超聲信號(hào)鏈路系統(tǒng)劃分策略

本文將回顧經(jīng)典的超聲信號(hào)鏈路，討論不同的系統(tǒng)劃分策略以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并且展示這些系統(tǒng)劃分策略在便攜式超聲應(yīng)用中的意義。

　　超聲信號(hào)鏈路

　　圖1所示的是超聲系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理圖。系統(tǒng)的傳感器均位于相對(duì)較長(zhǎng)的電纜末端，這些電纜約兩米長(zhǎng)。這些電纜包含有至少8個(gè)至256個(gè)微型同軸電纜，是系統(tǒng)最昂貴的部件之一。幾乎在每個(gè)系統(tǒng)中，電纜由傳感器單元直接驅(qū)動(dòng)。電纜的電容成為傳感器元件的負(fù)載，引起了很大的信號(hào)損耗，這對(duì)接收端提出了靈敏度的要求，以便保持動(dòng)態(tài)范圍和實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能。

　　圖1. 典型的超聲信號(hào)鏈路

　　在發(fā)射端(Tx路徑)，波束成形器確定了延遲模式和脈沖序列，其是專為所需的焦點(diǎn)而設(shè)定的。然后，驅(qū)動(dòng)傳感器的高壓發(fā)射放大器將波束成形器的輸出放大。這些放大器可由數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)或者高壓FET開關(guān)陣列控制，將發(fā)射脈沖整形，以便較好的將能量傳遞到傳感器單元。而在接收端，發(fā)射/接收(T/R)開關(guān)(通常是二極管電橋)阻擋Tx高壓脈沖。在某些陣列中使用高壓(HV)多路復(fù)用器/多路分離器減少發(fā)射和接收硬件的復(fù)雜度，但是這犧牲了靈活性。

　　時(shí)間增益控制(TGC)路徑由一個(gè)低噪聲放大器(LNA)、一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)構(gòu)成。在操作人員的控制下，TGC路徑用于在掃描過(guò)程中保持圖像的均勻性。良好的噪聲性能取決于LNA，它可以減少后面的VGA對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)。對(duì)于受益于輸入阻抗匹配的應(yīng)用，有源阻抗控制可以優(yōu)化噪聲性能。

　　通過(guò)VGA將寬動(dòng)態(tài)范圍的輸入信號(hào)壓縮，以滿足ADC的輸入范圍要求。LNA的折算至輸入端的噪聲限制了可分辨的最小輸入信號(hào)，而折算至輸出端的噪聲主要取決于VGA，它限制了特定增益控制電壓下的最大瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍。該限制是根據(jù)量化的本底噪聲設(shè)定的，而量化本底噪聲由ADC的分辨率決定。

　　抗混疊濾波器(AAF)限制了信號(hào)帶寬，同時(shí)也限制了ADC之前的TGC路徑中的其它噪聲。

　　醫(yī)用超聲的波束成形被定義為信號(hào)的相位對(duì)準(zhǔn)和求和，該信號(hào)由共同的源生成，但是由多元超聲傳感器在不同的時(shí)間點(diǎn)接收。在CWD路徑中，對(duì)接收器通道進(jìn)行移相和求和，以提取一致的信息。波束成形具有兩個(gè)功能：一個(gè)是向傳感器指明方向，即提高其增益，另一個(gè)是定義人體內(nèi)的焦點(diǎn)，由該焦點(diǎn)得到回波的位置。

　　對(duì)于波束成形，可以采用兩種截然不同的方法：模擬波束成形(ABF)和數(shù)字波束成形(DBF)。ABF和DBF系統(tǒng)之間的主要差別在于完成波束成形的方式;這兩種方法都需要良好的通道間匹配。在ABF中，使用模擬延遲線和求和。其中僅需要一個(gè)(分辨率非常高的)高速ADC。而另一方面，在DBF系統(tǒng)中，需要多個(gè)高速高分辨率ADC。有時(shí)候在ABF系統(tǒng)的ADC之前使用對(duì)數(shù)放大器壓縮動(dòng)態(tài)范圍。而在DBF系統(tǒng)中，應(yīng)盡可能接近傳感器單元來(lái)采集信號(hào)，然后將信號(hào)延遲并對(duì)其進(jìn)行數(shù)字求和。在圖2和3中示出了這兩種類型的波束成形體系結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化的原理圖。

　　圖2. ABF系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理圖

　　圖3. DBF系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理圖