超聲成像系統(tǒng)連續(xù)波多普勒設計的挑戰(zhàn)

1、超聲成像系統(tǒng)連續(xù)波多普勒設計的挑戰(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）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是方波信號，典型頻率為2.0mhz至7.5mhz多普勒頻率。放射單元通過發(fā)送適當相位的信號聚焦放射波束。同樣，cwd接收信號通過對每個接收單元的信號舉行相位調(diào)節(jié)、求和舉行聚焦?！安ㄊ尚汀眂wd接收信號是由固態(tài)組織反射的強信號(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。每個相控陣接收通道輸入端的典型雜波可能高達100mvp-p，而接收機rti的噪底惟獨1至2nv/。為了優(yōu)化接收性能，需要每通道的

2、snr達到155dbc/。對于一個64通道的cwd接收機，考慮到求和增益，求和后的“波束成型”信號需要額外的18db動態(tài)范圍，整體信噪比snr的要求會達到173dbc/！越發(fā)困難的是，感愛好的低速多普勒信號的頻率會在1khz以內(nèi)或低于雜波信號。由此可見超聲檢測設備瀕臨巨大的設計挑戰(zhàn)。目前，超聲系統(tǒng)大多采納模擬延時線接收器實現(xiàn)cwd信號檢測(圖1)，來自超聲接收單元的輸入信號經(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，隨后通過交錯開關和模擬延時線舉行波束成型。這種架構(gòu)很簡單集成，由于他所需要的-電流轉(zhuǎn)換器、模擬開關、無源延時線以及單路i/q混頻器很簡單集成。通過配置交錯

3、開關求和，通過適當?shù)难訒r線抽頭切換信號，達到每個接收器的延時要求。波束成型后的rfcwd信號混頻后得到基帶i、q信號，這兩路信號經(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，這個處理過程對cwd的性能影響較大，對于64通道設計示例，i、q rf混頻器需要在處理波束成型信號時具有173dbc/(1khz頻偏)的動態(tài)范圍。能夠達到這一指標的混頻器很難實現(xiàn)，此外，本振驅(qū)動信號還必需保持極低的顫動。圓滿的是很難從市場上獲得能夠達到這樣指標的規(guī)律器件雖然cwd延時線能夠滿足結(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延時線的接收

4、機簡化為了獲得更高性能，在cwd系統(tǒng)中引入一個cwd混頻器/波束成型器，簡化框圖2所示。該架構(gòu)中，每個通道都具有一個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)個相位中的一種。lo相位的變幻將轉(zhuǎn)變接收信號的相位，達到波束成型的目的。因為混頻器的實現(xiàn)基于每個通道，對每個通道混頻器的要求可以降低到155dbc/hz (1khz頻偏)。這一指標雖然苛刻，但利用雙極型混頻器和標準規(guī)律器件可以實現(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化cwd

5、接收機設計，獲得高性能過去，因為缺乏適當?shù)募晒に?，很難實現(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)達到優(yōu)異的cwd性能，不存在上述延時線cwd架構(gòu)的局限性。圖3 簡化后的單通道超聲接收機，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接收器的另外一個潛在問題是lna放大器的snr指標，為了降低功耗、減小尺寸，許多超聲設計人員挑選了lna，這樣的器件可能適合某些能夠控制cwd性能的應用。利用幾何尺寸低于0.35m的cmos工藝制作放大器時，1/f噪聲很大。這種噪聲會引起lna增益的低頻調(diào)制。較強的rfcwd雜波通過這種lna時將產(chǎn)生較大的低頻調(diào)