超声便携式设备原理及系统划分详解

　　90年代初期，便携式电话风靡一时。随着膝上型计算机的体积缩小，它们也被称为"背包电话"。目前，电子行业已经取得长足的发展，现今的手机可以发送电子邮件和短信，可以拍照、查询股票价格、安排会议，当然，也可以同世界上任何地方的任何人通话。同样在医疗领域中，以前所谓的便携式超声系统装载在手推车上，并且可以拖拽，但是实际上它们是难于拖拽的。幸而超声系统也在持续改进，并且被医生们称为"新型听诊器"。

　　本文将回顾经典的超声信号链路，讨论不同的系统划分策略以及它们的优缺点，并且展示这些系统划分策略在便携式超声应用中的意义。

　　超声信号链路

　　图1. 典型的超声信号链路

　　图1所示的是超声系统的简化原理图。系统的传感器均位于相对较长的电缆末端，这些电缆约两米长。这些电缆包含有至少8个至256个微型同轴电缆，是系统最昂贵的部件之一。几乎在每个系统中，电缆由传感器单元直接驱动。电缆的电容成为传感器元件的负载，引起了很大的信号损耗，这对接收端提出了灵敏度的要求，以便保持动态范围和实现最佳系统性能。

　　在发射端（Tx路径），波束成形器确定了延迟模式和脉冲序列，其是专为所需的焦点而设定的。然后，驱动传感器的高压发射放大器将波束成形器的输出放大。这些放大器可由数模转换器（DAC）或者高压FET开关阵列控制，将发射脉冲整形，以便较好的将能量传递到传感器单元。而在接收端，发射/接收（T/R）开关（通常是二极管电桥）阻挡Tx高压脉冲。在某些阵列中使用高压（HV）多路复用器/多路分离器减少发射和接收硬件的复杂度，但是这牺牲了灵活性。

　　时间增益控制（TGC）路径由一个低噪声放大器（LNA）、一个可变增益放大器（VGA）和一个模数转换器（ADC）构成。在操作人员的控制下，TGC路径用于在扫描过程中保持图像的均匀性。良好的噪声性能取决于LNA，它可以减少后面的VGA对噪声的贡献。对于受益于输入阻抗匹配的应用，有源阻抗控制可以优化噪声性能。

　　通过VGA将宽动态范围的输入信号压缩，以满足ADC的输入范围要求。LNA的折算至输入端的噪声限制了可分辨的最小输入信号，而折算至输出端的噪声主要取决于 VGA，它限制了特定增益控制电压下的最大瞬时动态范围。该限制是根据量化的本底噪声设定的，而量化本底噪声由ADC的分辨率决定。

　　抗混叠滤波器（AAF）限制了信号带宽，同时也限制了ADC之前的TGC路径中的其它噪声。

　　医用超声的波束成形被定义为信号的相位对准和求和，该信号由共同的源生成，但是由多元超声传感器在不同的时间点接收。在CWD路径中，对接收器通道进行移相和求和，以提取一致的信息。波束成形具有两个功能：一个是向传感器指明方向，即提高其增益，另一个是定义人体内的焦点，由该焦点得到回波的位置。

　　对于波束成形，可以采用两种截然不同的方法：模拟波束成形（ABF）和数字波束成形（DBF）。ABF和DBF系统之间的主要差别在于完成波束成形的方式；这两种方法都需要良好的通道间匹配。在ABF中，使用模拟延迟线和求和。其中仅需要一个（分辨率非常高的）高速ADC。而另一方面，在DBF系统中，需要多个高速高分辨率ADC。有时候在ABF系统的ADC之前使用对数放大器压缩动态范围。而在DBF系统中，应尽可能接近传感器单元来采集信号，然后将信号延迟并对其进行数字求和。在图2和3中示出了这两种类型的波束成形体系结构的简化的原理图。

　　图2. ABF系统的简化原理图

　　图3. DBF系统的简化原理图

　　由于DBF更加灵活，因此大部分现代图像采集超声系统常采用的这种方法，但是应当注意ABF和DBF之间优点和缺点是相对的。

　　DBF相对于ABF的优点：

　　模拟延迟线的通道之间的匹配性往往较差 模拟延迟线中的延迟抽头的数目受到限制，并且必须使用微调电路 在采集数据之后，数字存储和求和是"完美的"，因此通道间的匹配也是完美的通过对FIFO中不同位置的数据求和，可以容易地形成多个波束 由于存储器越来越便宜，因此可以使用容量更大的FIFO，以提供更加精细的延迟 仅通过软件即能够使系统具有不同的功能 数字IC的性能以非常高的速度持续提高

　　DBF相对于ABF的缺点：

　　需要多个高速高分辨率ADC（脉宽多普勒需要约60 dB的动态范围，而这至少需要10 bit的ADC） 由于使用多个ADC和数字波束成形ASIC，因此功耗较高 ADC的采样速率直接影响分辨率和通道间的相位延迟调节的准确度；采样速率越高，相位延迟就越精细。

　　系统划分策略

虽然现今系统已拥有大量的先进技术，但是超声系统设计仍然是复杂的。对于其它的复杂