抗，进而节省时间。这样可以降低患者的隐私数据或影像出现错误的风险。


图 1：利用仿真软件分析抖动对眼图的影响。

在 PCBA 打样加工完成后进行信号完整性测量意义重大

工程师即便使用了信号仿真软件，也极其谨慎地完成了布线和印刷电路板组件（PCBA）打样加工，但考虑到多方面的原因，工程师仍然需要在加工制造之后，使用示波器来测量电路板的信号完整性。虽然遵循了技术指标和规格要求，但元器件内部还是会存在一些变化，而信号完整性分析软件无法完整地说明其原因。此外，元器件通常具有固有的阻抗、电容和电感等寄生模拟特性，这些特性都没有对应的技术指标。表面贴装（SMT）器件的贴装工艺容易受到各种变化的影响，可能导致焊盘上的元器件偏离中心位置。此外，钢网工艺可能无法始终如一地形成完美的焊料块，在持续使用之下，焊料堆积的尺寸会缩小。长此以往，焊料的化学成分和特性可能会发生细微变化，影响铜焊盘和 SMT 器件之间的焊点结合。另外，回流炉内的正常波动会影响焊料的回流特性。即使在焊接点上建立了电气连接，焊接的牢固度也可能不够，存在翼形部件缺失焊脚、板载无源 SMT 电阻器、球栅阵列（BGA）接头枕头效应等现象。在制造完成后使用示波器有助于全面评估和解决这些因素可能导致的信号完整性问题。


图 2：示波器分析信号完整性问题。

通过示波器可让工程师了解复杂设计中错综复杂的相互作用。如图 2 所示，示波器能够同时测量多达八个通道，从而快速检查加工生产出来的 PCBA 是否存在信号完整性问题。工程师通过使用示波器可进行逻辑分析、实时频谱分析（RTSA）、串行协议分析、波形生成、频率响应和相位噪声测试。由于医疗系统对数据通信速度有较高的需求，因此会使用较高的数据传输速率和间距较小的并行数据通道。如此一来，电磁耦合（即串扰）会增加。此外，电源会对它们所驱动的数据通道产生噪声和抖动之类的干扰；反过来，数据相关噪声也会对电源产生影响，例如同步开关噪声（SSN）就会导致接地反弹。示波器能够检测和量化串扰，判断主要是哪些干扰源导致了串扰，还能检测和诊断抖动、垂直噪声和相位噪声。

结语

高速数字技术在成像、诊断、远程医疗、个性化医疗和患者护理等领域助力实现了一系列先进功能，彻底改变了复杂的医疗系统，带来了更高效、更有效和以患者为中心的医疗服务。打造高速数字医疗系统始终是一项挑战。随着数据传输速率和影像分辨率的提高，再加上边缘计算被越来越多地嵌入到系统当中，要想保持与应用相匹配的信号完整性，工程师所面临的难度也不断加大。通过在 PCB 电路板加工制造前使用仿真软件，以及在加工制造后使用带有强大软件功能的示波器，就可以把具备所需功效和安全性的产品推向市场，降低患者所面临的风险。
 
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