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超聲系統是目前廣泛使用的最精密復雜的信號處理儀器之一。像任何復雜的儀器一樣，由于性能、物理和成本要求的原因，實現時要做出許多權衡。掌握一些系統級的知識對于充分了解所要求前端IC的功能和性能水平是很必要的，尤其是低噪聲放大器(LNA)、時間增益補償放大器(TGC，一種可變增益放大器)和模數轉換器(ADC)。這些模擬信號處理IC是決定系統整體性能的關鍵因素。前端IC的特性規定了系統性能的限度，一旦引入噪聲和失真，實際上不可能再去除它們。 在所有超聲系統中，在包含48到256芯微同軸電纜的相對較長電纜(大約2m)的末端都帶有一個多元傳感器陣列。在一些陣列中使用高速(HV)多路復用器或多路分配器來減小發送和接收硬件的復雜性，但以使用靈活性為代價。使用最靈活的系統是相控陣列數字波束形成器系統-它們也往往是成本最高的系統，因為需要實現所有通道的完全電子控制。但是，像AD8332雙可變增益放大器(VGA)和AD8335四VGA以及AD9229 12位四模數轉換器這樣的前端IC都正在促使每通道的成本和功耗不斷降低，從而甚至使中低成本的系統都可能實現所有通道的完全電子控制。 在發送(Tx)端，Tx波束形成器首先決定設置期望發送焦點的延遲模式，然后用驅動傳感器的高電壓發送放大器放大波束形成器的輸出。在接收(Rx)端，有一個收發(T/R)開關，它通常是一個隔離高電壓Tx脈沖的二極管整流橋，它們后接一個LNA和一個或多個VGA。
放大之后，就完成了模擬波束形成(ABF)或數字波束形成(DBF)。除了連續波(CW)多普勒處理，其動態范圍太大以至于不能用成像通道處理，當前的系統中大部分都是DBF。最后，處理Rx波束以顯示灰度圖像、二維彩色圖像和(或)彩色多普勒輸出。 超聲系統的目的第一是給出人體內部器官的精確圖像，第二是通過多普勒信號處理確定體內的血流運動狀況。下面分析超聲系統在實現這些目的時，在信號衰減、功耗以及動態范圍等方面的技術挑戰以及前端IC的選擇考慮因素。 1 信號衰減問題 超聲系統有三種主要的獲取模式：B模式(灰度成像，二維)、F模式(Colorflow成像或多普勒成像，血流檢測)和D模式(光譜多普勒)。 醫用超聲波的工作頻率范圍為1MHz-40MHz，外部成像通常使用1MHz?15MHz頻率范圍，而靜脈儀使用的頻率高達40MHz。對于給定滲透距離，組織衰減會衰減信號頻率。信號經歷約為1dB/cm/MHz的衰減，即對于一個10MHz的信號和5cm的滲透深度，往返信號會衰減5×2×10=100dB。 這對大動態范圍的接收信號提出了一個嚴峻的挑戰：一個問題是接收電路必須同時具有很低的噪聲和大信號處理能力，另一個重要問題是要求快速過載恢復能力。即使T/R開關也應該防止接收機接收大脈沖，這些脈沖中仍有小部分從開關泄漏并足以使接收機過載。低劣的過載恢復將使接收機處于“盲”狀態直到它恢復，這會對所生成圖像離皮膚表面的距離產生直接影響。 2 ABF和DBF系統 在模擬ABF和DBF超聲系統中，首先為各通道延時或存儲沿波束從特定焦點反射的接收脈沖，然后按時間排列，并且對其相干性求和-這就提供了空間處理增益，因為通道間噪聲不相關，而信號是相關的；這樣產生10*log(N)的理論處理增益，其中N為通道數。圖像可以按照兩種方法形成：一種方法是利用模擬延遲線延遲的模擬序列值，對它們求和并且在求和之后轉換成數字值(ABF)；另一種方法是通過對盡可能接近傳感器陣列單元的模擬值進行數字化采樣，把它們存入存儲器(FIFO)，然后對它們數字化求和(DBF)。 如圖給出一個DBF系統的基本框圖，在ABF系統中用可變延時線代替ADC和FIFO。這兩種系統都要求極好的通道間匹配。應當注意的是這兩種系統的實現都需要VGA，同時ABF系統只需要一個高分辨率并且相當低速的ADC(在求和之后對信號進行下變頻)，但DBF系統需要許多高速、高分辨率的ADC，因為它要對射頻(RF)帶通信號進行采樣。 3 動態范圍 LNA的基底噪聲決定可以接收多弱的信號。但是同時LNA也必須能夠處理非常大的信號，尤其是連續波(CW)多普勒信號處理過程中。因此，要求LNA具有最大的動態范圍是極其重要的(一般來講，由于噪聲和信號失真限制，在LNA之前進行任何濾波都是不可能的)。 CW多普勒信號具有超聲系統中所有信號最大的動態范圍。在CW信號處理期間，一半傳感器陣列連續發送正弦波，而另一半傳感器陣列接收該信號。Tx信號很可能泄漏到Rx端。因為多普勒信號非常弱，所以在解調之前不容易對大的泄漏信號進行濾波，因此處理CW信號的任何IC都需要具有非常大的動態范圍。 根據當前的技術發展水平，不能處理來自DBF系統中主要的B模式和F模式通道的CW多普勒信號。由于這個原因，為了處理如圖所示的CW多普勒信號需要一個ABF。當然，DBF超聲系統中的“圣杯”(Holy Grail)可以通過DBF鏈路以現實的成本和功耗處理所有模式。 4 功耗考量 因為超聲系統需要許多通道，所以所有IC低功耗是至關重要的。為了最終實現把所有超聲模式都集成到一個波束形成器，人們總是追求增大前端的動態范圍；滿足使超聲系統減小體積和便攜式的相應需求導致與功耗需求的矛盾。數字電路的功耗通常隨著電源電壓降低而減小，但對于模擬信號或混合信號電路而言則未必。減小模擬電路的“電壓余量”會減小動態范圍，所以對于一個期望動態范圍，電源電壓能夠達到多低是有限度的。 5 本文結論 本文試圖給出決定超聲系統前端IC所需要的關鍵技術指標的技術背景。最重要的是：大動態范圍、優良的過載恢復能力、低互調失真(LNA)和平坦的群延時(優良的大信號帶寬)，另外或許最最重要的是非常低的功耗。實際應用結果表明，超聲系統對IC的要求非常接近于通信或雷達系統對高性能接收機應用的要求。 |
