【導(dǎo)讀】本文將回顧經(jīng)典的超聲信號(hào)鏈路，討論不同的系統(tǒng)劃分策略以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并且展示這些系統(tǒng)劃分策略在便攜式超聲應(yīng)用中的意義。
90年代初期，便攜式電話(huà)風(fēng)靡一時(shí)。隨著膝上型計(jì)算機(jī)的體積縮小，它們也被稱(chēng)為“背包電話(huà)”。目前，電子行業(yè)已經(jīng)取得長(zhǎng)足的發(fā)展，現(xiàn)今的手機(jī)可以發(fā)送電子郵件和短信，可以拍照、查詢(xún)股票價(jià)格、安排會(huì)議，當(dāng)然，也可以同世界上任何地方的任何人通話(huà)。同樣在醫(yī)療領(lǐng)域中，以前所謂的便攜式超聲系統(tǒng)裝載在手推車(chē)上，并且可以拖拽，但是實(shí)際上它們是難于拖拽的。幸而超聲系統(tǒng)也在持續(xù)改進(jìn)，并且被醫(yī)生們稱(chēng)為“新型聽(tīng)診器”。
本文將回顧經(jīng)典的超聲信號(hào)鏈路，討論不同的系統(tǒng)劃分策略以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)，并且展示這些系統(tǒng)劃分策略在便攜式超聲應(yīng)用中的意義。
超聲信號(hào)鏈路
圖1. 典型的超聲信號(hào)鏈路
圖1所示的是超聲系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理圖。系統(tǒng)的傳感器均位于相對(duì)較長(zhǎng)的電纜末端，這些電纜約兩米長(zhǎng)。這些電纜包含有至少8個(gè)至256個(gè)微型同軸電纜，是系統(tǒng)最昂貴的部件之一。幾乎在每個(gè)系統(tǒng)中，電纜由傳感器單元直接驅(qū)動(dòng)。電纜的電容成為傳感器元件的負(fù)載，引起了很大的信號(hào)損耗，這對(duì)接收端提出了靈敏度的要求，以便保持動(dòng)態(tài)范圍和實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能。
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(zhuān)為所需的焦點(diǎn)而設(shè)定的。然后，驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(kāi)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(fù)用器/多路分離器減少發(fā)射和接收硬件的復(fù)雜度，但是這犧牲了靈活性。
時(shí)間增益控制（TGC）路徑由一個(gè)低噪聲放大器（LNA）、一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）和一個(gè)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(guò)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(duì)噪聲的貢獻(xiàn)。對(duì)于受益于輸入阻抗匹配的應(yīng)用，有源阻抗控制可以?xún)?yōu)化噪聲性能。
通過(guò)VGA將寬動(dòng)態(tài)范圍的輸入信號(hào)壓縮，以滿(mǎn)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(hào)，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(shí)動(dòng)態(tài)范圍。該限制是根據(jù)量化的本底噪聲設(shè)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(hào)帶寬，同時(shí)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(hào)的相位對(duì)準(zhǔn)和求和，該信號(hào)由共同的源生成，但是由多元超聲傳感器在不同的時(shí)間點(diǎn)接收。在CWD路徑中，對(duì)接收器通道進(jìn)行移相和求和，以提取一致的信息。波束成形具有兩個(gè)功能：一個(gè)是向傳感器指明方向，即提高其增益，另一個(gè)是定義人體內(nèi)的焦點(diǎn)，由該焦點(diǎn)得到回波的位置。
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對(duì)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(xiàn)和求和。其中僅需要一個(gè)（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(gè)高速高分辨率ADC。有時(shí)候在ABF系統(tǒng)的ADC之前使用對(duì)數(shù)放大器壓縮動(dòng)態(tài)范圍。而在DBF系統(tǒng)中，應(yīng)盡可能接近傳感器單元來(lái)采集信號(hào)，然后將信號(hào)延遲并對(duì)其進(jìn)行數(shù)字求和。在圖2和3中示出了這兩種類(lèi)型的波束成形體系結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化的原理圖。
圖2. ABF系統(tǒng)的簡(jiǎn)化原理圖
圖3. DBF系統(tǒng)的簡(jiǎn)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(yīng)當(dāng)注意ABF和DBF之間優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是相對(duì)的。
DBF相對(duì)于ABF的優(yōu)點(diǎn)：
模擬延遲線(xiàn)的通道之間的匹配性往往較差 模擬延遲線(xiàn)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(chǔ)和求和是“完美的”，因此通道間的匹配也是完美的通過(guò)對(duì)FIFO中不同位置的數(shù)據(jù)求和，可以容易地形成多個(gè)波束 由于存儲(chǔ)器越來(lái)越便宜，因此可以使用容量更大的FIFO，以提供更加精細(xì)的延遲 僅通過(guò)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(duì)于ABF的缺點(diǎn)：
需要多個(gè)高速高分辨率ADC（脈寬多普勒需要約60 dB的動(dòng)態(tài)范圍，而這至少需要10 bit的ADC） 由于使用多個(gè)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(zhǔn)確度；采樣速率越高，相位延遲就越精細(xì)。
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系統(tǒng)劃分策略
雖然現(xiàn)今系統(tǒng)已擁有大量的先進(jìn)技術(shù)，但是超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍然是復(fù)雜的。對(duì)于其它的復(fù)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(wèn)題。
許多年來(lái)，制造商通過(guò)設(shè)計(jì)定制ASIC來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)。該解決方案通常包括兩個(gè)ASIC，其涵蓋了TGC路徑和Rx/Tx路徑的主要部分，如圖4所示。在多通道VGA、ADC和DAC廣泛使用之前，這一方法是常見(jiàn)的。該定制電路允許設(shè)計(jì)人員加入一些廉價(jià)的、靈活的功能。由于集成大部分的信號(hào)鏈路，減少了系統(tǒng)中使用外部元件的數(shù)目，因此該解決方案被認(rèn)為是節(jié)約成本的。但是其缺點(diǎn)在于，隨著時(shí)間的推移，光刻技術(shù)的發(fā)展使得這些ASIC顯得落后，不能滿(mǎn)足進(jìn)一步減小體積和功耗的需求。ASIC具有大量的門(mén)電路，它們的數(shù)字技術(shù)不能針對(duì)集成模擬功能進(jìn)行優(yōu)化。而且僅有有限的供應(yīng)商可以定制ASIC器件，這將導(dǎo)致設(shè)計(jì)者面臨一個(gè)瓶頸。
圖4. ASIC方法
在前面的示例中，超聲系統(tǒng)的便攜性是有局限性的，但的確是可行的。即便這樣，這也是解決系統(tǒng)劃分問(wèn)題的重要的第一步。便攜性不僅表現(xiàn)在體積方面，而且也表現(xiàn)在電池壽命方面，因?yàn)檫@些電路對(duì)功耗的要求非常高。隨著四通道和八通道的TGC、ADC和DAC的出現(xiàn)，體積和功耗得到進(jìn)一步減小，也隨之產(chǎn)生了解決便攜性問(wèn)題的新型的系統(tǒng)方法。這些多通道器件允許設(shè)計(jì)人員在構(gòu)造系統(tǒng)時(shí)，將敏感電路放置在兩個(gè)或更多的電路板上。這可以減小系統(tǒng)體積，并且有利于在多個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)上重復(fù)利用該電路。但是這一方法也存在缺點(diǎn)，系統(tǒng)體積減小也依賴(lài)于系統(tǒng)劃分，多通道器件可能使PCB的布線(xiàn)極為繁瑣，迫使設(shè)計(jì)人員使用通道數(shù)目較少的器件，例如從八通道ADC變?yōu)樗耐ǖ繟DC，而且如果系統(tǒng)體積較小，還會(huì)帶來(lái)散熱的問(wèn)題。
隨著完整的 TGC路徑的進(jìn)一步集成，如圖5中所示，多通道、多元件的集成使設(shè)計(jì)變得更加容易，這是因?yàn)樗鼈儗?duì)PCB尺寸和功耗的要求進(jìn)一步降低。隨著更高級(jí)的集成方案的廣泛使用，可以進(jìn)一步減少成本、供應(yīng)商數(shù)量、系統(tǒng)體積和功耗，系統(tǒng)散熱量降低，延長(zhǎng)便攜式單元中的電池壽命。ADI公司的AD9271超聲子系統(tǒng)為滿(mǎn)足緊湊性要求而設(shè)計(jì)，它采用微型的14 mm×14 mm×1.2 mm封裝，每個(gè)完整的TGC通道在40 MSPS下功耗僅為150 mW。AD9271使用串行I/O接口以減少引腳數(shù)目，因此使每個(gè)通道的總面積至少減少1/3，功耗至少降低25%。
圖5. TGC集成
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但是AD9271不可能滿(mǎn)足每個(gè)超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的要求。理想的解決方案是將更多的功能單元集成到探針中，或者使其盡可能接近探針元件。需要注意的是：連接探針單元的電纜會(huì)對(duì)動(dòng)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(hào)靈敏度的探針損耗，允許設(shè)計(jì)人員降低系統(tǒng)對(duì)LNA的要求。圖6中提出了一種方法，即將LNA集成到探針單元中。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(diǎn)在于，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)探針進(jìn)行全定制設(shè)計(jì)。換言之，探針/電子器件的定制設(shè)計(jì)將使設(shè)計(jì)人員回到ASIC實(shí)例中存在的瓶頸，而且供應(yīng)商是有限的。
圖6. 探針集成
總而言之，應(yīng)當(dāng)稱(chēng)贊的是，現(xiàn)今大部分超聲系統(tǒng)公司將其大部分知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）應(yīng)用于探針和波束成形技術(shù)。使用多通道集成的常用器件，包括四通道和八通道ADC來(lái)完成系統(tǒng)，消除了對(duì)高成本元器件的需要，而且簡(jiǎn)化了獨(dú)立TGC路徑的調(diào)整和優(yōu)化。還應(yīng)當(dāng)注意，也可以考慮進(jìn)一步集成超聲系統(tǒng)的其它部分。在生產(chǎn)能力許可且市場(chǎng)導(dǎo)向目標(biāo)適當(dāng)?shù)那疤嵯拢@些其它信號(hào)鏈路部分的集成將是有利的。
超聲系統(tǒng)的便攜性趨勢(shì)
許多應(yīng)用都意識(shí)到超聲的優(yōu)異之處，因此對(duì)超聲系統(tǒng)的便攜性有很高的要求。即使在無(wú)法提供可靠電源的遠(yuǎn)程應(yīng)用中，由于增加的便攜性，也可以使用這些設(shè)備。這些應(yīng)用包括偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村的臨床醫(yī)療、緊急醫(yī)療服務(wù)、大型動(dòng)物飼養(yǎng)、以及橋梁、大型機(jī)械和輸油管線(xiàn)的檢驗(yàn)。
超聲系統(tǒng)可以分為三類(lèi)：高端、中端和低端。高端超聲系統(tǒng)采用最新的技術(shù)，滿(mǎn)足市場(chǎng)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(yīng)用于臨床醫(yī)療等特定應(yīng)用。顯然，高端超聲系統(tǒng)是非常昂貴的，并且依賴(lài)于應(yīng)用和市場(chǎng)需求進(jìn)行不同的劃分。然而，便攜性的趨勢(shì)使許多“高端”特征降級(jí)，通常為典型的低端或便攜的特征。一般來(lái)說(shuō)，這一趨勢(shì)隨著工業(yè)和電子行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展。由于這些進(jìn)步已將器件的體積、功耗和性能指標(biāo)推到極限，因此日益增長(zhǎng)的要求是將便攜式設(shè)備從低端系統(tǒng)變?yōu)楦叨讼到y(tǒng)。盡管超聲系統(tǒng)作為臨床醫(yī)療和預(yù)防性維護(hù)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?yàn)楸銛y式超聲系統(tǒng)的成本不僅包括用于采購(gòu)成本，而且也包括對(duì)新用戶(hù)進(jìn)行培訓(xùn)的成本，但是隨著遠(yuǎn)期效益完全超過(guò)成本代價(jià)時(shí)，便攜式超聲系統(tǒng)將日益普及。
結(jié)論
理解如超聲系統(tǒng)這樣的復(fù)雜系統(tǒng)的細(xì)微差別需要進(jìn)行多年的研究和開(kāi)發(fā)。我們應(yīng)該感謝那些最初的開(kāi)發(fā)人員，是他們開(kāi)創(chuàng)了新的領(lǐng)域并且確定了研究方向，使得尖端的電子技術(shù)能夠造福于人類(lèi)。脈沖回波技術(shù)早期用于檢測(cè)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(yàn)，超聲技術(shù)的廣泛應(yīng)用這僅僅是一個(gè)時(shí)間問(wèn)題。
醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用對(duì)便攜式超聲系統(tǒng)的需求日益增長(zhǎng)。所有這些系統(tǒng)對(duì)緊湊性和便攜性都有著類(lèi)似的要求。在不久的將來(lái)，您就可以利用手機(jī)發(fā)送胎兒的掃描圖像了。
