超声成像系统连续波多普勒设计的挑战

1、超声成像系统连续波多普勒设计的挑战典型的相控阵cwd(延续波多普勒)架构中，超声的聚焦孔径分成两部分，一半的（64至128个）传感器单元用于发送器，另一半用于接收器。作用在放射单元的信号是方波信号，典型频率为2.0mhz至7.5mhz多普勒频率。放射单元通过发送适当相位的信号聚焦放射波束。同样，cwd接收信号通过对每个接收单元的信号举行相位调节、求和举行聚焦。“波束成型”cwd接收信号是由固态组织反射的强信号(通常称其为杂波)以及流淌的血液反射回归的较弱的多普勒信号。每个相控阵接收通道输入端的典型杂波可能高达100mvp-p，而接收机rti的噪底惟独1至2nv/。为了优化接收性能，需要每通道的

2、snr达到155dbc/。对于一个64通道的cwd接收机，考虑到求和增益，求和后的“波束成型”信号需要额外的18db动态范围，整体信噪比snr的要求会达到173dbc/！越发困难的是，感爱好的低速多普勒信号的频率会在1khz以内或低于杂波信号。由此可见超声检测设备濒临巨大的设计挑战。目前，超声系统大多采纳模拟延时线接收器实现cwd信号检测(图1)，来自超声接收单元的输入信号经过缓冲、放大，低噪声提供大约20db的增益。lna输出被转换成信号，随后通过交错开关和模拟延时线举行波束成型。这种架构很简单集成，由于他所需要的-电流转换器、模拟开关、无源延时线以及单路i/q混频器很简单集成。通过配置交错

3、开关求和，通过适当的延时线抽头切换信号，达到每个接收器的延时要求。波束成型后的rfcwd信号混频后得到基带i、q信号，这两路信号经过带通滤波后举行数字转换。rf至基带的混频处理通常是接收链路保证snr的瓶颈，这个处理过程对cwd的性能影响较大，对于64通道设计示例，i、q rf混频器需要在处理波束成型信号时具有173dbc/(1khz频偏)的动态范围。能够达到这一指标的混频器很难实现，此外，本振驱动信号还必需保持极低的颤动。圆满的是很难从市场上获得能够达到这样指标的规律器件虽然cwd延时线能够满足结构紧凑的超声系统的最低要求，因此，上述性能的局限性是亟待解决的问题。图1 基于cwd延时线的接收

4、机简化为了获得更高性能，在cwd系统中引入一个cwd混频器/波束成型器，简化框图2所示。该架构中，每个通道都具有一个i/q混频器，在基带端(而非rf端)举行波束成型求和；每路i/q混频器的lo相位可以调整在n (n =8至16相)个相位中的一种。lo相位的变幻将转变接收信号的相位，达到波束成型的目的。因为混频器的实现基于每个通道，对每个通道混频器的要求可以降低到155dbc/hz (1khz频偏)。这一指标虽然苛刻，但利用双极型混频器和标准规律器件可以实现。混频器输出为电流，而且在基带举行无源求和，可以满足cwd波束成型的snr要求。图2 低功耗lna和cwd混频器/波束成型电路能够简化cwd

5、接收机设计，获得高性能过去，因为缺乏适当的集成工艺，很难实现高性能的波束成型架构。但目前这一问题已经得到解决，彻低集成的8通道vga和8通道cwd i/q混频器以及配套的可编程lo驱动器已经开头供货，图3所示给出了这类器件max2038接收链路的示图。采纳这种架构可以使超声系统达到优异的cwd性能，不存在上述延时线cwd架构的局限性。图3 简化后的单通道超声接收机，采纳max2038单芯片8路i/q混频器和max2034 4路lna，有效提高系统性能构建cwd接收器的另外一个潜在问题是lna放大器的snr指标，为了降低功耗、减小尺寸，许多超声设计人员挑选了lna，这样的器件可能适合某些能够控制cwd性能的应用。利用几何尺寸低于0.35m的cmos工艺制作放大器时，1/f噪声很大。这种噪声会引起lna增益的低频调制。较强的rfcwd杂波通过这种lna时将产生较大的低频调