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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(gè)接收機(jī)系列的噪聲性能。VGA級提供必要的可變時(shí)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。現(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(shí)，LNA增益為18.5dB時(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)最大限度地減少任何系統(tǒng)問題？這是一個(gè)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(shí)，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(shí)，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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)，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(shí)。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(gè)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(gè)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(shí)設(shè)置黑電平可確保保持整個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)需要更高的最大增益。當(dāng)使用低SNR接收器時(shí)，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(shí)間增益控制（TGC）范圍還存在另一個(gè)問題。在典型的超聲B模式圖像中，調(diào)整時(shí)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