探討前端IC決定超聲系統整體性能
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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(cháng)電纜(大約2m)的末端都帶有一個(gè)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(lái)減小發(fā)送和接收硬件的復雜性，但以使用靈活性為代價(jià)。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(shí)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(shí)現所有通道的完全電子控制。
在發(fā)送(Tx)端，Tx波束形成器首先決定設置期望發(fā)送焦點(diǎn)的延遲模式，然后用驅動(dòng)傳感器的高電壓發(fā)送放大器放大波束形成器的輸出。在接收(Rx)端，有一個(gè)收發(fā)(T/R)開(kāi)關(guān)，它通常是一個(gè)隔離高電壓Tx脈沖的二極管整流橋，它們后接一個(gè)LNA和一個(gè)或多個(gè)VGA。
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| 圖1：DBF系統基本框圖 |
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(dòng)態(tài)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(guò)多普勒信號處理確定體內的血流運動(dòng)狀況。下面分析超聲系統在實(shí)現這些目的時(shí)，在信號衰減、功耗以及動(dòng)態(tài)范圍等方面的技術(shù)挑戰以及前端IC的選擇考慮因素。
1 信號衰減問(wèn)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(huì )衰減信號頻率。信號經(jīng)歷約為1dB/cm/MHz的衰減，即對于一個(gè)10MHz的信號和5cm的滲透深度，往返信號會(huì )衰減5×2×10=100dB。
這對大動(dòng)態(tài)范圍的接收信號提出了一個(gè)嚴峻的挑戰：一個(gè)問(wèn)題是接收電路必須同時(shí)具有很低的噪聲和大信號處理能力，另一個(gè)重要問(wèn)題是要求快速過(guò)載恢復能力。即使T/R開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)泄漏并足以使接收機過(guò)載。低劣的過(guò)載恢復將使接收機處于“盲”狀態(tài)直到它恢復，這會(huì )對所生成圖像離皮膚表面的距離產(chǎn)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(shí)或存儲沿波束從特定焦點(diǎn)反射的接收脈沖，然后按時(shí)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(guān)，而信號是相關(guān)的；這樣產(chǎn)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(xiàn)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(guò)對盡可能接近傳感器陣列單元的模擬值進(jìn)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(gè)DBF系統的基本框圖，在A(yíng)BF系統中用可變延時(shí)線(xiàn)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(shí)現都需要VGA，同時(shí)ABF系統只需要一個(gè)高分辨率并且相當低速的ADC(在求和之后對信號進(jìn)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(jìn)行采樣。
3 動(dòng)態(tài)范圍
LNA的基底噪聲決定可以接收多弱的信號。但是同時(shí)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(guò)程中。因此，要求LNA具有最大的動(dòng)態(tài)范圍是極其重要的(一般來(lái)講，由于噪聲和信號失真限制，在LNA之前進(jìn)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(dòng)態(tài)范圍。在CW信號處理期間，一半傳感器陣列連續發(fā)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(jìn)行濾波，因此處理CW信號的任何IC都需要具有非常大的動(dòng)態(tài)范圍。
根據當前的技術(shù)發(fā)展水平，不能處理來(lái)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(gè)原因，為了處理如圖所示的CW多普勒信號需要一個(gè)ABF。當然，DBF超聲系統中的“圣杯”(Holy Grail)可以通過(guò)DBF鏈路以現實(shí)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(guān)重要的。為了最終實(shí)現把所有超聲模式都集成到一個(gè)波束形成器，人們總是追求增大前端的動(dòng)態(tài)范圍；滿(mǎn)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(zhù)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(huì )減小動(dòng)態(tài)范圍，所以對于一個(gè)期望動(dòng)態(tài)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(guān)鍵技術(shù)指標的技術(shù)背景。最重要的是：大動(dòng)態(tài)范圍、優(yōu)良的過(guò)載恢復能力、低互調失真(LNA)和平坦的群延時(shí)(優(yōu)良的大信號帶寬)，另外或許最最重要的是非常低的功耗。實(shí)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。
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