結構緊湊的超聲成像系統連續波多普勒(CWD)設計

摘要：采用高度集成的低功耗、雙極型放大器和連續波多普勒(CWD)混頻器/波束成型電路能夠使下一代結構緊湊的超聲設備達到“高端”CWD的指標。


超聲系統中要求最苛刻的臨床診斷工具是連續波多普勒(CWD)接收器。對小尺寸、低成本的要求不得不犧牲CWD系統的靈敏度性能，通過分析當前使用的CWD接收器方案，設計人員開發出了新一代解決方案，該方案采用了已經投產的高集成度、低功耗雙極型放大器和CWD混頻器/波束成型芯片組。新方案能夠保證CWD接收機無需折衷診斷特性。

CWD基本概念

典型的相控陣CWD架構中，64至128個超聲傳感器在孔徑中心附近均分成兩部分，一半的傳感器單元用于發送器，聚焦超聲CWD發射波束，另一半用于接收器，聚焦接收波束。作用在發射單元的信號是方波信號，典型頻率為1.0MHz至7.5MHz多普勒頻率。將適當相位的信號作用到發射單元來聚焦發射波束。同樣，CWD接收信號通過對每個接收單元的信號進行相位調整、求和進行聚焦。

“波束成型”CWD接收信號由固態組織反射的強信號(通常稱其為雜波)以及流動的血液反射回來的較弱的多普勒信號組成。每個相控陣接收通道輸入端的典型雜波可能高達200mV_P-P，而接收機參考輸入的噪底會低至1nV/。為了優化接收性能，需要每通道的SNR達到大約157dBc/Hz。

對于一個64通道的CWD接收機，其SNR的要求非常極端。每個接收通道的噪聲不相關，結果對于64個通道的噪底，波束成型后的信號噪底可能比單個通道的噪底高出18dB。然而每個通道的CWD是相關的，波束成型后的CWD信號會比單個通道的CWD信號高出36dB。考慮到“求和增益”的作用，波束成型后SNR的要求會比單個通道高出18dB，達到175dBc/Hz! 更加困難的是，感興趣的低速多普勒信號的頻率會在1kHz以內或低于雜波信號。由此可見超聲檢測設備面臨巨大的設計挑戰。

基于延時線的CWD波束成型

目前，超聲系統大多采用模擬延時線接收器實現CWD信號檢測(圖1)，來自超聲接收單元的輸入信號經過緩沖、放大，LNA提供大約20dB的增益。LNA輸出被轉換成電流信號，隨后通過交叉開關和模擬延時線對RF頻率信號進行波束成型。


圖1. 基于CWD延時線的接收機簡化電路

這種架構很容易集成，因為它所需要的電壓-電流轉換器、模擬開關、無源延時線以及單路I/Q混頻器很容易集成。通過配置交叉開關求和，適當的延時線抽頭切換信號，達到每個接收器的延時要求。

波束成型后的RF CWD信號混頻后得到基帶I、Q音頻信號，這兩路信號經過帶通濾波后由高分辨率ADC進行數字轉換，用于數字頻譜分析。RF至基帶的混頻處理通常是接收鏈路保證SNR的瓶頸，這個處理過程對CWD的性能影響較大，以64通道設計為例，I/Q RF混頻器需要在處理波束成型信號時具有175dBc/Hz (1kHz頻偏)的動態范圍。

很難找到或設計能夠達到這一指標的混頻器，此外，本振驅動信號還必須保持極低的抖動。遺憾的是很難從市場上獲得能夠達到這樣指標的邏輯器件。雖然CWD延時線波束成型器能夠滿足結構緊湊的超聲系統的最低要求，上述性能的局限性也是亟待解決的問題。

基于混頻器的CWD波束成型

為了獲得更高性能，在CWD系統中引入一個CWD混頻器/波束成型器，簡化框圖如圖2所示。該架構中，每個通道都具有一個I/Q混頻器，在基帶端(而非RF端)進行波束成型求和；每路I/Q混頻器的LO相位可以調節在n (n = 8至16相)個相位的其中之一。LO相位的變化將改變接收信號的相位，達到波束成型的目的。


圖2. 低功耗雙極型LNA和CWD混頻器/波束成型電路能夠簡化高性能CWD接收機的設計

由于混頻器的實現基于每個通道，對每個通道混頻器的要求可以降低到157dBc/Hz (1kHz頻偏)。這一SNR指標雖然苛刻，但利用雙極型混頻器和標準邏輯器件可以實現。混頻器輸出為電流，而且在聲波基帶進行無源求和，可以滿足CWD波束成型的SNR要求。