前端IC決定超聲系統(tǒng)整體性能

　　超聲系統(tǒng)是目前廣泛使用的最精密復(fù)雜的信號(hào)處理儀器之一。像任何復(fù)雜的儀器一樣，由于性能、物理和成本要求的原因，實(shí)現(xiàn)時(shí)要做出許多權(quán)衡。掌握一些系統(tǒng)級(jí)的知識(shí)對(duì)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(shí)間增益補(bǔ)償放大器(TGC，一種可變增益放大器)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。這些模擬信號(hào)處理IC是決定系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵因素。前端IC的特性規(guī)定了系統(tǒng)性能的限度，一旦引入噪聲和失真，實(shí)際上不可能再去除它們。

　　在所有超聲系統(tǒng)中，在包含48到256芯微同軸電纜的相對(duì)較長電纜(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(fù)用器或多路分配器來減小發(fā)送和接收硬件的復(fù)雜性，但以使用靈活性為代價(jià)。使用最靈活的系統(tǒng)是相控陣列數(shù)字波束形成器系統(tǒng)-它們也往往是成本最高的系統(tǒng)，因?yàn)樾枰獙?shí)現(xiàn)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(shù)轉(zhuǎn)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(tǒng)都可能實(shí)現(xiàn)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(shè)置期望發(fā)送焦點(diǎn)的延遲模式，然后用驅(qū)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。

　　放大之后，就完成了模擬波束形成(ABF)或數(shù)字波束形成(DBF)。除了連續(xù)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(dāng)前的系統(tǒng)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(tǒng)的目的第一是給出人體內(nèi)部器官的精確圖像，第二是通過多普勒信號(hào)處理確定體內(nèi)的血流運(yùn)動(dòng)狀況。下面分析超聲系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)這些目的時(shí)，在信號(hào)衰減、功耗以及動(dòng)態(tài)范圍等方面的技術(shù)挑戰(zhàn)以及前端IC的選擇考慮因素。

　　信號(hào)衰減問題

　　超聲系統(tǒng)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(yī)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(dá)40MHz。對(duì)于給定滲透距離，組織衰減會(huì)衰減信號(hào)頻率。信號(hào)經(jīng)歷約為1dB/cm/MHz的衰減，即對(duì)于一個(gè)10MHz的信號(hào)和5cm的滲透深度，往返信號(hào)會(huì)衰減5×2×10=100dB。

　　這對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍的接收信號(hào)提出了一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：一個(gè)問題是接收電路必須同時(shí)具有很低的噪聲和大信號(hào)處理能力，另一個(gè)重要問題是要求快速過載恢復(fù)能力。即使T/R開關(guān)也應(yīng)該防止接收機(jī)接收大脈沖，這些脈沖中仍有小部分從開關(guān)泄漏并足以使接收機(jī)過載。低劣的過載恢復(fù)將使接收機(jī)處于“盲”狀態(tài)直到它恢復(fù)，這會(huì)對(duì)所生成圖像離皮膚表面的距離產(chǎn)生直接影響。

　　ABF和DBF系統(tǒng)

　　在模擬ABF和DBF超聲系統(tǒng)中，首先為各通道延時(shí)或存儲(chǔ)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(duì)其相干性求和-這就提供了空間處理增益，因?yàn)橥ǖ篱g噪聲不相關(guān)，而信號(hào)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(shù)。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(duì)它們求和并且在求和之后轉(zhuǎn)換成數(shù)字值(ABF);另一種方法是通過對(duì)盡可能接近傳感器陣列單元的模擬值進(jìn)行數(shù)字化采樣，把它們存入存儲(chǔ)器(FIFO)，然后對(duì)它們數(shù)字化求和(DBF)。

　　圖1：DBF系統(tǒng)基本框圖。

　　如圖給出一個(gè)DBF系統(tǒng)的基本框圖，在ABF系統(tǒng)中用可變延時(shí)線代替ADC和FIFO。這兩種系統(tǒng)都要求極好的通道間匹配。應(yīng)當(dāng)注意的是這兩種系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)都需要VGA，同時(shí)ABF系統(tǒng)只需要一個(gè)高分辨率并且相當(dāng)?shù)退俚腁DC(在求和之后對(duì)信號(hào)進(jìn)行下變頻)，但DBF系統(tǒng)需要許多高速、高分辨率的ADC，因?yàn)樗獙?duì)射頻(RF)帶通信號(hào)進(jìn)行采樣。

　　動(dòng)態(tài)范圍

　　LNA的基底噪聲決定可以接收多弱的信號(hào)。但是同時(shí)LNA也必須能夠處理非常大的信號(hào)，尤其是連續(xù)波(CW)多普勒信號(hào)處理過程中。因此，要求LNA具有最大的動(dòng)態(tài)范圍是極其重要的(一般來講，由于噪聲和信號(hào)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(hào)具有超聲系統(tǒng)中所有信號(hào)最大的動(dòng)態(tài)范圍。在CW信號(hào)處理期間，一半傳感器陣列連續(xù)發(fā)送正弦波，而另一半傳感器陣列接收該信號(hào)。Tx信號(hào)很可能泄漏到Rx端。因?yàn)槎嗥绽招盘?hào)非常弱，所以在解調(diào)之前不容易對(duì)大的泄漏信號(hào)進(jìn)行濾波，因此處理CW信號(hào)的任何IC都需要具有非常大的動(dòng)態(tài)范圍。

　　根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展水平，不能處理來自DBF系統(tǒng)中主要的B模式和F模式通道的CW多普勒信號(hào)。由于這個(gè)原因，為了處理如圖所示的CW多普勒信號(hào)需要一個(gè)ABF。當(dāng)然，DBF超聲系統(tǒng)中的“圣杯”(Holy Grail)可以通過DBF鏈路以現(xiàn)實(shí)的成本和功耗處理所有模式。

　　功耗考量

　　因?yàn)槌曄到y(tǒng)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(xiàn)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;滿足使超聲系統(tǒng)減小體積和便攜式的相應(yīng)需求導(dǎo)致與功耗需求的矛盾。數(shù)字電路的功耗通常隨著電源電壓降低而減小，但對(duì)于模擬信號(hào)或混合信號(hào)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(duì)于一個(gè)期望動(dòng)態(tài)范圍，電源電壓能夠達(dá)到多低是有限度的。

　　本文結(jié)論

　　本文試圖給出決定超聲系統(tǒng)前端IC所需要的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的技術(shù)背景。最重要的是：大動(dòng)態(tài)范圍、優(yōu)良的過載恢復(fù)能力、低互調(diào)失真(LNA)和平坦的群延時(shí)(優(yōu)良的大信號(hào)帶寬)，另外或許最最重要的是非常低的功耗。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，超聲系統(tǒng)對(duì)IC的要求非常接近于通信或雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)高性能接收機(jī)應(yīng)用的要求。