如今的手機可以通話、發(fā)送短信,、拍照,、查詢股票價格,、安排會議等等。而在醫(yī)療領域中,，便攜式超聲系統(tǒng)裝載在手推車上,。幸而超聲系統(tǒng)也在持續(xù)改進，并且被醫(yī)生們稱為“新型聽診器”,。針對以前經(jīng)典的超聲信號鏈路,，本文主要對系統(tǒng)劃分策略及其優(yōu)缺點進行討論。

　　超聲信號鏈路

　　幾乎在每個系統(tǒng)中,，電纜由傳感器單元直接驅(qū)動,。系統(tǒng)的傳感器均位于相對較長的電纜末端，這些電纜約兩米長,，其中包含至少8個至256個微型同軸電纜,，是系統(tǒng)最昂貴的部件之一。電纜的電容成為傳感器元件的負載,，引起了很大的信號損耗,，這對接收端提出了靈敏度的要求，以便保持動態(tài)范圍和實現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能,。

　　抗混疊濾波器（AAF）限制了信號帶寬,，同時也限制了ADC之前的TGC路徑中的其它噪聲。通過VGA將寬動態(tài)范圍的輸入信號壓縮,，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，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動態(tài)范圍,。該限制是根據(jù)量化的本底噪聲設定的，而量化本底噪聲由ADC的分辨率決定,。

　　圖1所示的是超聲系統(tǒng)的簡化原理圖,。

圖1. 典型的超聲信號鏈路

　　對于受益于輸入阻抗匹配的應用，有源阻抗控制可以優(yōu)化噪聲性能,。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,。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,。

　　時間增益控制（TGC）路徑由一個低噪聲放大器（LNA）,、一個可變增益放大器（VGA）和一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）構(gòu)成。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而設定的,。然后，驅(qū)動傳感器的高壓發(fā)射放大器將波束成形器的輸出放大,。在操作人員的控制下,，TGC路徑用于在掃描過程中保持圖像的均勻性。

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

圖2. ABF系統(tǒng)的簡化原理圖

　　對于波束成形,，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（分辨率非常高的）高速ADC,。

　　而另一方面，在DBF系統(tǒng)中,，需要多個高速高分辨率ADC,。有時候在ABF系統(tǒng)的ADC之前使用對數(shù)放大器壓縮動態(tài)范圍。而在DBF系統(tǒng)中,，應盡可能接近傳感器單元來采集信號,，然后將信號延遲并對其進行數(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)的簡化的原理圖,。

　　90年代初期,，便攜式電話風靡一時。隨著膝上型計算機的體積縮小,，它們也被稱為“背包電話”,。目前，電子行業(yè)已經(jīng)取得長足的發(fā)展,，現(xiàn)今的手機可以發(fā)送電子郵件和短信,，可以拍照、查詢股票價格,、安排會議,，當然,，也可以同世界上任何地方的任何人通話。同樣在醫(yī)療領域中,，以前所謂的便攜式超聲系統(tǒng)裝載在手推車上,，并且可以拖拽，但是實際上它們是難于拖拽的,。幸而超聲系統(tǒng)也在持續(xù)改進,，并且被醫(yī)生們稱為“新型聽診器”。

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

　　超聲信號鏈路

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

圖1. 典型的超聲信號鏈路

　　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而設定的,。然后，驅(qū)動傳感器的高壓發(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）多路復用器/多路分離器減少發(fā)射和接收硬件的復雜度,，但是這犧牲了靈活性,。

　　時間增益控制（TGC）路徑由一個低噪聲放大器（LNA）、一個可變增益放大器（VGA）和一個模數(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對噪聲的貢獻,。對于受益于輸入阻抗匹配的應用，有源阻抗控制可以優(yōu)化噪聲性能,。

　　通過VGA將寬動態(tài)范圍的輸入信號壓縮,，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,，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動態(tài)范圍。該限制是根據(jù)量化的本底噪聲設定的,，而量化本底噪聲由ADC的分辨率決定,。

　　抗混疊濾波器（AAF）限制了信號帶寬，同時也限制了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的相位對準和求和,，該信號由共同的源生成，但是由多元超聲傳感器在不同的時間點接收,。在CWD路徑中,，對接收器通道進行移相和求和，以提取一致的信息,。波束成形具有兩個功能：一個是向傳感器指明方向,，即提高其增益，另一個是定義人體內(nèi)的焦點,，由該焦點得到回波的位置,。

　　對于波束成形，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（分辨率非常高的）高速ADC。而另一方面,，在DBF系統(tǒng)中,，需要多個高速高分辨率ADC。有時候在ABF系統(tǒng)的ADC之前使用對數(shù)放大器壓縮動態(tài)范圍,。而在DBF系統(tǒng)中,，應盡可能接近傳感器單元來采集信號，然后將信號延遲并對其進行數(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)的簡化的原理圖,。

圖2. ABF系統(tǒng)的簡化原理圖

圖3. DBF系統(tǒng)的簡化原理圖

　　由于DBF更加靈活，因此大部分現(xiàn)代圖像采集超聲系統(tǒng)常采用的這種方法,，但是應當注意ABF和DBF之間優(yōu)點和缺點是相對的,。

　　DBF相對于ABF的優(yōu)點：

　　模擬延遲線的通道之間的匹配性往往較差 模擬延遲線中的延遲抽頭的數(shù)目受到限制,，并且必須使用微調(diào)電路 在采集數(shù)據(jù)之后，數(shù)字存儲和求和是“完美的”,，因此通道間的匹配也是完美的通過對FIFO中不同位置的數(shù)據(jù)求和,，可以容易地形成多個波束 由于存儲器越來越便宜，因此可以使用容量更大的FIFO,，以提供更加精細的延遲 僅通過軟件即能夠使系統(tǒng)具有不同的功能 數(shù)字IC的性能以非常高的速度持續(xù)提高

　　DBF相對于ABF的缺點：

　　需要多個高速高分辨率ADC（脈寬多普勒需要約60 dB的動態(tài)范圍,，而這至少需要10 bit的ADC） 由于使用多個ADC和數(shù)字波束成形ASIC，因此功耗較高 ADC的采樣速率直接影響分辨率和通道間的相位延遲調(diào)節(jié)的準確度,；采樣速率越高,，相位延遲就越精細。

　　系統(tǒng)劃分策略

　　雖然現(xiàn)今系統(tǒng)已擁有大量的先進技術(shù),，但是超聲系統(tǒng)設計仍然是復雜的,。對于其它的復雜系統(tǒng)，已具有系統(tǒng)劃分的多種方法,。在本節(jié)中將討論多種超聲系統(tǒng)劃分策略,，所有這些劃分策略均著眼于解決系統(tǒng)便攜性的問題。

　　AD9271使用串行I/O接口以減少引腳數(shù)目,，因此使每個通道的總面積至少減少1/3,，功耗至少降低25%。AD9271超聲子系統(tǒng)為滿足緊湊性要求而設計,，它采用微型的14 mm×14 mm×1.2 mm封裝,，每個完整的TGC通道在40 MSPS下功耗僅為150 mW。隨著更高級的集成方案的廣泛使用,，可以進一步減少成本,、供應商數(shù)量、系統(tǒng)體積和功耗,，系統(tǒng)散熱量降低,，延長便攜式單元中的電池壽命。

　　隨著完整的TGC路徑的進一步集成,，如圖5中所示,，多通道、多元件的集成使設計變得更加容易,，這是因為它們對PCB尺寸和功耗的要求進一步降低,。

圖5. TGC集成

　　但是AD9271不可能滿足每個超聲系統(tǒng)設計人員的要求。需要注意的是：連接探針單元的電纜會對動態(tài)范圍有些不良影響,，而且成本較高,。如果前端電子元件比較接近探針，那么就可以減少影響信號靈敏度的探針損耗，允許設計人員降低系統(tǒng)對LNA的要求,。

　　另一種方法是將VGA控制放在探針和電路板上的,、元件之間。隨著器件的尺寸不斷縮小,，系統(tǒng)也可以封裝到超小型封裝中,。但是這種方法的缺點在于,，設計人員需要對探針進行全定制設計,。換言之，探針/電子器件的定制設計將使設計人員回到ASIC實例中存在的瓶頸,，而且供應商是有限的,。

　　圖6中提出了一種方法，即將LNA集成到探針單元中,。

圖6. 探針集成

　　趨勢

　　超聲系統(tǒng)可以分為三類：高端,、中端和低端。高端超聲系統(tǒng)采用最新的技術(shù),，滿足市場最新的要求,，并且提供最佳的圖像質(zhì)量。中端超聲系統(tǒng)在不犧牲圖像質(zhì)量的前提下,，通常具有高端超聲系統(tǒng)的部分特性,。而低端超聲系統(tǒng)的體積一般較小，一般應用于臨床醫(yī)療等特定應用,。顯然,，高端超聲系統(tǒng)是非常昂貴的，并且依賴于應用和市場需求進行不同的劃分,。

　　許多應用都意識到超聲的優(yōu)異之處,，因此對超聲系統(tǒng)的便攜性有很高的要求。即使在無法提供可靠電源的遠程應用中,，由于增加的便攜性,，也可以使用這些設備。一般來說,，這一趨勢隨著工業(yè)和電子行業(yè)的技術(shù)進步而發(fā)展,。由于這些進步已將器件的體積、功耗和性能指標推到極限,，因此日益增長的要求是將便攜式設備從低端系統(tǒng)變?yōu)楦叨讼到y(tǒng),。

　　然而，便攜性的趨勢使許多“高端”特征降級,，通常為典型的低端或便攜的特征,。盡管超聲系統(tǒng)作為臨床醫(yī)療和預防性維護工具，已逐漸為人們所了解，但是最初,，使用率還是較低的,，這是因為便攜式超聲系統(tǒng)的成本不僅包括用于采購成本，而且也包括對新用戶進行培訓的成本,。

　　結(jié)論

　　醫(yī)療和工業(yè)應用對便攜式超聲系統(tǒng)的需求日益增長,。理解如超聲系統(tǒng)這樣的復雜系統(tǒng)的細微差別需要進行多年的研究和開發(fā)。脈沖回波技術(shù)早期用于檢測大型水下船體和潛艇,，并且用于結(jié)構(gòu)制造中的裂縫檢驗,。所有這些系統(tǒng)對緊湊性和便攜性都有著類似的要求。超聲技術(shù)的廣泛應用這僅僅是一個時間問題,。