相控陣接收機(jī)

??? 典型的超聲接收機(jī)具有32～256個(gè)接收通道，輸出經(jīng)過適當(dāng)?shù)难舆t，在數(shù)字波束成型器相加后產(chǎn)生復(fù)合波束成型信號(hào)。圖1給出了由LNA、VGA、抗混疊濾波器和ADC組成的單通道典型結(jié)構(gòu)。接收期間超聲信號(hào)在起始位置非常大，由于聲音能量在人體內(nèi)部傳輸?shù)乃p效應(yīng)(往返大約1.4dB/cm-MHz)，信號(hào)幅度將隨時(shí)間快速衰減。假設(shè)接收通道帶寬為20MHz，為了在整個(gè)接收期間充分利用多普勒信號(hào)，需要轉(zhuǎn)換器具有約110dB的動(dòng)態(tài)范圍。這一要求大大超出了實(shí)際ADC轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍。因此，在接收期間，接收機(jī)增益需要?jiǎng)討B(tài)增加以補(bǔ)償接收信號(hào)的衰減，通過VGA將信號(hào)調(diào)整到ADC的輸入動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。為了將接收信號(hào)轉(zhuǎn)換到12位ADC的70dB動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，要求VGA具有大約40dB的增益范圍。通常選擇具有50MHz采樣率的12位ADC。

?

?

脈沖多普勒

??? 為了理解脈沖多普勒應(yīng)用中如何確定ADC的SNR，有必要了解脈沖多普勒信號(hào)的頻率特性以及典型相控陣超聲接收機(jī)對(duì)信號(hào)的處理過程。以典型的2.0MHz脈沖多普勒發(fā)送信號(hào)為例，脈沖重復(fù)頻率(PRF)為10kHz，如圖2所示。

?

??? 該信號(hào)的頻譜如圖3所示，由等間隔的PRF頻率分量組成，采用經(jīng)典的(sine(X))/X分布。

?

?

??? 接收到的脈沖多普勒信號(hào)與發(fā)射信號(hào)具有相同的基頻特性，是發(fā)送信號(hào)的反射波。該信號(hào)的濾波受兩方面的影響：一方面是傳感器的帶寬限制，另一方面是人體內(nèi)部頻率的衰減特性。接收到的完整的PW多普勒頻譜(如圖4所示)以其中心發(fā)射頻率為中心。本例的接收頻譜中較強(qiáng)的頻譜分量來自體內(nèi)固態(tài)組織的反射，通常將其看作干擾信號(hào)" title="干擾信號(hào)">干擾信號(hào)。RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員往往將這些不需要的大信號(hào)稱為“阻塞產(chǎn)物”。
??? 圖4中所需要的多普勒信號(hào)非常弱，位于這些干擾信號(hào)中間，它們是體內(nèi)移動(dòng)物(通常是血液)的反射信號(hào)。如果接收信號(hào)來自主動(dòng)脈血管，干擾信號(hào)將非常小，此時(shí)的信號(hào)以較弱的多普勒信號(hào)為主。如果接收信號(hào)來自腎臟或甲狀腺區(qū)域比較細(xì)的血管，固態(tài)組織的反射干擾信號(hào)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于血液的多普勒反射信號(hào)。

?

?

??? 在強(qiáng)干擾" title="強(qiáng)干擾">強(qiáng)干擾信號(hào)下，要求具有足夠的SNR以保證系統(tǒng)能夠同時(shí)通過強(qiáng)干擾信號(hào)和多普勒檢測信號(hào)。問題的關(guān)鍵是需要考慮多普勒信號(hào)與這些強(qiáng)干擾信號(hào)的頻率偏差。圖4中每個(gè)多普勒信號(hào)的?駐f可由多普勒方程式：?駐f=(2×fo×V×cos(θ)/c)給出。其中fo為發(fā)射頻率，V為速度，θ是速度相對(duì)于傳感器發(fā)射波束的對(duì)應(yīng)角度，c是體內(nèi)聲音的傳輸速度或1 560m/s。
??? 圖3所示PW多普勒發(fā)射信號(hào)實(shí)際由多個(gè)信號(hào)或者是以PRF為間隔的頻譜分量組成。由多普勒公式可知，每個(gè)發(fā)射頻譜的分量將根據(jù)移動(dòng)物體的反射產(chǎn)生其自身的多普勒偏移。例如，發(fā)射頻譜分量fo=2.000MHz時(shí)，速率為1m/s的移動(dòng)物將產(chǎn)生2.654kHz的多普勒頻偏。對(duì)于速率為1m/s的移動(dòng)物，在fo+1×PRF=2.010MHz頻率處將產(chǎn)生2.577kHz的多普勒頻偏，依此類推。人體內(nèi)存在多種對(duì)醫(yī)學(xué)診斷有用的不同速度的移動(dòng)物，速度通常低于1m/s。因此，多普勒信號(hào)往往位于1kHz以內(nèi)或低于強(qiáng)干擾信號(hào)的頻率。
??? 典型的超聲接收機(jī)將圖4接收到的RF波束成型信號(hào)通過復(fù)雜的數(shù)字混頻器進(jìn)行數(shù)字混頻，并隨后以PRF重新采樣。重新采樣可有效地將不同頻譜分量的接收信號(hào)以及相應(yīng)的多普勒頻譜合成為一個(gè)基帶“音頻”多普勒信號(hào)，如圖5所示。即使檢測信號(hào)的速度相同，每個(gè)參與合成的多普勒信號(hào)的?駐f也不同，因此，圖中的合成多普勒信號(hào)存在頻譜擴(kuò)散或不確定的速度。
??? 這一最終信號(hào)即為基帶多普勒音頻信號(hào)，用于多普勒頻譜顯示或彩超流體處理。

?

?

?

近載波SNR

??? 由于多普勒信號(hào)往往在強(qiáng)干擾信號(hào)附近的幾百赫茲內(nèi)，因此，有必要對(duì)靠近這些強(qiáng)載波信號(hào)的ADC SNR進(jìn)行優(yōu)化。ADC中靠近載波頻率的噪聲會(huì)使強(qiáng)干擾信號(hào)附近的SNR明顯下降，從而降低多普勒檢測性能。近載波噪聲可定義為低頻噪聲源調(diào)制ADC信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的沒有用的噪聲邊帶信號(hào)。低頻噪聲可來自多種噪聲源，如電源噪聲、幾何對(duì)稱的CMOS放大器中的1/f噪聲、低頻采樣時(shí)鐘抖動(dòng)、基準(zhǔn)電源噪聲等。這類噪聲對(duì)接收多普勒信號(hào)SNR產(chǎn)生影響，噪聲達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)完全淹沒有用信號(hào)，無法檢測信號(hào)。
??? 需要注意的是：ADC能夠在具有非常差的近載波SNR的同時(shí)在奈奎斯特頻帶內(nèi)保持優(yōu)異的SNR指標(biāo)。資料中發(fā)布的SNR指標(biāo)一般是接近滿量程的輸入信號(hào)與噪聲(包括除基波、前五次諧波與直流失調(diào)以外的奈奎斯特頻譜成份)的RMS之比。由低頻調(diào)制引起的近載波噪聲通常在載頻的10kHz以內(nèi)。該噪聲與整個(gè)奈奎斯特頻帶（大約25MHz）內(nèi)的其他ADC噪聲不相關(guān)。因此，12位ADC可以在整個(gè)奈奎斯特頻帶具有70dB的SNR指標(biāo)，但用于此類設(shè)計(jì)時(shí)仍然會(huì)有較差的性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)人員需要考慮在1kHz或低于1kHz的ADC SNR（單位為dBc/Hz）條件下，測試滿量程載波輸入時(shí)ADC的性能指標(biāo)。

ADC基準(zhǔn)噪聲和近載波SNR

??? 如上所述，很多潛在的噪聲源會(huì)對(duì)ADC信號(hào)進(jìn)行低頻調(diào)制。最顯著的噪聲源可能是ADC的基準(zhǔn)噪聲。ADC基準(zhǔn)電壓直接影響ADC的轉(zhuǎn)換增益，基準(zhǔn)源的變化將直接調(diào)制有用信號(hào)。因此，有必要仔細(xì)研究ADC基準(zhǔn)的架構(gòu)，并了解其對(duì)ADC近載波噪聲和SNR的影響。

內(nèi)部ADC基準(zhǔn)

??? 一些超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員傾向于采用內(nèi)部ADC基準(zhǔn)，因?yàn)槊總€(gè)ADC的帶內(nèi)接收噪聲不相干，不會(huì)疊加到超聲波束成型器的相干檢測電路中。但是，內(nèi)部ADC基準(zhǔn)在低頻處具有很大噪聲，將會(huì)產(chǎn)生較大的近載波噪聲。低頻基準(zhǔn)噪聲幾乎不可能采用多數(shù)ADC架構(gòu)中的外部旁路電容濾除。ADC的REFP和REFN引腳(有時(shí)也用REFT和REFB表示)外部一般連接較大的濾波電容，但對(duì)這些噪聲的頻率不起作用。因?yàn)檫@些信號(hào)通常是由內(nèi)部ADC放大器產(chǎn)生的，具有非常低的輸出阻抗。值得注意的是，不同通道的內(nèi)部基準(zhǔn)的精度和增益并不完全匹配。相控陣超聲接收機(jī)設(shè)計(jì)要求增益匹配度在幾十分之一dB內(nèi)，并且要求內(nèi)部基準(zhǔn)的誤差保持在±5%或±0.42dB以內(nèi)。

外部ADC基準(zhǔn)

??? 從增益匹配的角度看，最好采用一個(gè)外部基準(zhǔn)，但會(huì)在ADC的所有通道產(chǎn)生相干基準(zhǔn)噪聲，從而疊加到超聲波束成型中的相干檢測電路中，并且，無論波束成型電路如何聚焦，低頻近載波噪聲都會(huì)增大相干檢測的干擾。即使可以設(shè)計(jì)出超低噪聲的外部基準(zhǔn)，ADC仍然會(huì)面臨近載波噪聲的干擾問題。
??? 很多ADC中，用于緩沖基準(zhǔn)輸入電壓的基準(zhǔn)放大器通常采用小尺寸的CMOS工藝制造，這會(huì)引入顯著的1/f噪聲，如上文所述，這種噪聲很難通過外部濾波電容濾除。一些ADC架構(gòu)允許用戶直接在REFP和REFN端連接外部電壓、旁路內(nèi)部放大器，但這仍然不能解決問題。
??? 很多外部REFP和REFN輸入具有極低的輸入阻抗和較小的共模輸入容限，很難采用超低噪聲基準(zhǔn)電壓驅(qū)動(dòng)。雖然可以使用外部基準(zhǔn)，但大多數(shù)方案需要較多的外部元件，明顯增加了設(shè)計(jì)成本和空間。
??? 八通道ADC，例如Maxim的MAX1434、MAX1436、MAX1437以及MAX1438，針對(duì)解決脈沖多普勒應(yīng)用的近載波噪聲問題而設(shè)計(jì)。這些專有的ADC架構(gòu)允許用戶簡單地采用10uF電容旁路對(duì)REFP和REFN電源進(jìn)行有效濾波。
??? 圖6給出了MAX1437的單邊帶噪聲(單位dBFS/Hz)與頻率的關(guān)系曲線，采用內(nèi)部基準(zhǔn)，3MHz載波。該圖還給出了沒有采用Maxim低頻基準(zhǔn)濾波器的12位ADC的噪聲頻譜。在多普勒頻帶內(nèi)，脈沖多普勒SNR指標(biāo)能夠提高4dB～8dB。此外，Maxim的ADC架構(gòu)還允許使用外部基準(zhǔn)，獲得優(yōu)異的通道間增益匹配。

?

?