超聲成像系統(tǒng)連續(xù)波多普勒設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

1、超聲成像系統(tǒng)連續(xù)波多普勒設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)典型的相控陣cwd(延續(xù)波多普勒)架構(gòu)中，超聲的聚焦孔徑分成兩部分，一半的（64至128個(gè)）傳感器單元用于發(fā)送器，另一半用于接收器。作用在放射單元的信號(hào)是方波信號(hào)，典型頻率為2.0mhz至7.5mhz多普勒頻率。放射單元通過發(fā)送適當(dāng)相位的信號(hào)聚焦放射波束。同樣，cwd接收信號(hào)通過對(duì)每個(gè)接收單元的信號(hào)舉行相位調(diào)節(jié)、求和舉行聚焦?！安ㄊ尚汀眂wd接收信號(hào)是由固態(tài)組織反射的強(qiáng)信號(hào)(通常稱其為雜波)以及流淌的血液反射回歸的較弱的多普勒信號(hào)。每個(gè)相控陣接收通道輸入端的典型雜波可能高達(dá)100mvp-p，而接收機(jī)rti的噪底惟獨(dú)1至2nv/。為了優(yōu)化接收性能，需要每通道的

2、snr達(dá)到155dbc/。對(duì)于一個(gè)64通道的cwd接收機(jī)，考慮到求和增益，求和后的“波束成型”信號(hào)需要額外的18db動(dòng)態(tài)范圍，整體信噪比snr的要求會(huì)達(dá)到173dbc/！越發(fā)困難的是，感愛好的低速多普勒信號(hào)的頻率會(huì)在1khz以內(nèi)或低于雜波信號(hào)。由此可見超聲檢測(cè)設(shè)備瀕臨巨大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。目前，超聲系統(tǒng)大多采納模擬延時(shí)線接收器實(shí)現(xiàn)cwd信號(hào)檢測(cè)(圖1)，來自超聲接收單元的輸入信號(hào)經(jīng)過緩沖、放大，低噪聲提供大約20db的增益。lna輸出被轉(zhuǎn)換成信號(hào)，隨后通過交錯(cuò)開關(guān)和模擬延時(shí)線舉行波束成型。這種架構(gòu)很簡(jiǎn)單集成，由于他所需要的-電流轉(zhuǎn)換器、模擬開關(guān)、無源延時(shí)線以及單路i/q混頻器很簡(jiǎn)單集成。通過配置交錯(cuò)

3、開關(guān)求和，通過適當(dāng)?shù)难訒r(shí)線抽頭切換信號(hào)，達(dá)到每個(gè)接收器的延時(shí)要求。波束成型后的rfcwd信號(hào)混頻后得到基帶i、q信號(hào)，這兩路信號(hào)經(jīng)過帶通濾波后舉行數(shù)字轉(zhuǎn)換。rf至基帶的混頻處理通常是接收鏈路保證snr的瓶頸，這個(gè)處理過程對(duì)cwd的性能影響較大，對(duì)于64通道設(shè)計(jì)示例，i、q rf混頻器需要在處理波束成型信號(hào)時(shí)具有173dbc/(1khz頻偏)的動(dòng)態(tài)范圍。能夠達(dá)到這一指標(biāo)的混頻器很難實(shí)現(xiàn)，此外，本振驅(qū)動(dòng)信號(hào)還必需保持極低的顫動(dòng)。圓滿的是很難從市場(chǎng)上獲得能夠達(dá)到這樣指標(biāo)的規(guī)律器件雖然cwd延時(shí)線能夠滿足結(jié)構(gòu)緊湊的超聲系統(tǒng)的最低要求，因此，上述性能的局限性是亟待解決的問題。圖1 基于cwd延時(shí)線的接收

4、機(jī)簡(jiǎn)化為了獲得更高性能，在cwd系統(tǒng)中引入一個(gè)cwd混頻器/波束成型器，簡(jiǎn)化框圖2所示。該架構(gòu)中，每個(gè)通道都具有一個(gè)i/q混頻器，在基帶端(而非rf端)舉行波束成型求和；每路i/q混頻器的lo相位可以調(diào)整在n (n =8至16相)個(gè)相位中的一種。lo相位的變幻將轉(zhuǎn)變接收信號(hào)的相位，達(dá)到波束成型的目的。因?yàn)榛祛l器的實(shí)現(xiàn)基于每個(gè)通道，對(duì)每個(gè)通道混頻器的要求可以降低到155dbc/hz (1khz頻偏)。這一指標(biāo)雖然苛刻，但利用雙極型混頻器和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)律器件可以實(shí)現(xiàn)?；祛l器輸出為電流，而且在基帶舉行無源求和，可以滿足cwd波束成型的snr要求。圖2 低功耗lna和cwd混頻器/波束成型電路能夠簡(jiǎn)化cwd

5、接收機(jī)設(shè)計(jì)，獲得高性能過去，因?yàn)槿狈m當(dāng)?shù)募晒に嚕茈y實(shí)現(xiàn)高性能的波束成型架構(gòu)。但目前這一問題已經(jīng)得到解決，徹低集成的8通道vga和8通道cwd i/q混頻器以及配套的可編程lo驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)開頭供貨，圖3所示給出了這類器件max2038接收鏈路的示圖。采納這種架構(gòu)可以使超聲系統(tǒng)達(dá)到優(yōu)異的cwd性能，不存在上述延時(shí)線cwd架構(gòu)的局限性。圖3 簡(jiǎn)化后的單通道超聲接收機(jī)，采納max2038單芯片8路i/q混頻器和max2034 4路lna，有效提高系統(tǒng)性能構(gòu)建cwd接收器的另外一個(gè)潛在問題是lna放大器的snr指標(biāo)，為了降低功耗、減小尺寸，許多超聲設(shè)計(jì)人員挑選了lna，這樣的器件可能適合某些能夠控制cwd性能的應(yīng)用。利用幾何尺寸低于0.35m的cmos工藝制作放大器時(shí)，1/f噪聲很大。這種噪聲會(huì)引起lna增益的低頻調(diào)制。較強(qiáng)的rfcwd雜波通過這種lna時(shí)將產(chǎn)生較大的低頻調(diào)