超声成像系统连续波多普勒设计的挑战

2009-03-03 21:32:59来源: 电子产品世界

      摘要:连续波多普勒(CWD)接收器新一代解决方案采用了已经投产的高集成度、双极型放大器和CWD混频器/波束成型芯片组。新方案能够保证CWD接收机无法做出妥协的诊断特性。采用双极型放大器和CWD混频器波束成型电路能够使系统达到“高端”CWD的指标,在下一代结构紧凑的超声设备中有效改善诊断工具的性能。

      典型的相控阵CWD(连续波多普勒)架构中,超声传感器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。作用在发射单元的信号是方波信号,典型频率为2.0 MHz至7.5 MHz多普勒频率。发射单元通过发送适当相位的信号聚焦发射波束。同样,CWD接收信号通过对每个接收单元的信号进行相位调整、求和进行聚焦。

      “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)以及流动的血液反射回来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的噪底只有1至2nV/。为了优化接收性能,需要每通道的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/!更加困难的是,感兴趣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面临巨大的设计挑战。目前,超声系统大多采用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,低噪声放大器提供大约20dB的增益。LNA输出被转换成电流信号,随后通过交叉开关和模拟延时线进行波束成型。这种架构很容易集成,因为他所需要的电压-电流转换器、模拟开关、无源延时线以及单路I/Q混频器很容易集成。通过配置交叉开关求和,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RF CWD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进行数字转换。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,本振驱动信号还必须保持极低的抖动。遗憾的是很难从市场上获得能够达到这样指标的逻辑器件—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延时线的接收机简化电路

  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,简化框图如图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)进行波束成型求和;每路I/Q混频器的LO相位可以调节在N (N = 8至16相)个相位中的一种。LO相位的变化将改变接收信号的相位,达到波束成型的目的。

  由于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逻辑器件可以实现。混频器输出为电流,而且在基带进行无源求和,可以满足CWD波束成型的SNR要求。

 

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关键字:超声  连续波多普勒  医疗电子  MAX2038  MAX2034

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2009/0303/article_602.html
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