优化系统设计提高超声接收机的SNR
发布时间：2014-3-19 13:58
发布者：李宽
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作者：Maxim Integrated公司工业通信和超声业务部门执行总监John Scampini 近几年来，超声接收机的信噪比(SNR)性能得到了大幅提升。主要进展体现在低功耗ADC技术，帮助用户将系统从10位提升到12位，甚至更高的ADC。同时，还引入了低输出参考噪声的VGA，以充分发挥这些ADC的优势。把这些新型ADC、VGA集成到超声接收机时，可以有效提高SNR。随着新一代高SNR接收机的广泛应用，系统可支持B模谐波成像和脉冲多普勒成像，获得有益的系统性能。 为了改善SNR，必须改变新型超声接收器的增益范围，这就对使用老式、低SNR接收器设计的用户造成了问题。 本文介绍如何确定接收器增益，以及接收器增益设置太高时对接收SNR的负面影响。文章也讨论如何正确优化数字波束成形器、滤波器、检波器的动态范围以及压缩信号映射。实现上述优化后，系统将最大程度地发挥高SNR接收器的优势，大幅提高诊断性能。 计算超声接收器增益 图1所示为典型的高性能超声接收器配置，由LNA、VGA、抗混叠滤波器(AAF)和ADC组成。LNA缓冲输入信号并提供足够的增益，以克服后续电路的噪声。设计合理的接收器中，LNA的噪声很大程度上决定了整个接收器配置的噪声。VGA级提供必要的可变时间增益控制，将较大的输入信号动态范围调整到ADC的有限动态范围。AAF提供必要的滤波，以确保带外噪声和信号不会混叠至信号带宽，从而不破坏接收性能。 
图1. 典型超声接收通路方框图。示例取自MAX2082八通道超声接收器。 图1中，接收器的最大和最小增益分别为44.7dB和5.9dB。现在的问题是如何选择增益？ 所选接收器的最小增益要确保LNA在最大输入下不会造成ADC近场饱和。对于MAX2082接收器，LNA增益为18.5dB时，最大输入信号为330mVP-P；12位ADC的最大输入范围为1.5VP-P。所以，接收器最小增益要求不大于20×log(1.5/0.33)，即大约13.2dB。对于MAX2082，最小增益实际为5.9dB，提供7.3dB的附加裕量。 所选接收器的最大增益要确保VGA、AAF和ADC电路组合的输出噪声贡献不会明显影响其噪声系数。为确保不发生这种情况，接收器在最大增益时的输出噪声必须至少比这些噪声源的组合噪声贡献大10dB。10dB是通常可接受的“经验参数”。满足以上条件时，VGA、AAF和ADC的噪声贡献一般将接收机噪声系数降低0.25dB以内，通常认为是可接受的。图2所示为MAX2082接收器的输出噪声与增益的关系曲线。 
图2. MAX2082总输出噪声与增益的关系。 图2表明，MAX2082收发器中，接收器在低增益时的本底噪声为大约50nV/rtHz。该噪声源于12位ADC、VGA和AAF的输出噪声。设计合理的接收器，ADC是影响该噪声的主要因素。在MAX2082中，ADC的本底噪声大约为42nV/rtHz；如果总输出噪声为50nV/rtHz，那么ADC之前电路的噪声贡献较小。假设变送器的源阻抗为200Ω，接收器的匹配电阻为200Ω，那么输入参考噪声为大约1.0nV/rtHz。所以，接收器最大增益需要至少为20×log(50/1)+10dB，即大约44dB。选择MAX2082的最大增益为44.7dB，收发器满足这一标准，裕量为0.7dB。从图2可知，最大增益下的实测噪声为190nV/rtHz，比最小增益时的50nV/rtHz噪声电压高11dB。 为进一步说明这一概念，图3中给出了MAX2082的接收增益图。 
图3. MAX2082增益。 本例中，值得注意的是，我们假设LNA增益为18.5dB，因为这通常是最常用的LNA增益设置。这一增益设置提供足够的LNA输入范围和非常好的噪声系数。大多数情况下，较高的LNA增益设置趋向于减小LNA输入范围，并利用提高的噪声系数裕量限制近场成像。例如，如果LNA增益增大6dB，通常将输入范围降低二分之一。然而，较低的LNA增益允许较大的输入范围，但会把噪声性能降至不可接受的水平。 接收器增益太大带来的不良影响 对于采用12位ADC的典型接收器，例如MAX2082收发器中集成的接收器，没必要将最大增益增大到44.7dB以上。在这种增益水平下，可获得良好的噪声系数。进一步增大增益也不会相应提高接收灵敏度或噪声系数。 现在很容易明白为什么低SNR的接收器要求更大增益。假设ADC的最大输入范围大致相同，这些接收器中的ADC具有较高的本底噪声；因此，为维持良好的噪声系数，接收器就必须具有更大增益。简言之，如果接收器的SNR低10dB，将需要额外大约10dB的最大增益，才能提供相同的噪声系数性能。 对于从低SNR接收器移植到最大增益较低的高SNR接收器的用户，如果未根据这些变化优化系统，就会产生问题。我们将在下文讨论这种情况的原因。但现在需要考虑为什么需要从根本上限制12位高SNR接收器的最大增益。毫无疑问，我们已经证明在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。问题依然存在：为什么不提高12位接收器的最大增益和增益范围，以匹配10位接收器，从而最大程度地减少从低SNR移植到高SNR时产生的系统问题？这个问题非常好。答案涉及到VGA的实际设计局限性。 增大VGA的最大增益从本质上造成VGA的输出参考噪声相应增大。设计合理的接收器中，中、低增益时的VGA输出噪声应适当低于ADC噪声。如果是这种情况，中、低增益时的接收器SNR应与ADC SNR大致相同——这正是我们所希望的。不幸的是，如果我们尝试增大VGA最大增益，中、低增益下的VGA输出噪声开始相应增大。当VGA输出噪声达到ADC噪声的水平时，接收器的SNR开始降低。 在带有可调节后级VGA增益放大器(PGA)，以允许用户提高最大VGA增益输出的同类超声接收器中，很容易看到这种现象。仔细观察这些器件的SNR与增益关系曲线，可以发现当VGA工作在高PGA后级放大增益设置时，SNR变差。所以，这些后级增益放大器对改善噪声系数作用很小，益处有限，并对接收器SNR具有明显不利的影响。 系统设计 对整个超声系统进行优化，以支持新器件改善了的SNR，包括数字波束成形器(数字延迟和求和)、数字滤波器、检波器以及压缩映射，如图4所示的超声接收器方框简图。 
图4. n沟道超声接收器波束成形方框简图。 如果数字波束成形、滤波器和压缩电路没有足够的动态范围(即足够的位数)，并且/或者用以显示灰度的检波信号的压缩调节不正确，就不能有效利用这些新接收器的高SNR性能。此外，如果这些关键电路已优化用于老式的低SNR接收器，得到结果如同这些新的高SNR接收器没有足够的增益或调节范围。 为清晰起见，以图5所示典型的64通道系统为例。 
图5. 简化64通道超声接收器系统在最小VGA增益下的噪声分析。 本例中，我们假设使用的是MAX2082收发器。单接收通道的SNR与增益关系曲线如图5左侧所示。从曲线可知，中、低增益时SNR为大约68dBFS。正如预期的那样，增益提高时，SNR变差；放大后的接收器和变送器元件输入噪声大于ADC噪声。在图2所示MAX2082的输出噪声与增益关系曲线中也能看到这一点。 本例中的数字波束成形器延迟及求和接收器的数字输出，产生数字波束成形输出。在波束成形中求和ADC的输出时，通道数量每增加一倍，SNR将增加3dB。因此，对于64通道接收器，低增益下的波束成形输出的SNR将为68dB+(3dB×log2 (64))=86dBFS。波束成形器必须至少维持在该动态范围，所以输出应至少为16位，以对全部64路12位输出求和。波束成形器的输出通常使用与变送器带宽相匹配的滤波器进行滤波，然后进行检波。这些电路也必须维持必要的动态范围。然后需要将检波器的输出映射到可以使用的显示灰度的动态范围。图6所示为典型的检波器至灰度映射曲线。 
图6. 检波器输出至灰度映射曲线表明了VGA为最小增益时的检波器噪声水平。 对于正确的系统设计，存在一个临界设置：将最小灰度显示电平或黑色电平设置为恰好高于接收器为最小增益时的检波器输出本底噪声。将黑色电平设置为该点确保整个接收器的最大动态范围，以及接收器在中、低增益时的输出噪声在图像上不可见。 现在，我们考虑VGA处于最大增益时的情况，如图7所示。此时，单通道SNR为大约59dBFS，如图中的单通道SNR与增益关系曲线所示。因此，64通道波束成形器的输出SNR为77dBFS。所以，最大VGA增益下的波束成形器输出噪声比VGA为最小增益时高出大约11dB。 
图7. 简化64通道超声接收器系统在最大VGA增益下的噪声分析。 在图7所示的最大VGA增益条件下，相对于正确设置的压缩曲线，检波器噪底应如图8所示。此时，高增益下接近噪底的低电平信号应调整到B模式下清晰可见的电平。值得注意的是，对于低电平已检波信号，为使其清晰可见以及增强这些低电平信号的差分灰度，调整曲线应该相当陡峭。 
图8. 检波器输出至灰度映射曲线表明了VGA为最大增益时的检波器噪声水平。 通过分析，很容易理解如果波束成形器、滤波器、检波器及灰度映射均针对较低SNR 10位接收器进行优化，有人可能认为使用高SNR接收器时必须具有较高的最大增益。使用低SNR接收器时，检波器输出噪声在较低VGA增益下比较高。因此，必须将灰度映射曲线的黑电平设置得较高，以确保该噪声在屏幕上不可见。然而，如果接收器更改为高SNR的12位接收器，最大VGA增益下的小信号将低于压缩曲线的黑色电平；表现为接收增益不足。 与使用高SNR接收器以及系统的时间增益控制(TGC)相关的另一问题是，典型的B超图像中，调节时间增益控制，使相同类型的组织在图像中从近至远具有一致的灰度。为保证一致的灰度，必要的TGC增益调节范围为50dB左右。从我们之前的分析可知，像MAX2082收发器中这样的高SNR收发器的要求增益范围仅为大约39dB。那么这种模拟增益调节范围明显不足以提供必要的TGC范围。 所以，使用高SNR接收器的系统必须采用数字增益调节技术，以提供附加的TGC增益调节范围。通常在波束成形器之后安装由软件控制的数字衰减器，以提供必要的附加调节范围。下图9所示为带有数字和模拟增益电路的系统方框图。从图中可看出如何组合使用模拟接收器VGA和数字增益调节，以提供足够的调节范围。对于较低的TGC增益，使用数字衰减器通过数字方法调节。本例中，较低的12dB调节范围是利用该技术实现的；对于超过TGC范围较低12dB的TGC增益，利用接收器中的模拟VGA实现增益调节。 
图9. 模拟接收器VGA和数字TGC增益调节组合。 结论 随着新型高SNR超声接收器的普及，用户需要确保系统的正确设计，以充分发挥改进后的技术优势。 如果选择高PGA和LNA接收器增益来补偿不正确的系统设计，将会损失这些先进接收器的SNR和LNA输入范围。用户必须确保在整个数字波束成形、滤波、检波以及调整通路上维持接收动态范围，并将信号正确地调整到灰度的显示范围。随着新一代接收机的不断改进，设计人员也必须利用数字和模拟增益调节技术相结合的方式，确保必要的TGC范围。希望本文能使读者更清晰地理解这些问题，使用户更容易充分利用新型、高SNR接收器带来的性能优势。 |
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