【導讀】在高速數字技術的推動下，各種複雜的醫療係統快步發展，這也使得醫療領域的諸多服務在性能、精度和效率上大幅提升。醫學成像係統在骨科、產科、神經科、心髒病學等各個醫療領域的早期檢測和診斷中發揮著至關重要的作用。手術機器人、醫(yi)院(yuan)專(zhuan)用(yong)機(ji)器(qi)人(ren)和(he)遠(yuan)程(cheng)醫(yi)療(liao)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)輔(fu)助(zhu)醫(yi)療(liao)從(cong)業(ye)者(zhe)檢(jian)測(ce)和(he)診(zhen)斷(duan)病(bing)情(qing)，提(ti)升(sheng)護(hu)理(li)質(zhi)量(liang)，甚(shen)至(zhi)延(yan)長(chang)患(huan)者(zhe)的(de)生(sheng)命(ming)。上(shang)述(shu)所(suo)有(you)功(gong)能(neng)都(dou)需(xu)要(yao)通(tong)過(guo)高(gao)速(su)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)來(lai)實(shi)現(xian)，這(zhe)也(ye)就(jiu)意(yi)味(wei)著(zhe)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)信(xin)號(hao)完(wan)整(zheng)性(xing)極(ji)其(qi)重(zhong)要(yao)。

在高速數字技術的推動下，各種複雜的醫療係統快步發展，這也使得醫療領域的諸多服務在性能、精度和效率上大幅提升。醫學成像係統在骨科、產科、神經科
、心髒病學等各個醫療領域的早期檢測和診斷中發揮著至關重要的作用。手術機器人、醫(yi)院(yuan)專(zhuan)用(yong)機(ji)器(qi)人(ren)和(he)遠(yuan)程(cheng)醫(yi)療(liao)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)輔(fu)助(zhu)醫(yi)療(liao)從(cong)業(ye)者(zhe)檢(jian)測(ce)和(he)診(zhen)斷(duan)病(bing)情(qing)
，提(ti)升(sheng)護(hu)理(li)質(zhi)量(liang)

，甚(shen)至(zhi)延(yan)長(chang)患(huan)者(zhe)的(de)生(sheng)命(ming)。上(shang)述(shu)所(suo)有(you)功(gong)能(neng)都(dou)需(xu)要(yao)通(tong)過(guo)高(gao)速(su)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)來(lai)實(shi)現(xian)，這(zhe)也(ye)就(jiu)意(yi)味(wei)著(zhe)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)信(xin)號(hao)完(wan)整(zheng)性(xing)極(ji)其(qi)重(zhong)要(yao)。

軟件創新催生出更多高速數字硬件

由軟件驅動的智能自動化功能，為這些複雜的醫療係統提供了主要價值。醫療設備中的軟件能夠處理和去除影像中的噪點，生成 3D 影像，並訓練和使用神經網絡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並突出顯示腫瘤或骨折等異常情況
，幫助放射科醫生做出診斷。

隨著軟件的使用日益增多
，這些複雜的醫療係統便能夠部署到越來越具有挑戰性的應用中。在這些應用中，出色的可靠性、速度和低時延對於保障客戶安全至關重要。這就意味著設備的數字硬件性能必須提升，以便實現更快的數據檢測、數據采集和信號處理，因而需要有更多更快的數字處理器和影像著色處理器

、更高速的存儲器、更快的時鍾速率、更高的幀速率、更快的互連以及先進的數字邏輯技術和多電平信令方案，包括 PAM4
、PAM8、PAM16 和非歸零（NRZ）邏luo輯ji。此ci外wai，近jin年nian來lai網wang絡luo安an全quan威wei脅xie日ri益yi嚴yan重zhong，監jian管guan機ji構gou也ye對dui保bao護hu患huan者zhe隱yin私si提ti出chu了le嚴yan格ge要yao求qiu，這zhe些xie因yin素su都dou推tui動dong著zhe整zheng個ge行xing業ye采cai用yong數shu字zi硬ying件jian來lai完wan成cheng數shu據ju混hun淆xiao、加密和有效性檢查等任務。

高速數字硬件的增加給測試帶來了挑戰

大(da)量(liang)使(shi)用(yong)高(gao)速(su)數(shu)字(zi)硬(ying)件(jian)帶(dai)來(lai)了(le)複(fu)雜(za)的(de)測(ce)試(shi)挑(tiao)戰(zhan)，具(ju)體(ti)表(biao)現(xian)在(zai)以(yi)下(xia)幾(ji)個(ge)方(fang)麵(mian)。低(di)比(bi)特(te)誤(wu)碼(ma)率(lv)可(ke)能(neng)會(hui)影(ying)響(xiang)患(huan)者(zhe)的(de)安(an)全(quan)和(he)醫(yi)療(liao)設(she)備(bei)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)
，因(yin)此(ci)如(ru)何(he)識(shi)別(bie)低(di)比(bi)特(te)誤(wu)碼(ma)率(lv)非(fei)常(chang)關(guan)鍵(jian)。數(shu)據(ju)量(liang)的(de)增(zeng)加(jia)意(yi)味(wei)著(zhe)

，即(ji)使(shi)比(bi)特(te)誤(wu)碼(ma)率(lv)很(hen)低(di)，也(ye)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)大(da)量(liang)誤(wu)碼(ma)，因(yin)為(wei)誤(wu)碼(ma)會(hui)隨(sui)時(shi)間(jian)迅(xun)速(su)累(lei)積(ji)。醫(yi)學(xue)診(zhen)斷(duan)在(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)依(yi)賴(lai)於(yu)係(xi)統(tong)各(ge)個(ge)元(yuan)器(qi)件(jian)之(zhi)間(jian)傳(chuan)輸(shu)數(shu)據(ju)的(de)準(zhun)確(que)性(xing)。例(li)如(ru)，在(zai) MRI 或 CT 掃描儀等用於診斷的成像係統中，數據傳輸或處理過程中的錯誤會導致由大量數字數據生成的影像失真等問題
，有可能造成誤診。

在高速數字硬件中，PCB 電(dian)路(lu)板(ban)上(shang)的(de)元(yuan)器(qi)件(jian)密(mi)度(du)增(zeng)加(jia)，意(yi)味(wei)著(zhe)布(bu)線(xian)空(kong)間(jian)的(de)減(jian)少(shao)，必(bi)然(ran)導(dao)致(zhi)電(dian)路(lu)板(ban)層(ceng)數(shu)的(de)增(zeng)加(jia)，測(ce)試(shi)難(nan)度(du)也(ye)會(hui)隨(sui)之(zhi)加(jia)大(da)。元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)封(feng)裝(zhuang)設(she)計(ji)越(yue)緊(jin)湊(cou)
，功(gong)率(lv)密(mi)度(du)就(jiu)越(yue)高(gao)，可(ke)能(neng)造(zao)成(cheng)電(dian)路(lu)板(ban)局(ju)部(bu)發(fa)熱(re)。然(ran)而(er)

，醫(yi)療(liao)設(she)備(bei)需(xu)要(yao)精(jing)密(mi)的(de)溫(wen)度(du)控(kong)製(zhi)，才(cai)能(neng)保(bao)障(zhang)設(she)備(bei)功(gong)能(neng)和(he)患(huan)者(zhe)安(an)全(quan)，不(bu)完(wan)善(shan)的(de)熱(re)管(guan)理(li)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)過(guo)熱(re)、元器件故障或溫度升高引發的性能下降。

高gao速su數shu字zi硬ying件jian還hai帶dai來lai一yi些xie額e外wai的de測ce試shi挑tiao戰zhan。由you於yu時shi鍾zhong速su率lv和he數shu據ju傳chuan輸shu速su率lv的de提ti高gao，眼yan圖tu對dui信xin號hao噪zao聲sheng和he抖dou動dong的de容rong許xu誤wu差cha會hui變bian小xiao。具ju有you更geng多duo過guo孔kong的de多duo層ceng電dian路lu板ban需xu要yao通tong過guo複fu雜za的de製zhi造zao工gong藝yi來lai提ti高gao信xin號hao完wan整zheng性xing。此ci外wai，元yuan器qi件jian密mi度du的de提ti升sheng要yao求qiu走zou線xian寬kuan度du變bian窄zhai，與yu較jiao寬kuan的de設she計ji相xiang比bi，出chu現xian意yi外wai開kai孔kong的de可ke能neng性xing會hui增zeng加jia。由you於yu布bu線xian的de空kong間jian被bei壓ya縮suo，發fa生sheng串chuan擾rao的de可ke能neng性xing會hui更geng大da
，因yin為wei磁ci場chang可ke能neng在zai整zheng個ge回hui路lu上shang產chan生sheng感gan應ying電dian壓ya，而er電dian場chang則ze可ke能neng形xing成cheng寄ji生sheng電dian容rong。

在設備製造前進行仿真不可或缺

weileyingduigaosushuziyingjianmianlindeceshitiaozhan，jiangdiyiliaoxitongzhongdefengxian，zaijiangshejijiaofushengchanzhizaozhiqian，duidianlubanyunxingjinxingfangzhenzhegehuanjiezhiguanzhongyao。suiranfangzhenkenengwufafaxiansuoyouqianzaiwenti
，quenenggoujinzuidakenengpaizhachugengduowenti

，zaizhefangmianfahuizhezhongyaozuoyong。zaishengchanzhizaoqianduiqijianjinxingfangzhenjuyouyixiajigeyoushi。tayouzhuyutigaodianlubandeshijixingneng
，suojianfanfushejiyingjianyuanxingdecishu，congerjieshengshijianhechengben。fangzhenhainengjiakuaiyuanxingdekaifasudu，jinliangbimianduidianlubanjinxingjihuawaidexiugai
、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
，解決這些問題對於 PAM4、PAM8、PAM16 和 NRZ 等高級數字邏輯協議有著至關重要的意義，因為這些協議對信號質量波動的容許誤差比較小。

使用仿真軟件可以對複雜的高速 PCB 電路板進行信號完整性分析。圖 1 展(zhan)示(shi)了(le)一(yi)個(ge)使(shi)用(yong)仿(fang)真(zhen)軟(ruan)件(jian)分(fen)析(xi)抖(dou)動(dong)對(dui)眼(yan)圖(tu)影(ying)響(xiang)的(de)示(shi)例(li)。通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)仿(fang)真(zhen)軟(ruan)件(jian)可(ke)以(yi)同(tong)時(shi)表(biao)征(zheng)信(xin)號(hao)網(wang)和(he)功(gong)率(lv)網(wang)的(de)損(sun)耗(hao)和(he)耦(ou)合(he)。仿(fang)真(zhen)軟(ruan)件(jian)還(hai)能(neng)幫(bang)助(zhu)用(yong)戶(hu)提(ti)取(qu)並(bing)無(wu)縫(feng)傳(chuan)輸(shu)準(zhun)確(que)的(de)電(dian)磁(ci)（EM）模型，以便在 ADS 瞬態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，進而節省時間。這樣可以降低患者的隱私數據或影像出現錯誤的風險。

圖 1：利用仿真軟件分析抖動對眼圖的影響。

在 PCBA 打樣加工完成後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(da)樣(yang)加(jia)工(gong)，但(dan)考(kao)慮(lv)到(dao)多(duo)方(fang)麵(mian)的(de)原(yuan)因(yin)，工(gong)程(cheng)師(shi)仍(reng)然(ran)需(xu)要(yao)在(zai)加(jia)工(gong)製(zhi)造(zao)之(zhi)後(hou)
，使(shi)用(yong)示(shi)波(bo)器(qi)來(lai)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)信(xin)號(hao)完(wan)整(zheng)性(xing)。雖(sui)然(ran)遵(zun)循(xun)了(le)技(ji)術(shu)指(zhi)標(biao)和(he)規(gui)格(ge)要(yao)求(qiu)
，但(dan)元(yuan)器(qi)件(jian)內(nei)部(bu)還(hai)是(shi)會(hui)存(cun)在(zai)一(yi)些(xie)變(bian)化(hua)，而(er)信(xin)號(hao)完(wan)整(zheng)性(xing)分(fen)析(xi)軟(ruan)件(jian)無(wu)法(fa)完(wan)整(zheng)地(di)說(shuo)明(ming)其(qi)原(yuan)因(yin)。此(ci)外(wai)
，元(yuan)器(qi)件(jian)通(tong)常(chang)具(ju)有(you)固(gu)有(you)的(de)阻(zu)抗(kang)、電容和電感等寄生模擬特性，這些特性都沒有對應的技術指標。表麵貼裝（SMT）器qi件jian的de貼tie裝zhuang工gong藝yi容rong易yi受shou到dao各ge種zhong變bian化hua的de影ying響xiang，可ke能neng導dao致zhi焊han盤pan上shang的de元yuan器qi件jian偏pian離li中zhong心xin位wei置zhi。此ci外wai，鋼gang網wang工gong藝yi可ke能neng無wu法fa始shi終zhong如ru一yi地di形xing成cheng完wan美mei的de焊han料liao塊kuai
，在zai持chi續xu使shi用yong之zhi下xia，焊han料liao堆dui積ji的de尺chi寸cun會hui縮suo小xiao。長chang此ci以yi往wang，焊han料liao的de化hua學xue成cheng分fen和he特te性xing可ke能neng會hui發fa生sheng細xi微wei變bian化hua
，影ying響xiang銅tong焊han盤pan和he SMT 器qi件jian之zhi間jian的de焊han點dian結jie合he。另ling外wai
，回hui流liu爐lu內nei的de正zheng常chang波bo動dong會hui影ying響xiang焊han料liao的de回hui流liu特te性xing。即ji使shi在zai焊han接jie點dian上shang建jian立li了le電dian氣qi連lian接jie
，焊han接jie的de牢lao固gu度du也ye可ke能neng不bu夠gou，存cun在zai翼yi形xing部bu件jian缺que失shi焊han腳jiao
、板載無源 SMT 電阻器、球柵陣列（BGA）接頭枕頭效應等現象。在製造完成後使用示波器有助於全麵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複雜設計中錯綜複雜的相互作用。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）
、串行協議分析
、波形生成、pinlvxiangyinghexiangweizaoshengceshi。youyuyiliaoxitongduishujutongxinsuduyoujiaogaodexuqiu，yincihuishiyongjiaogaodeshujuchuanshusulvhejianjujiaoxiaodebingxingshujutongdao。ruciyilai，dianciouhe（即串擾）會增加。此外，電源會對它們所驅動的數據通道產生噪聲和抖動之類的幹擾
；反過來，數據相關噪聲也會對電源產生影響

，例如同步開關噪聲（SSN）就會導致接地反彈。示波器能夠檢測和量化串擾，判斷主要是哪些幹擾源導致了串擾
，還能檢測和診斷抖動、垂直噪聲和相位噪聲。

結語

高速數字技術在成像、診斷
、遠程醫療、個性化醫療和患者護理等領域助力實現了一係列先進功能，徹底改變了複雜的醫療係統，帶來了更高效、更geng有you效xiao和he以yi患huan者zhe為wei中zhong心xin的de醫yi療liao服fu務wu。打da造zao高gao速su數shu字zi醫yi療liao係xi統tong始shi終zhong是shi一yi項xiang挑tiao戰zhan。隨sui著zhe數shu據ju傳chuan輸shu速su率lv和he影ying像xiang分fen辨bian率lv的de提ti高gao，再zai加jia上shang邊bian緣yuan計ji算suan被bei越yue來lai越yue多duo地di嵌qian入ru到dao係xi統tong當dang中zhong，要yao想xiang保bao持chi與yu應ying用yong相xiang匹pi配pei的de信xin號hao完wan整zheng性xing，工gong程cheng師shi所suo麵mian臨lin的de難nan度du也ye不bu斷duan加jia大da。通tong過guo在zai PCB 電dian路lu板ban加jia工gong製zhi造zao前qian使shi用yong仿fang真zhen軟ruan件jian，以yi及ji在zai加jia工gong製zhi造zao後hou使shi用yong帶dai有you強qiang大da軟ruan件jian功gong能neng的de示shi波bo器qi
，就jiu可ke以yi把ba具ju備bei所suo需xu功gong效xiao和he安an全quan性xing的de產chan品pin推tui向xiang市shi場chang
，降jiang低di患huan者zhe所suo麵mian臨lin的de風feng險xian。

關於是德科技

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

（作者：是德科技醫療解決方案市場經理Lorie Jurkovich）

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