Tx/Rx 開(kāi)關(guān)

Tx/Rx 開(kāi)關(guān)可以保護(hù)低噪聲放大器免受高壓發(fā)射脈沖的影響，同時(shí)在接收間歇期間隔離低噪聲放大器輸入和發(fā)射機(jī)。該開(kāi)關(guān)一般采用一組正確偏置的二極管陣列實(shí)現(xiàn)，當(dāng)有高壓發(fā)射脈沖出現(xiàn)時(shí)，它們會(huì)自動(dòng)閉合或斷開(kāi)。Tx/Rx 開(kāi)關(guān)必須具備很快的恢復(fù)時(shí)間，以保證接收機(jī)在發(fā)射一個(gè)脈沖后能夠立刻開(kāi)啟。這些快速恢復(fù)時(shí)間對(duì)于淺埋成像和提供低導(dǎo)通電阻確保接收靈敏度至關(guān)重要。

低噪聲放大器(LNA)

接收機(jī)中的 LNA 必須具有出色的噪聲性能和足夠增益。對(duì)于設(shè)計(jì)合理的接收機(jī)，LNA 將決定整個(gè)接收機(jī)的噪聲性能。傳感器單元通過(guò)較長(zhǎng)的同軸電纜連接到相應(yīng)的低阻抗 LNA 的輸入端。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)碾娎|終端匹配，電纜電容和傳感器單元的源阻抗將大大制約從寬帶傳感器接收信號(hào)的帶寬。傳感器電纜匹配至低阻，有助于降低這一濾波的影響，有效提高圖像質(zhì)量。不幸的是，這種端接也降低了 LNA 的輸入信號(hào)，因而降低接收靈敏度。由此可見(jiàn)，為 LNA 提供有源輸入端接非常重要，可以在上述條件下提供必要的低輸入阻抗端接和出色的噪聲性能。

可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)

VGA 有時(shí)也稱為時(shí)間增益控制(TGC)放大器，能夠在整個(gè)接收周期內(nèi)為接收機(jī)提供足夠的動(dòng)態(tài)范圍。超聲信號(hào)在體內(nèi)大約每秒傳輸 1540 米，往返衰減率為 1.4dB/cm-MHz。發(fā)射一個(gè)超聲脈沖后，可立即在 LNA 輸入接收到高達(dá) 0.5VP-P 的回波信號(hào)，該信號(hào)會(huì)快速跌落到傳感器單元的熱噪聲基底。接收該信號(hào)所要求的動(dòng)態(tài)范圍約為 100dB 至 110dB，超出了實(shí)際 ADC 的輸入量程。因此，需要利用 VGA 將信號(hào)轉(zhuǎn)換成與 ADC 量程相當(dāng)?shù)男盘?hào)幅度。典型應(yīng)用中采用 12 位 ADC，要求 VGA 能夠提供 30dB 至 40dB 的增益。增益隨時(shí)間調(diào)整(即“時(shí)間增益控制”)，實(shí)現(xiàn)所要求的動(dòng)態(tài)范圍。

超聲接收機(jī)的瞬態(tài)動(dòng)態(tài)范圍也很關(guān)鍵，它會(huì)影響 2D 圖像的質(zhì)量和系統(tǒng)檢測(cè)多普勒偏移(血液或組織的運(yùn)動(dòng))的能力，尤其是在二次諧波成像系統(tǒng)中，感興趣的二次諧波信號(hào)明顯低于發(fā)射信號(hào)的基波。對(duì)于小的多普勒信號(hào)同樣如此，多普勒信號(hào)頻率可能在 1kHz 以內(nèi)，幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于組織或血管壁的反射信號(hào)。因此，需要特別關(guān)注可變?cè)鲆娣糯笃鞯膸捄徒d波 SNR，這些參數(shù)通常是制約接收機(jī)性能的關(guān)鍵。

抗混疊濾波器(AAF)和 ADC

抗混疊濾波器 AAF 置于接收通道，用于濾除高頻噪聲和超出正常最大成像頻率范圍的信號(hào)，防止這些信號(hào)通過(guò) ADC 轉(zhuǎn)換混疊至基帶。設(shè)計(jì)中大多采用可調(diào)節(jié)的 AAF，為了抑制混疊并保證信號(hào)的時(shí)域響應(yīng)，濾波器需要對(duì)第一奈奎斯特頻率以外的信號(hào)進(jìn)行衰減。因此，常常使用巴特沃斯濾波器或更高階的貝塞爾濾波器。

典型應(yīng)用中采用 12 位 ADC，采樣率通常在 40Msps 至 60Msps 之間。ADC 提供必要的瞬態(tài)動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍，同時(shí)具有適當(dāng)?shù)某杀竞凸?。在設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)慕邮掌髦?，ADC 會(huì)限制接收通道的瞬態(tài) SNR。如上所述，性能差的 VGA 會(huì)限制整個(gè)接收通道的 SNR 指標(biāo)。

數(shù)字波束成形器
ADC 的輸出信號(hào)通過(guò)高速 LVDS 串口傳輸給數(shù)字接收波束成形器。這種傳輸方式降低了 PCB 的設(shè)計(jì)復(fù)雜度和接口引腳數(shù)。波束成形器內(nèi)置上變頻低通濾波器或帶通數(shù)字濾波器，這些濾波器把有效采樣速率提高 4 倍，提高了系統(tǒng)波束成形的精度。上變頻信號(hào)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，通過(guò)延遲系數(shù)加法器進(jìn)行疊加，得到合適的焦點(diǎn)。信號(hào)還進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訖?quán)或“變跡”，在疊加之前進(jìn)行變跡，可以調(diào)節(jié)接收孔徑，降低旁瓣對(duì)接收波束的影響，提高圖像質(zhì)量。

波束成形的數(shù)字信號(hào)處理
接收到的波束成形數(shù)字超聲信號(hào)由 DSP 和基于 PC 的設(shè)備進(jìn)行處理，得到視頻和音頻輸出信號(hào)。這一過(guò)程通?？梢詣澐譃?B 超或 2D 圖像處理，以及具有彩超流體成像信息的多普勒處理，多普勒處理又分為脈沖多普勒(PWD)處理和連續(xù)波多普勒(CWD)處理。

B 超處理

B 超處理中，RF 波束成形數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和檢波處理。檢測(cè)信號(hào)具有極寬的動(dòng)態(tài)范圍，B 超處理器必須將這些信號(hào)進(jìn)行數(shù)字壓縮，使其達(dá)到顯示器規(guī)定的動(dòng)態(tài)范圍。

彩超流體信號(hào)處理
在彩超流體信號(hào)處理中，RF 數(shù)字波束成形信號(hào)與正交本振信號(hào)(LO，頻率為發(fā)射頻率)進(jìn)行混頻，得到 I、Q 基帶信號(hào)。每個(gè)接收通道采集的超聲信號(hào)都有對(duì)應(yīng)的幅度和相位。彩超流體信號(hào)處理中，8 至 16 路超聲信號(hào)集中在一個(gè)成像通道，測(cè)量多普勒頻移。血液流動(dòng)或沿成像通道的組織移動(dòng)產(chǎn)生的反射信號(hào)具有一定的多普勒頻移，從而改變了 I/Q 基帶采樣信號(hào)的相位。彩超流體處理器決定了成像通道的 8 至 16 路超聲信號(hào)的平均相移和時(shí)間關(guān)系。處理器還用彩色表示平均流速。通過(guò)這種方法，實(shí)現(xiàn)了血液或人體組織移動(dòng)的二維造影成像。

多普勒頻譜

頻譜處理中，波束成形數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波，并通過(guò)正交本振信號(hào)(LO，頻率為發(fā)射頻率)混頻至基帶信號(hào)，然后以發(fā)射脈沖重復(fù)頻率(PRF)進(jìn)行采樣。利用復(fù)雜的快速傅里葉變換(FFT)獲得多普勒頻譜，以重現(xiàn)接收信號(hào)的速度信息。FFT 輸出的每個(gè)二進(jìn)制信號(hào)幅度經(jīng)過(guò)計(jì)算和壓縮，使其達(dá)到顯示圖像所要求的動(dòng)態(tài)范圍。最終信號(hào)幅度作為時(shí)間函數(shù)，顯示在超聲設(shè)備的顯示屏上。

在連續(xù)波多普勒(CWD)成像系統(tǒng)中，信號(hào)處理的過(guò)程基本相同。除了處理這些顯示信號(hào)外，頻譜處理器還產(chǎn)生左、右聲道的立體聲音頻信號(hào)，表示正向和負(fù)向運(yùn)動(dòng)。DAC 對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)外部揚(yáng)聲器和耳機(jī)。

顯示處理
顯示處理器進(jìn)行必要的計(jì)算，繪制極坐標(biāo)圖。B 超中的聲音、圖像數(shù)據(jù)或彩超流體信息被處理成矩形位圖，從而消除圖像中的雜散信號(hào)。這一過(guò)程通常稱為 R-θ變換，顯示處理器還提供空間圖像增強(qiáng)功能。

連續(xù)波多普勒(CWD)

多數(shù)的心臟檢查和一些通用的超聲成像系統(tǒng)中，常常使用連續(xù)波多普勒 CWD 以確保精確測(cè)量心臟內(nèi)高速流動(dòng)的血液。CWD 模式下，超聲傳感器單元以傳感器孔徑為中心分割成對(duì)等的兩部分。一半單元用于發(fā)射，產(chǎn)生 CWD 聚焦波束；另一半單元用于接收，產(chǎn)生聚焦的接收波束。發(fā)射單元的驅(qū)動(dòng)波形為多普勒頻率的方波，頻率范圍通常為 1MHz 至 7.5MHz。發(fā)射波形的抖動(dòng)必須足夠小，以防止相位噪聲對(duì)多普勒頻移檢測(cè)的影響。通過(guò)正確調(diào)整發(fā)射波形的相位，實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束聚焦。類似地，通過(guò)正確調(diào)整接收波形的相位并進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn) CWD 接收信號(hào)聚焦。在此模式下，發(fā)射和接收同時(shí)進(jìn)行，有用的多普勒信號(hào)頻率和不移動(dòng)的人體組織在發(fā)射基波頻率下產(chǎn)生的強(qiáng)反射信號(hào)的頻率相差只有幾 kHz。處理如此大的信號(hào)所需要的動(dòng)態(tài)范圍已經(jīng)超出了圖像接收通道 VGA、AAF 和 12 位 ADC 可以承受的范圍。因此，CWD 必須使用其它高動(dòng)態(tài)范圍接收解決方案。

CWD 接收機(jī)通常使用兩種方法處理 CWD 信號(hào)。第一種方法是高性能超聲系統(tǒng)在 LNA 輸出端提取接收到的 CWD 信號(hào)。本振頻率等于發(fā)送頻率的混頻器對(duì)信號(hào)進(jìn)行波束成形，再混頻至基帶進(jìn)行處理。I/Q 本振信號(hào)可以逐通道調(diào)整相位，對(duì)接收到的 CWD 信號(hào)相位進(jìn)行偏移?；祛l器輸出相疊加，經(jīng)帶通濾波器，最后進(jìn)入 ADC 進(jìn)行采樣。采樣得到的基帶波束信號(hào)處于音頻范圍(100Hz 至 50kHz)，采用工作在音頻頻率范圍的 ADC 對(duì) I 和 Q CWD 信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。這些 ADC 需要出色的動(dòng)態(tài)范圍，以便處理運(yùn)動(dòng)組織產(chǎn)生的較大的低頻多普勒信號(hào)和血液產(chǎn)生的微弱信號(hào)。

另一種方法是使用延遲線接收 CWD 信號(hào)，該方法常用于低成本設(shè)備。在此方法中，信號(hào)還是從 LNA 輸出提取，然后轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)。通過(guò)一個(gè)交叉開(kāi)關(guān)對(duì)相同相位的通道進(jìn)行疊加，產(chǎn)生 8 至 16 路獨(dú)立輸出，具體由接收波束成形器決定。延遲線產(chǎn)生延遲，并將這些信號(hào)求和構(gòu)成一路波束成形 RF 信號(hào)，然后利用一個(gè)本振頻率等于發(fā)送頻率的 I/Q 混頻器將信號(hào)混頻至基帶，然后將基帶音頻信號(hào)濾波后，轉(zhuǎn)換至數(shù)字形式。

審核編輯黃宇