优化系统设计提高超声接收机的SNR

系统设计

对整个超声系统进行优化，以支持新器件改善了的SNR，包括数字波束成形器(数字延迟和求和)、数字滤波器、检波器以及压缩映射，如图4所示的超声接收器方框简图。


图4. n沟道超声接收器波束成形方框简图。

如果数字波束成形、滤波器和压缩电路没有足够的动态范围(即足够的位数)，并且/或者用以显示灰度的检波信号的压缩调节不正确，就不能有效利用这些新接收器的高SNR性能。此外，如果这些关键电路已优化用于老式的低SNR接收器，得到结果如同这些新的高SNR接收器没有足够的增益或调节范围。

为清晰起见，以图5所示典型的64通道系统为例。


图5. 简化64通道超声接收器系统在最小VGA增益下的噪声分析。

本例中，我们假设使用的是MAX2082收发器。单接收通道的SNR与增益关系曲线如图5左侧所示。从曲线可知，中、低增益时SNR为大约68dBFS。正如预期的那样，增益提高时，SNR变差；放大后的接收器和变送器元件输入噪声大于ADC噪声。在图2所示MAX2082的输出噪声与增益关系曲线中也能看到这一点。

本例中的数字波束成形器延迟及求和接收器的数字输出，产生数字波束成形输出。在波束成形中求和ADC的输出时，通道数量每增加一倍，SNR将增加3dB。因此，对于64通道接收器，低增益下的波束成形输出的SNR将为68dB+(3dB×log2 (64))=86dBFS。波束成形器必须至少维持在该动态范围，所以输出应至少为16位，以对全部64路12位输出求和。波束成形器的输出通常使用与变送器带宽相匹配的滤波器进行滤波，然后进行检波。这些电路也必须维持必要的动态范围。然后需要将检波器的输出映射到可以使用的显示灰度的动态范围。图6所示为典型的检波器至灰度映射曲线。


图6. 检波器输出至灰度映射曲线表明了VGA为最小增益时的检波器噪声水平。

对于正确的系统设计，存在一个临界设置：将最小灰度显示电平或黑色电平设置为恰好高于接收器为最小增益时的检波器输出本底噪声。将黑色电平设置为该点确保整个接收器的最大动态范围，以及接收器在中、低增益时的输出噪声在图像上不可见。

现在，我们考虑VGA处于最大增益时的情况，如图7所示。此时，单通道SNR为大约59dBFS，如图中的单通道SNR与增益关系曲线所示。因此，64通道波束成形器的输出SNR为77dBFS。所以，最大VGA增益下的波束成形器输出噪声比VGA为最小增益时高出大约11dB。


图7. 简化64通道超声接收器系统在最大VGA增益下的噪声分析。

在图7所示的最大VGA增益条件下，相对于正确设置的压缩曲线，检波器噪底应如图8所示。此时，高增益下接近噪底的低电平信号应调整到B模式下清晰可见的电平。值得注意的是，对于低电平已检波信号，为使其清晰可见以及增强这些低电平信号的差分灰度，调整曲线应该相当陡峭。


图8. 检波器输出至灰度映射曲线表明了VGA为最大增益时的检波器噪声水平。

通过分析，很容易理解如果波束成形器、滤波器、检波器及灰度映射均针对较低SNR 10位接收器进行优化，有人可能认为使用高SNR接收器时必须具有较高的最大增益。使用低SNR接收器时，检波器输出噪声在较低VGA增益下比较高。因此，必须将灰度映射曲线的黑电平设置得较高，以确保该噪声在屏幕上不可见。然而，如果接收器更改为高SNR的12位接收器，最大VGA增益下的小信号将低于压缩曲线的黑色电平；表现为接收增益不足。

与使用高SNR接收器以及系统的时间增益控制(TGC)相关的另一问题是，典型的B超图像中，调节时间增益控制，使相同类型的组织在图像中从近至远具有一致的灰度。为保证一致的灰度，必要的TGC增益调节范围为50dB左右。从我们之前的分析可知，像MAX2082收发器中这样的高SNR收发器的要求增益范围仅为大约39dB。那么这种模拟增益调节范围明显不足以提供必要的TGC范围。

所以，使用高SNR接收器的系统必须采用数字增益调节技术，以提供附加的TGC增益调节范围。通常在波束成形器之后安装由软件控制的数字衰减器，以提供必要的附加调节范围。下图9所示为带有数字和模拟增益电路的系统方框图。从图中可看出如何组合使用模拟接收器VGA和数字增益调节，以提供足够的调节范围。对于较低的TGC增益，使用数字衰减器通过数字方法调节。本例中，较低的12dB调节范围是利用该技术实现的；对于超过TGC范围较低12dB的TGC增益，利用接收器中的模拟VGA实现增益调节。


图9. 模拟接收器VGA和数字TGC增益调节组合。

结论

随着新型高SNR超声接收器的普及，用户需要确保系统的正确设计，以充分发挥改进后的技术优势。

如果选择高PGA和LNA接收器增益来补偿不正确的系统设计，将会损失这些先进接收器的SNR和LNA输入范围。用户必须确保在整个数字波束成形、滤波、检波以及调整通路上维持接收动态范围，并将信号正确地调整到灰度的显示范围。随着新一代接收机的不断改进，设计人员也必须利用数字和模拟增益调节技术相结合的方式，确保必要的TGC范围。希望本文能使读者更清晰地理解这些问题，使用户更容易充分利用新型、高SNR接收器带来的性能优势。