90年代初期，便攜式電話風(fēng)靡一時(shí)。隨著膝上型計(jì)算機(jī)的體積縮小，它們也被稱為“背包電話”。目前，電子行業(yè)已經(jīng)取得長足的發(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。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)生們稱為“新型聽診器”。
本文將回顧經(jīng)典的超聲信號鏈路，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。
超聲信號鏈路
圖1.典型的超聲信號鏈路
圖1所示的是超聲系統(tǒng)的簡化原理圖。系統(tǒng)的傳感器均位于相對較長的電纜末端，這些電纜約兩米長。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，引起了很大的信號損耗，這對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)可變增益放大器（VGA）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對噪聲的貢獻(xiàn)。對于受益于輸入阻抗匹配的應(yīng)用，有源阻抗控制可以優(yōu)化噪聲性能。
通過VGA將寬動(dòng)態(tài)范圍的輸入信號壓縮，以滿足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，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的相位對準(zhǔn)和求和，該信號由共同的源生成，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。
對于波束成形，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采集信號，然后將信號延遲并對其進(jìn)行數(shù)字求和。在圖2和3中示出了這兩種類型的波束成形體系結(jié)構(gòu)的簡化的原理圖。
圖2.ABF系統(tǒng)的簡化原理圖
圖3.DBF系統(tǒng)的簡化原理圖
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)是相對的。
DBF相對于ABF的優(yōu)點(diǎn)：
模擬延遲線的通道之間的匹配性往往較差模擬延遲線中的延遲抽頭的數(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對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60dB的動(dòng)態(tài)范圍，而這至少需要10bit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)。