如何確定接收器增益及發(fā)揮高SNR接收器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

作者：Maxim Integrated公司工業(yè)通信和超聲業(yè)務(wù)部門(mén)執(zhí)行總監(jiān)John Scampini

近幾年來(lái)，超聲接收機(jī)的信噪比（SNR）性能得到了大幅提升。主要進(jìn)展體現(xiàn)在低功耗ADC技術(shù)，幫助用戶將系統(tǒng)從10位提升到12位，甚至更高的ADC。同時(shí)，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(shì)。把這些新型ADC、VGA集成到超聲接收機(jī)時(shí)，可以有效提高SNR。隨著新一代高SNR接收機(jī)的廣泛應(yīng)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(duì)使用老式、低SNR接收器設(shè)計(jì)的用戶造成了問(wèn)題。

本文介紹如何確定接收器增益，以及接收器增益設(shè)置太高時(shí)對(duì)接收SNR的負(fù)面影響。文章也討論如何正確優(yōu)化數(shù)字波束成形器、濾波器、檢波器的動(dòng)態(tài)范圍以及壓縮信號(hào)映射。實(shí)現(xiàn)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(shì)，大幅提高診斷性能。

計(jì)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(hào)并提供足夠的增益，以克服后續(xù)電路的噪聲。設(shè)計(jì)合理的接收器中，LNA的噪聲很大程度上決定了整個(gè)接收器配置的噪聲。VGA級(jí)提供必要的可變時(shí)間增益控制，將較大的輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整到ADC的有限動(dòng)態(tài)范圍。AAF提供必要的濾波，以確保帶外噪聲和信號(hào)不會(huì)混疊至信號(hào)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(xiàn)在的問(wèn)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(huì)造成ADC近場(chǎng)飽和。對(duì)于MAX2082接收器，LNA增益為18.5dB時(shí)，最大輸入信號(hào)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(duì)于MAX2082，最小增益實(shí)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(xiàn)不會(huì)明顯影響其噪聲系數(shù)。為確保不發(fā)生這種情況，接收器在最大增益時(shí)的輸出噪聲必須至少比這些噪聲源的組合噪聲貢獻(xiàn)大10dB。10dB是通常可接受的“經(jīng)驗(yàn)參數(shù)”。滿足以上條件時(shí)，VGA、AAF和ADC的噪聲貢獻(xiàn)一般將接收機(jī)噪聲系數(shù)降低0.25dB以內(nèi)，通常認(rèn)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(guān)系曲線。

圖2. MAX2082總輸出噪聲與增益的關(guān)系。

圖2表明，MAX2082收發(fā)器中，接收器在低增益時(shí)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(shè)計(jì)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(xiàn)較小。假設(shè)變送器的源阻抗為200Ω，接收器的匹配電阻為200Ω，那么輸入?yún)⒖荚肼暈榇蠹s1.0nV/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(biāo)準(zhǔn)，裕量為0.7dB。從圖2可知，最大增益下的實(shí)測(cè)噪聲為190nV/rtHz，比最小增益時(shí)的50nV/rtHz噪聲電壓高11dB。

為進(jìn)一步說(shuō)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(shè)LNA增益為18.5dB，因?yàn)檫@通常是最常用的LNA增益設(shè)置。這一增益設(shè)置提供足夠的LNA輸入范圍和非常好的噪聲系數(shù)。大多數(shù)情況下，較高的LNA增益設(shè)置趨向于減小LNA輸入范圍，并利用提高的噪聲系數(shù)裕量限制近場(chǎng)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(huì)把噪聲性能降至不可接受的水平。

接收器增益太大帶來(lái)的不良影響

對(duì)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(méi)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(shù)。進(jìn)一步增大增益也不會(huì)相應(yīng)提高接收靈敏度或噪聲系數(shù)。

現(xiàn)在很容易明白為什么低SNR的接收器要求更大增益。假設(shè)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(shù)，接收器就必須具有更大增益。簡(jiǎn)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(shù)性能。

對(duì)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(jù)這些變化優(yōu)化系統(tǒng)，就會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。我們將在下文討論這種情況的原因。但現(xiàn)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(wú)疑問(wèn)，我們已經(jīng)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(wèn)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?gòu)牡蚐NR移植到高SNR時(shí)產(chǎn)生的系統(tǒng)問(wèn)題？這個(gè)問(wèn)題非常好。答案涉及到VGA的實(shí)際設(shè)計(jì)局限性。

增大VGA的最大增益從本質(zhì)上造成VGA的輸出參考噪聲相應(yīng)增大。設(shè)計(jì)合理的接收器中，中、低增益時(shí)的VGA輸出噪聲應(yīng)適當(dāng)?shù)陀贏DC噪聲。如果是這種情況，中、低增益時(shí)的接收器SNR應(yīng)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(kāi)始相應(yīng)增大。當(dāng)VGA輸出噪聲達(dá)到ADC噪聲的水平時(shí)，接收器的SNR開(kāi)始降低。

在帶有可調(diào)節(jié)后級(jí)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(xiàn)象。仔細(xì)觀察這些器件的SNR與增益關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)VGA工作在高PGA后級(jí)放大增益設(shè)置時(shí)，SNR變差。所以，這些后級(jí)增益放大器對(duì)改善噪聲系數(shù)作用很小，益處有限，并對(duì)接收器SNR具有明顯不利的影響。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)整個(gè)超聲系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以支持新器件改善了的SNR，包括數(shù)字波束成形器（數(shù)字延遲和求和）、數(shù)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(jiǎn)圖。

圖4. n溝道超聲接收器波束成形方框簡(jiǎn)圖。

如果數(shù)字波束成形、濾波器和壓縮電路沒(méi)有足夠的動(dòng)態(tài)范圍（即足夠的位數(shù)），并且/或者用以顯示灰度的檢波信號(hào)的壓縮調(diào)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(guān)鍵電路已優(yōu)化用于老式的低SNR接收器，得到結(jié)果如同這些新的高SNR接收器沒(méi)有足夠的增益或調(diào)節(jié)范圍。

為清晰起見(jiàn)，以圖5所示典型的64通道系統(tǒng)為例。

圖5. 簡(jiǎn)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(shè)使用的是MAX2082收發(fā)器。單接收通道的SNR與增益關(guān)系曲線如圖5左側(cè)所示。從曲線可知，中、低增益時(shí)SNR為大約68dBFS。正如預(yù)期的那樣，增益提高時(shí)，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(guān)系曲線中也能看到這一點(diǎn)。

本例中的數(shù)字波束成形器延遲及求和接收器的數(shù)字輸出，產(chǎn)生數(shù)字波束成形輸出。在波束成形中求和ADC的輸出時(shí)，通道數(shù)量每增加一倍，SNR將增加3dB。因此，對(duì)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(dòng)態(tài)范圍，所以輸出應(yīng)至少為16位，以對(duì)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(jìn)行濾波，然后進(jìn)行檢波。這些電路也必須維持必要的動(dòng)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(dòng)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(shí)的檢波器噪聲水平。

對(duì)于正確的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，存在一個(gè)臨界設(shè)置：將最小灰度顯示電平或黑色電平設(shè)置為恰好高于接收器為最小增益時(shí)的檢波器輸出本底噪聲。將黑色電平設(shè)置為該點(diǎn)確保整個(gè)接收器的最大動(dòng)態(tài)范圍，以及接收器在中、低增益時(shí)的輸出噪聲在圖像上不可見(jiàn)。

現(xiàn)在，我們考慮VGA處于最大增益時(shí)的情況，如圖7所示。此時(shí)，單通道SNR為大約59dBFS，如圖中的單通道SNR與增益關(guān)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(shí)高出大約11dB。

圖7. 簡(jiǎn)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(duì)于正確設(shè)置的壓縮曲線，檢波器噪底應(yīng)如圖8所示。此時(shí)，高增益下接近噪底的低電平信號(hào)應(yīng)調(diào)整到B模式下清晰可見(jiàn)的電平。值得注意的是，對(duì)于低電平已檢波信號(hào)，為使其清晰可見(jiàn)以及增強(qiáng)這些低電平信號(hào)的差分灰度，調(diào)整曲線應(yīng)該相當(dāng)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(shí)的檢波器噪聲水平。

通過(guò)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(duì)較低SNR 10位接收器進(jìn)行優(yōu)化，有人可能認(rèn)為使用高SNR接收器時(shí)必須具有較高的最大增益。使用低SNR接收器時(shí)，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(shè)置得較高，以確保該噪聲在屏幕上不可見(jiàn)。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(hào)將低于壓縮曲線的黑色電平；表現(xiàn)為接收增益不足。

與使用高SNR接收器以及系統(tǒng)的時(shí)間增益控制（TGC）相關(guān)的另一問(wèn)題是，典型的B超圖像中，調(diào)節(jié)時(shí)間增益控制，使相同類型的組織在圖像中從近至遠(yuǎn)具有一致的灰度。為保證一致的灰度，必要的TGC增益調(diào)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(diào)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(shù)字增益調(diào)節(jié)技術(shù)，以提供附加的TGC增益調(diào)節(jié)范圍。通常在波束成形器之后安裝由軟件控制的數(shù)字衰減器，以提供必要的附加調(diào)節(jié)范圍。下圖9所示為帶有數(shù)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(shù)字增益調(diào)節(jié)，以提供足夠的調(diào)節(jié)范圍。對(duì)于較低的TGC增益，使用數(shù)字衰減器通過(guò)數(shù)字方法調(diào)節(jié)。本例中，較低的12dB調(diào)節(jié)范圍是利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的；對(duì)于超過(guò)TGC范圍較低12dB的TGC增益，利用接收器中的模擬VGA實(shí)現(xiàn)增益調(diào)節(jié)。

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

結(jié)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(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮改進(jìn)后的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

如果選擇高PGA和LNA接收器增益來(lái)補(bǔ)償不正確的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將會(huì)損失這些先進(jìn)接收器的SNR和LNA輸入范圍。用戶必須確保在整個(gè)數(shù)字波束成形、濾波、檢波以及調(diào)整通路上維持接收動(dòng)態(tài)范圍，并將信號(hào)正確地調(diào)整到灰度的顯示范圍。隨著新一代接收機(jī)的不斷改進(jìn)，設(shè)計(jì)人員也必須利用數(shù)字和模擬增益調(diào)節(jié)技術(shù)相結(jié)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(wèn)題，使用戶更容易充分利用新型、高SNR接收器帶來(lái)的性能優(yōu)勢(shì)。

責(zé)任編輯：gt