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處理器/DSP  

以整合與功耗調整技術因應超音波系統的工程挑戰

上網時間: 2010年03月29日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:超音波系統  ADC  波束成形 

在1990年代初的‘可攜式’電話大小約相當於現代的筆記型電腦;在不到20年後的今天,僅口袋大小的蜂巢式手機不僅能與全球各地的任何人通話,還能發送電子郵件與文字簡訊、拍照、顯示股票行情,甚至安排約會。同樣地,在醫療電子領域,早期所謂的‘可攜式’超音波系統必須置於手推車上,而且功耗大,價格也極其昂貴。很幸運地,隨著多年來矽晶整合與功耗調整(power scaling)技術的不斷突破,超音波系統也受益匪淺。

這些技術突破催生了更具可攜性的高效能超音波系統,同時也改善其影像性能以及強化更多功能性。更高動態範圍、更低功耗與更緊密的系統單晶片提供了高品質影像,以有助於進行更清楚的診斷。未來的超音波系統還可能做成手持設備,成為醫師們的第二個‘聽診器’。

超音波系統的訊號鏈

圖1是超音波系統訊號鏈的簡化方塊圖。所有的超音波系統都有約兩公尺長的纜線,在纜線末端有一個感應器。這一纜線中包含8∼256條微型同軸電纜,是這一系統中最昂貴的元件之一。幾乎在每個系統中,末端的感應器可直接驅動纜線。纜線電容器承載感應器元件,但可能導致顯著的訊號衰減。因此必須使用高靈敏度的接收器來能達到所要求的動態範圍,並實現最佳的系統性能。

圖1:典型的超音波系統訊號鏈架構圖。
圖1:典型的超音波系統訊號鏈架構圖。

在傳輸端(Tx路徑),由波束成形器決定設置超音波焦點的脈衝序列延遲模式。接著,驅動感應器的高壓傳輸放大器再將波束成形器的輸出訊號進行放大。這些放大器可在數位類比轉換器(DAC)或高壓FET開關陣列的控制下調整傳輸脈衝,以便有效為感應器元件提供能量。在接收端,傳輸/接收開關元件用於抑制高壓傳輸脈衝。在一些開關陣列中還會使用高壓多工器/解多工器,以減少傳輸和接收硬體的複雜性,但也會相對地犧牲其彈性度。

時間-增益控制(TGC)接收路徑由低雜訊放大器(LNA)、可變增益放大器(VGA)和類比數位轉換器(ADC)所組成。VGA通常具有線性dB增益控制功能,以匹配反射超音波訊號的衰減。在作業人員的控制下,TGC路徑可用於保持影像在掃描期間的一致性。低雜訊LNA對於使VGA所產生的噪音最小化至關重要。主動式阻抗控制能使得益於輸入阻抗匹配的設備應用實現最佳的雜訊性能。

VGA可壓縮寬動態範圍的輸入訊號,以滿足ADC的輸入範圍要求。以輸入為參考的LNA雜訊限制了最小可分辨的輸入訊號,而以輸出為參考的雜訊限制了能在特定增益控制電壓點進行處理的最大瞬間動態範圍。這一閘限的設置是依據是由ADC解析度所決定的基本量化雜訊而來。早期的超音波系統採用10位元ADC,但現代大多數超音波系統使用了12位元或14位元的ADC。

抗混疊濾波器(AAF)能夠限制訊號頻寬,並抑制在ADC前出現於TGC路徑中的有害噪音。

醫療超音波系統所用的波束成形技術,一般定義為:由共同來源產生、但被多種元件的超音波感應器在不同時間接收到的所有訊號之相位校準與累加。在連續波多普勒(CWD)路徑中,所有的接收器通道必須進行相移與累加,以擷取相關資訊。波束成形有兩項功能:它不僅能直接向感測器傳遞方向性,以提高其增益,還能定義體內的焦點,並由此確定回波位置。

波束成形有兩種截然不同的方法,即類比波束成形(ABF)與數位波束成形(DBF)。ABF和DBF系統之間的區別在於波束的形成方式。這兩種方法都需要具備相當好的通道對通道匹配。ABF使用類比延遲線和累加,只需要一個精密的高解析度、高速ADC。而DBF是目前最普遍的方法,使用了許多的高速、高解析度ADC。DBF系統中的訊號要盡量接近感應器器元作來進行採樣,然後再經過數位化延遲與累加。圖2就是DBF架構的簡化架構圖。

圖2:數位波束成形(DBF)系統簡圖。
圖2:數位波束成形(DBF)系統簡圖。

整合與劃分策略

雖然超音波系統在技術方面已取得明顯的進步,但由於系統中包含太多的通道與元件,使其仍是目前最複雜的系統之一。就像其它複雜系統一樣,超音波系統也有許多系統劃分方法。以下將簡要介紹幾種超音波系統劃分策略。

早期的超音波系統使用類比波束成形技術,必須使用大量的類比元件。TGC和傳輸/接收路徑中的數位處理則採用客製化ASIC來完成。這種方法在多通道VGA、ADC和DAC普及之前最常應用。ASIC元件中有許多閘電路,而其數位技術並未對類比功能(如放大器和ADC)進行最佳化。因此,使用ASIC的系統必須強烈依賴個別供應商產品的可靠性。

使用ASIC、FPGA和DBF技術以及分離式ADC和VGA是邁向可攜性進展的第一步,但多通道TGC、ADC和DAC的推出才使體積與功耗顯著降低。這些多通道元件讓設計者將不同電路板上的敏感性類比電路與數位電路區分開來,這樣不僅方便系統的微縮調整,而且在許多平台上都能有效地再使用電子電路。

然而,四通道VGA和八通道VGA以及具有大量接腳的ADC互連使得PCB難以佈線,在某些情況下還將迫使設計者使用低通道數的元件,例如從八通道ADC改用四通道ADC。在很小的面積內放置大量的這種多通道元件還會引起散熱問題,因此,決定一種最佳化的劃分策略也極具挑戰性。

由於針對PCB尺寸與功耗的要求降低,具備多通道、多元件整合的全TGC路徑進一步整合能夠讓設計方法變得更簡單。隨著更高整合度的不斷普及,可攜式產品在成本、尺寸、功耗降低以及更長電池續航力方面的優勢也更加明顯。

利用超音波子系統就可以搭建出這種架構,例如用於八通道TGC的AD9271,它包含了LNA、VGA、可程式抗混疊濾波器、12位元ADC和序列LVDS輸出。


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