通過優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大限度地提高高信噪比超聲接收機(jī)的性能

當(dāng)前一代超聲接收器和收發(fā)器（如MAX2082）經(jīng)過優(yōu)化，具有優(yōu)異的SNR性能。低功耗、高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和低輸出噪聲可變增益放大器（VGA）的進(jìn)步使這些進(jìn)步成為可能。然而，為了利用這種改進(jìn)的接收器性能，設(shè)計(jì)人員必須了解如何正確優(yōu)化這些器件中的增益設(shè)置以及接收數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍、濾波、檢測和顯示映射。本應(yīng)用筆記旨在詳細(xì)回顧這些主題，以便讀者能夠更好地優(yōu)化系統(tǒng)并利用這些改進(jìn)的器件。

近年來，超聲接收機(jī)的信噪比（SNR）性能有了顯著提高。這些進(jìn)步與低功耗ADC技術(shù)息息相關(guān)，該技術(shù)允許用戶從10位遷移到12位及更高ADC。同時，低輸出參考噪聲可變增益放大器（VGA）旨在利用這些ADC。當(dāng)這些新的ADC和VGA集成到超聲接收器中時，SNR會顯著提高。新的高信噪比接收器已被普遍接受，系統(tǒng)現(xiàn)在可以支持顯著改進(jìn)的B型諧波成像和脈沖模式多普勒性能。

為了優(yōu)化信噪比，需要改變這些新型超聲接收器的增益范圍。這會給一些習(xí)慣于較舊的低SNR接收器設(shè)計(jì)的用戶帶來問題。

本應(yīng)用筆記解釋了如何確定接收機(jī)增益，以及當(dāng)接收機(jī)增益設(shè)置過高時，接收機(jī)增益設(shè)置如何對接收機(jī)SNR產(chǎn)生負(fù)面影響。它還討論了如何正確優(yōu)化數(shù)字波束形成器、濾波器、檢波器和壓縮信號映射的動態(tài)范圍。完成此操作后，您的系統(tǒng)將最大限度地提高高SNR接收器提供的性能，從而顯著提高診斷性能。

計(jì)算超聲接收機(jī)增益

典型的高性能超聲接收器陣容如圖1所示。它由低噪聲放大器 （LNA）、VGA、抗混疊濾波器 （AAF） 和 ADC 組成。LNA緩沖輸入信號，并提供足夠的增益來克服后續(xù)級的噪聲。在設(shè)計(jì)合理的接收機(jī)中，LNA的噪聲性能在很大程度上決定了整個接收機(jī)系列的噪聲性能。VGA級提供必要的可變時間增益控制，以將大輸入信號的動態(tài)范圍映射到ADC更有限的動態(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到信號頻段中，從而不會破壞接收器性能。

圖1.典型的超聲接收機(jī)路徑框圖。本例來自MAX2082八通道超聲收發(fā)器。

圖1顯示，接收器的最大和最小增益分別為44.7dB和5.9dB?，F(xiàn)在要問的問題是，這些收益是如何選擇的？

選擇接收器的最小增益，以確保允許的最大LNA輸入信號不會使近場中的ADC飽和。使用MAX2082接收器時，LNA增益為18.5dB時的最大輸入信號為330mVP-P.12位ADC的最大輸入范圍為1.5VP-P.因此，最小接收器增益需要不大于20×對數(shù)（1.5/0.33）或約13.2dB。對于MAX2082，最小增益實(shí)際上為5.9dB，可提供額外的7.3dB裕量。

選擇最大接收器增益是為了確保VGA、AAF和ADC電路的組合輸出噪聲貢獻(xiàn)不會顯著破壞其噪聲系數(shù)。為了確保不會發(fā)生這種情況，最大增益下的接收器輸出噪聲必須至少比這些源的總噪聲貢獻(xiàn)大10dB。10dB數(shù)字是普遍接受的“良好做法”規(guī)則。當(dāng)滿足VGA、AAF和ADC的噪聲貢獻(xiàn)時，接收器噪聲系數(shù)通常低于0.25dB，這通常被認(rèn)為是可以接受的。圖2所示為MAX2082接收器的輸出噪聲與增益的關(guān)系。

圖2.MAX2082總輸出噪聲與增益的關(guān)系

圖2顯示，MAX2082收發(fā)器在低增益時的本底噪聲約為50nV/√Rt。該噪聲是12位ADC、VGA和AAF的輸出噪聲貢獻(xiàn)。在設(shè)計(jì)良好的接收器中，ADC應(yīng)該主導(dǎo)這種噪聲。MAX2082中，ADC的本底噪聲約為42nV/√Rt;考慮到總輸出噪聲為50nV/√Rt，ADC之前的電路噪聲貢獻(xiàn)很小。假設(shè)接收器的源阻抗為200Ω，終端阻抗為200Ω，則折合到輸入端的噪聲約為1.0nV/√Rt。因此，最大接收器增益需要至少為20×log（50/1）+ 10dB，或約44dB。MAX2082的最大增益選擇為44.7dB，收發(fā)器滿足這一標(biāo)準(zhǔn)，裕量為0.7dB。從圖2可以看出，最大增益下的實(shí)測噪聲約為190nV/√Rt，比最小增益下的50nV/√Rt噪聲電壓高出約11dB。

為了進(jìn)一步說明這一概念，MAX2082的接收增益圖如圖3所示。

圖3.MAX2082增益圖

在本例中，應(yīng)該注意的是，我們假設(shè)LNA增益為18.5dB，因?yàn)檫@通常是最有用的LNA增益設(shè)置。該增益設(shè)置提供了足夠的LNA輸入范圍和非常好的噪聲系數(shù)。在大多數(shù)情況下，較高的LNA增益設(shè)置往往會減小LNA輸入范圍并限制近場成像，噪聲系數(shù)略有改善。例如，LNA增益每增加6dB，輸入范圍通常會降低2倍。然而，較低的LNA增益會增加允許的輸入范圍，但會犧牲噪聲性能到不可接受的水平。

接收器增益過大的負(fù)面影響

對于具有12位ADC的典型接收器，如MAX2082收發(fā)器中集成的接收器，無需將最大增益提高到44.7dB以上。在此增益電平下可獲得良好的噪聲系數(shù)。增加更多增益不會明顯提高接收器靈敏度或噪聲系數(shù)。

現(xiàn)在應(yīng)該很容易理解為什么低SNR接收器需要更大的最大增益。假設(shè)ADC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，需要更多的接收器增益來保持良好的噪聲系數(shù)。簡而言之，SNR低10dB的接收器需要大約10dB的最大增益才能提供相同的噪聲系數(shù)性能。

如果系統(tǒng)未針對這些變化進(jìn)行優(yōu)化，則從低SNR接收器遷移到最大增益降低的高SNR接收器的用戶可能會遇到問題。我們將在本應(yīng)用筆記的后面部分討論為什么會這樣。但現(xiàn)在我們需要考慮為什么需要限制12位高SNR接收器的最大增益。當(dāng)然，我們已經(jīng)證明，12位高SNR接收器的最大增益不需要10位低SNR接收器那么多。問題仍然存在：為什么不增加12位接收器的最大增益和增益范圍以匹配10位接收器，從而在從低SNR接收器切換到高SNR接收器時最大限度地減少任何系統(tǒng)問題？這是一個非常好的問題。答案涉及VGA的實(shí)際設(shè)計(jì)限制。

增加VGA的最大增益本身也會導(dǎo)致VGA的輸出參考噪聲增加。在設(shè)計(jì)良好的接收器中，低增益和中等增益下的VGA輸出噪聲應(yīng)遠(yuǎn)低于ADC噪聲。如果是這種情況，低增益和中等增益下的接收器SNR應(yīng)該與ADC SNR大致相同，這就是我們想要的。不幸的是，如果我們嘗試增加VGA的最大增益，VGA在中低增益下的輸出噪聲也會開始增加。當(dāng)VGA輸出噪聲接近ADC噪聲電平時，接收器的SNR開始下降。

這種效應(yīng)很容易在一些具有可調(diào)VGA后增益放大器（PGA）的競爭超聲接收器中看到，這些放大器允許用戶增加最大VGA增益輸出。仔細(xì)檢查這些器件的SNR與增益曲線表明，當(dāng)VGA在這些高PGA增益后設(shè)置下工作時，SNR會降低。因此，這些增益后放大器的優(yōu)勢有限，因?yàn)樗鼈儗Ω纳圃肼曄禂?shù)的作用很小，并且對接收器SNR有顯著的負(fù)面影響。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題

優(yōu)化整個超聲系統(tǒng)以適應(yīng)新器件增強(qiáng)的SNR能力非常重要，包括數(shù)字波束形成器（數(shù)字延遲和求和）、數(shù)字濾波器、檢波器和壓縮映射。這一切都顯示在圖4的簡化超聲接收器框圖中。

圖4.簡化的n通道超聲接收器波束形成器框圖。

如果數(shù)字波束形成器、濾波器、檢波器和壓縮電路沒有足夠的動態(tài)范圍（即足夠的位）和/或檢測信號的壓縮映射未正確設(shè)置以顯示灰度，則無法實(shí)現(xiàn)這些新接收器的SNR改進(jìn)。此外，如果這些關(guān)鍵模塊已針對較舊的低SNR接收器進(jìn)行了優(yōu)化，則新的高SNR接收器似乎沒有足夠的最大增益或調(diào)整范圍。

為了說明這一點(diǎn)，請考慮一個典型的64通道系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5.簡化的 64 通道超聲接收機(jī)系統(tǒng)噪聲分析，最小 VGA 增益。

本例假設(shè)使用MAX2082收發(fā)器。單個接收通道的SNR與增益的關(guān)系圖如圖5的左側(cè)所示。該圖顯示，在低增益和中等增益下，SNR約為68dBFS。正如預(yù)期的那樣，SNR隨著增益的增加而降低;接收器和換送器元件的放大輸入噪聲大于ADC噪聲。這也可以從圖2所示MAX2082的輸出噪聲與增益的關(guān)系圖中看出。

本例中的數(shù)字波束成形器延遲并求和接收器的數(shù)字輸出，以產(chǎn)生數(shù)字波束成形輸出。當(dāng)對波束成型器中ADC的輸出求和時，每增加一倍通道數(shù)，SNR就會增加3dB。因此，64通道接收器的波束成形輸出的SNR約為68dB +（3dB×對數(shù)）2（64）） = 86dBFS 在低增益時。波束成形器必須至少保持此動態(tài)范圍，因此其輸出應(yīng)至少為16位，以求和所有64個通道的12位輸出。波束成形器的輸出通常使用與探頭帶寬匹配的濾波器進(jìn)行濾波，然后進(jìn)行檢測。這些模塊還必須保持必要的動態(tài)范圍。然后，需要將檢測器的輸出映射到可用的有限顯示器灰度動態(tài)范圍內(nèi)。典型的檢測器到灰度映射曲線如圖6所示。

圖6.探測器輸出到灰度映射曲線顯示了VGA在最小增益下的探測器噪聲電平。

正確的系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一個關(guān)鍵設(shè)置：將最小灰度顯示電平或黑電平設(shè)置為略高于檢波器輸出本底噪聲的水平，而接收器則以最小增益設(shè)置。此時設(shè)置黑電平可確保保持整個接收器的最大動態(tài)范圍，并且接收器在低增益和中等增益下的輸出噪聲在圖像中不可見。

現(xiàn)在讓我們考慮VGA處于最大增益時的情況，如圖7所示。在這種情況下，單通道信噪比約為59dBFS，如圖中的單通道信噪比與增益的關(guān)系圖所示。因此，64通道波束形成器輸出SNR為77dBFS。因此，最大VGA增益下的波束成形器輸出噪聲比最小增益時的波束成形器輸出噪聲高出約11dB。

圖7.簡化的 64 通道超聲接收機(jī)系統(tǒng)噪聲分析，最大 VGA 增益。

在上述圖7的最大VGA增益條件下，相對于正確設(shè)置的壓縮曲線，檢波器本底噪聲應(yīng)如圖8所示。在這種情況下，在高增益下，本底噪聲附近的低電平信號應(yīng)映射到B模式顯示中清晰可見的電平。需要注意的是，對于低電平檢測到的信號，壓縮曲線應(yīng)該相當(dāng)陡峭，以使其清晰可見并增強(qiáng)這些低電平信號的差分灰度。

圖8.探測器輸出到灰度映射曲線，顯示最大增益下VGA下的探測器噪聲水平。

從該分析中很容易看出，如果波束成形器、濾波器、檢波器和灰度映射已針對低SNR 10位接收器進(jìn)行了優(yōu)化，那么人們可能會認(rèn)為在使用高SNR接收器時需要更高的最大增益。當(dāng)使用低SNR接收器時，低VGA增益下檢波器輸出上的噪聲會更高。因此，有必要將灰度映射曲線的黑電平設(shè)置得更高，以確保這種噪聲在顯示器上不可見。但是，如果接收器現(xiàn)在改為高SNR 12位接收器，則最大VGA增益下的低電平信號將降至壓縮曲線的黑電平以下?？雌饋斫邮掌鳑]有足夠的增益。

使用更高SNR接收器和系統(tǒng)的必要時間增益控制（TGC）范圍還存在另一個問題。在典型的超聲B模式圖像中，調(diào)整時間增益控制，使相同類型的組織在圖像中從近場到遠(yuǎn)場具有均勻的灰度水平。為了保持均勻的灰度，必要的TGC增益調(diào)整范圍約為50dB。根據(jù)我們之前的分析，像MAX2082收發(fā)器這樣的高SNR接收器所需的增益范圍僅為39dB左右。因此，很明顯，該模擬增益調(diào)整范圍不足以提供必要的TGC范圍。

因此，具有高SNR接收器的系統(tǒng)必須使用數(shù)字增益調(diào)整技術(shù)來提供額外的TGC增益調(diào)整范圍。通常，軟件控制下的數(shù)字衰減器放置在波束形成器之后，以提供必要的額外調(diào)整范圍。圖9下面是帶有數(shù)字和模擬增益圖的系統(tǒng)框圖。它顯示了模擬接收器VGA和數(shù)字增益調(diào)整如何結(jié)合使用以提供足夠的調(diào)整范圍。對于較低的TGC增益，使用數(shù)字衰減器以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)調(diào)整。在本例中，調(diào)整范圍的較低12dB是使用此技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。對于超過TGC范圍較低12dB的TGC增益，增益調(diào)整使用接收器中的模擬VGA實(shí)現(xiàn)。

圖9.組合模擬接收器 VGA 和數(shù)字 TGC 增益調(diào)節(jié)。

結(jié)論

隨著具有更高SNR的新型超聲接收器的出現(xiàn)，用戶需要確保其系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確，以利用這些改進(jìn)。

通過選擇高PGA和LNA接收機(jī)增益設(shè)置來補(bǔ)償不正確的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，抵消了這些更復(fù)雜的接收機(jī)的正SNR和LNA輸入范圍優(yōu)勢。用戶必須確保通過完整的數(shù)字波束成形、濾波、檢測和壓縮路徑保持接收機(jī)動態(tài)范圍，并確保信號適當(dāng)?shù)赜成涞交叶蕊@示范圍。隨著新一代接收器SNR的不斷提高，設(shè)計(jì)人員還必須結(jié)合使用數(shù)字和模擬增益調(diào)整技術(shù)來實(shí)現(xiàn)必要的TGC范圍。希望本應(yīng)用筆記能更清楚地說明這些問題，使用戶更容易利用這些新型高SNR接收器提供的全部性能。

審核編輯：郭婷