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作者：Maxim Integrated公司工業(yè)通信和超聲業(yè)務部門執(zhí)行總監(jiān)John Scampini 近幾年來，超聲接收機的信噪比(SNR)性能得到了大幅提升。主要進展體現在低功耗ADC技術，幫助用戶將系統(tǒng)從10位提升到12位，甚至更高的ADC。同時，還引入了低輸出參考噪聲的VGA，以充分發(fā)揮這些ADC的優(yōu)勢。把這些新型ADC、VGA集成到超聲接收機時，可以有效提高SNR。隨著新一代高SNR接收機的廣泛應用，系統(tǒng)可支持B模諧波成像和脈沖多普勒成像，獲得有益的系統(tǒng)性能。 為了改善SNR，必須改變新型超聲接收器的增益范圍，這就對使用老式、低SNR接收器設計的用戶造成了問題。 本文介紹如何確定接收器增益，以及接收器增益設置太高時對接收SNR的負面影響。文章也討論如何正確優(yōu)化數字波束成形器、濾波器、檢波器的動態(tài)范圍以及壓縮信號映射。實現上述優(yōu)化后，系統(tǒng)將最大程度地發(fā)揮高SNR接收器的優(yōu)勢，大幅提高診斷性能。 計算超聲接收器增益 圖1所示為典型的高性能超聲接收器配置，由LNA、VGA、抗混疊濾波器(AAF)和ADC組成。LNA緩沖輸入信號并提供足夠的增益，以克服后續(xù)電路的噪聲。設計合理的接收器中，LNA的噪聲很大程度上決定了整個接收器配置的噪聲。VGA級提供必要的可變時間增益控制，將較大的輸入信號動態(tài)范圍調整到ADC的有限動態(tài)范圍。AAF提供必要的濾波，以確保帶外噪聲和信號不會混疊至信號帶寬，從而不破壞接收性能。 
圖1. 典型超聲接收通路方框圖。示例取自MAX2082八通道超聲接收器。 圖1中，接收器的最大和最小增益分別為44.7dB和5.9dB。現在的問題是如何選擇增益？ 所選接收器的最小增益要確保LNA在最大輸入下不會造成ADC近場飽和。對于MAX2082接收器，LNA增益為18.5dB時，最大輸入信號為330mVP-P；12位ADC的最大輸入范圍為1.5VP-P。所以，接收器最小增益要求不大于20×log(1.5/0.33)，即大約13.2dB。對于MAX2082，最小增益實際為5.9dB，提供7.3dB的附加裕量。 所選接收器的最大增益要確保VGA、AAF和ADC電路組合的輸出噪聲貢獻不會明顯影響其噪聲系數。為確保不發(fā)生這種情況，接收器在最大增益時的輸出噪聲必須至少比這些噪聲源的組合噪聲貢獻大10dB。10dB是通常可接受的“經驗參數”。滿足以上條件時，VGA、AAF和ADC的噪聲貢獻一般將接收機噪聲系數降低0.25dB以內，通常認為是可接受的。圖2所示為MAX2082接收器的輸出噪聲與增益的關系曲線。
圖2. MAX2082總輸出噪聲與增益的關系。 圖2表明，MAX2082收發(fā)器中，接收器在低增益時的本底噪聲為大約50nV/rtHz。該噪聲源于12位ADC、VGA和AAF的輸出噪聲。設計合理的接收器，ADC是影響該噪聲的主要因素。在MAX2082中，ADC的本底噪聲大約為42nV/rtHz；如果總輸出噪聲為50nV/rtHz，那么ADC之前電路的噪聲貢獻較小。假設變送器的源阻抗為200Ω，接收器的匹配電阻為200Ω，那么輸入參考噪聲為大約1.0nV/rtHz。所以，接收器最大增益需要至少為20×log(50/1)+10dB，即大約44dB。選擇MAX2082的最大增益為44.7dB，收發(fā)器滿足這一標準，裕量為0.7dB。從圖2可知，最大增益下的實測噪聲為190nV/rtHz，比最小增益時的50nV/rtHz噪聲電壓高11dB。 為進一步說明這一概念，圖3中給出了MAX2082的接收增益圖。
圖3. MAX2082增益。 本例中，值得注意的是，我們假設LNA增益為18.5dB，因為這通常是最常用的LNA增益設置。這一增益設置提供足夠的LNA輸入范圍和非常好的噪聲系數。大多數情況下，較高的LNA增益設置趨向于減小LNA輸入范圍，并利用提高的噪聲系數裕量限制近場成像。例如，如果LNA增益增大6dB，通常將輸入范圍降低二分之一。然而，較低的LNA增益允許較大的輸入范圍，但會把噪聲性能降至不可接受的水平。 接收器增益太大帶來的不良影響 對于采用12位ADC的典型接收器，例如MAX2082收發(fā)器中集成的接收器，沒必要將最大增益增大到44.7dB以上。在這種增益水平下，可獲得良好的噪聲系數。進一步增大增益也不會相應提高接收靈敏度或噪聲系數。 現在很容易明白為什么低SNR的接收器要求更大增益。假設ADC的最大輸入范圍大致相同，這些接收器中的ADC具有較高的本底噪聲；因此，為維持良好的噪聲系數，接收器就必須具有更大增益。簡言之，如果接收器的SNR低10dB，將需要額外大約10dB的最大增益，才能提供相同的噪聲系數性能。 對于從低SNR接收器移植到最大增益較低的高SNR接收器的用戶，如果未根據這些變化優(yōu)化系統(tǒng)，就會產生問題。我們將在下文討論這種情況的原因。但現在需要考慮為什么需要從根本上限制12位高SNR接收器的最大增益。毫無疑問，我們已經證明在12位高SNR接收器中不需要像10位、低SNR接收器那么高的最大增益。問題依然存在：為什么不提高12位接收器的最大增益和增益范圍，以匹配10位接收器，從而最大程度地減少從低SNR移植到高SNR時產生的系統(tǒng)問題？這個問題非常好。答案涉及到VGA的實際設計局限性。 增大VGA的最大增益從本質上造成VGA的輸出參考噪聲相應增大。設計合理的接收器中，中、低增益時的VGA輸出噪聲應適當低于ADC噪聲。如果是這種情況，中、低增益時的接收器SNR應與ADC SNR大致相同——這正是我們所希望的。不幸的是，如果我們嘗試增大VGA最大增益，中、低增益下的VGA輸出噪聲開始相應增大。當VGA輸出噪聲達到ADC噪聲的水平時，接收器的SNR開始降低。 在帶有可調節(jié)后級VGA增益放大器(PGA)，以允許用戶提高最大VGA增益輸出的同類超聲接收器中，很容易看到這種現象。仔細觀察這些器件的SNR與增益關系曲線，可以發(fā)現當VGA工作在高PGA后級放大增益設置時，SNR變差。所以，這些后級增益放大器對改善噪聲系數作用很小，益處有限，并對接收器SNR具有明顯不利的影響。 系統(tǒng)設計 對整個超聲系統(tǒng)進行優(yōu)化，以支持新器件改善了的SNR，包括數字波束成形器(數字延遲和求和)、數字濾波器、檢波器以及壓縮映射，如圖4所示的超聲接收器方框簡圖。
圖4. n溝道超聲接收器波束成形方框簡圖。 如果數字波束成形、濾波器和壓縮電路沒有足夠的動態(tài)范圍(即足夠的位數)，并且/或者用以顯示灰度的檢波信號的壓縮調節(jié)不正確，就不能有效利用這些新接收器的高SNR性能。此外，如果這些關鍵電路已優(yōu)化用于老式的低SNR接收器，得到結果如同這些新的高SNR接收器沒有足夠的增益或調節(jié)范圍。 為清晰起見，以圖5所示典型的64通道系統(tǒng)為例。
圖5. 簡化64通道超聲接收器系統(tǒng)在最小VGA增益下的噪聲分析。 本例中，我們假設使用的是MAX2082收發(fā)器。單接收通道的SNR與增益關系曲線如圖5左側所示。從曲線可知，中、低增益時SNR為大約68dBFS。正如預期的那樣，增益提高時，SNR變差；放大后的接收器和變送器元件輸入噪聲大于ADC噪聲。在圖2所示MAX2082的輸出噪聲與增益關系曲線中也能看到這一點。 本例中的數字波束成形器延遲及求和接收器的數字輸出，產生數字波束成形輸出。在波束成形中求和ADC的輸出時，通道數量每增加一倍，SNR將增加3dB。因此，對于64通道接收器，低增益下的波束成形輸出的SNR將為68dB+(3dB×log2 (64))=86dBFS。波束成形器必須至少維持在該動態(tài)范圍，所以輸出應至少為16位，以對全部64路12位輸出求和。波束成形器的輸出通常使用與變送器帶寬相匹配的濾波器進行濾波，然后進行檢波。這些電路也必須維持必要的動態(tài)范圍。然后需要將檢波器的輸出映射到可以使用的顯示灰度的動態(tài)范圍。圖6所示為典型的檢波器至灰度映射曲線。
圖6. 檢波器輸出至灰度映射曲線表明了VGA為最小增益時的檢波器噪聲水平。 對于正確的系統(tǒng)設計，存在一個臨界設置：將最小灰度顯示電平或黑色電平設置為恰好高于接收器為最小增益時的檢波器輸出本底噪聲。將黑色電平設置為該點確保整個接收器的最大動態(tài)范圍，以及接收器在中、低增益時的輸出噪聲在圖像上不可見。 現在，我們考慮VGA處于最大增益時的情況，如圖7所示。此時，單通道SNR為大約59dBFS，如圖中的單通道SNR與增益關系曲線所示。因此，64通道波束成形器的輸出SNR為77dBFS。所以，最大VGA增益下的波束成形器輸出噪聲比VGA為最小增益時高出大約11dB。
圖7. 簡化64通道超聲接收器系統(tǒng)在最大VGA增益下的噪聲分析。 在圖7所示的最大VGA增益條件下，相對于正確設置的壓縮曲線，檢波器噪底應如圖8所示。此時，高增益下接近噪底的低電平信號應調整到B模式下清晰可見的電平。值得注意的是，對于低電平已檢波信號，為使其清晰可見以及增強這些低電平信號的差分灰度，調整曲線應該相當陡峭。
圖8. 檢波器輸出至灰度映射曲線表明了VGA為最大增益時的檢波器噪聲水平。 通過分析，很容易理解如果波束成形器、濾波器、檢波器及灰度映射均針對較低SNR 10位接收器進行優(yōu)化，有人可能認為使用高SNR接收器時必須具有較高的最大增益。使用低SNR接收器時，檢波器輸出噪聲在較低VGA增益下比較高。因此，必須將灰度映射曲線的黑電平設置得較高，以確保該噪聲在屏幕上不可見。然而，如果接收器更改為高SNR的12位接收器，最大VGA增益下的小信號將低于壓縮曲線的黑色電平；表現為接收增益不足。 與使用高SNR接收器以及系統(tǒng)的時間增益控制(TGC)相關的另一問題是，典型的B超圖像中，調節(jié)時間增益控制，使相同類型的組織在圖像中從近至遠具有一致的灰度。為保證一致的灰度，必要的TGC增益調節(jié)范圍為50dB左右。從我們之前的分析可知，像MAX2082收發(fā)器中這樣的高SNR收發(fā)器的要求增益范圍僅為大約39dB。那么這種模擬增益調節(jié)范圍明顯不足以提供必要的TGC范圍。 所以，使用高SNR接收器的系統(tǒng)必須采用數字增益調節(jié)技術，以提供附加的TGC增益調節(jié)范圍。通常在波束成形器之后安裝由軟件控制的數字衰減器，以提供必要的附加調節(jié)范圍。下圖9所示為帶有數字和模擬增益電路的系統(tǒng)方框圖。從圖中可看出如何組合使用模擬接收器VGA和數字增益調節(jié)，以提供足夠的調節(jié)范圍。對于較低的TGC增益，使用數字衰減器通過數字方法調節(jié)。本例中，較低的12dB調節(jié)范圍是利用該技術實現的；對于超過TGC范圍較低12dB的TGC增益，利用接收器中的模擬VGA實現增益調節(jié)。
圖9. 模擬接收器VGA和數字TGC增益調節(jié)組合。 結論 隨著新型高SNR超聲接收器的普及，用戶需要確保系統(tǒng)的正確設計，以充分發(fā)揮改進后的技術優(yōu)勢。 如果選擇高PGA和LNA接收器增益來補償不正確的系統(tǒng)設計，將會損失這些先進接收器的SNR和LNA輸入范圍。用戶必須確保在整個數字波束成形、濾波、檢波以及調整通路上維持接收動態(tài)范圍，并將信號正確地調整到灰度的顯示范圍。隨著新一代接收機的不斷改進，設計人員也必須利用數字和模擬增益調節(jié)技術相結合的方式，確保必要的TGC范圍。希望本文能使讀者更清晰地理解這些問題，使用戶更容易充分利用新型、高SNR接收器帶來的性能優(yōu)勢。 |
