讯号路径设计讲座(5)模拟/数字转换器的神奇妙用

高速模拟/数字转换器 (High speed ADC) 通常是模拟前端电路系统里最基本的组成组件。由于模拟/数字元转换器的性能决定系统的整体效能表现，因此系统制造商往往将模拟/数字转换器视为最重要的组件。本文将详细介绍超音波系统前端的运作原理，并特别讨论模拟/数字转换器在其中所发挥的作用。

在设计超音波系统的前端电路时，制造商必须审慎考虑几项重要因素，以便进行适当的取舍。医务人员能否作出正确的诊断，乃取决于模拟电路在这个过程当中关键性的作用。

模拟电路的表现则取决于许多不同的参数，其中包括通道之间的串音干扰、无杂散讯号动态范围 (SFDR) 以及总谐波失真。因此制造商在决定选用何种模拟电路之前，必须详细考虑这些参数。

以模拟/数字转换器为例来说，如果加设串行 LVDS 驱动器等先进电路，便可缩小电路板，以及抑制电磁波等噪声的干扰，有助于进一步改善系统的设计。微型化、高效能及功能齐备的超音波系统产品的制造，造成市场上持续要求生产低耗电模拟IC，使其具备与放大器、模拟/数字转换器和小封装的更佳整合。

系统概述

超音波影像系统是目前最常用而又最精密的讯号处理仪器，可协助医务人员作出正确诊断。在超音波系统的前端，采用极度精密的模拟讯号处理电路，像是模拟/数字转换器及低噪声放大器(LNA)等，而这些模拟电路的表现是决定系统效能的关键因素。

超音波设备非常接近于雷达或声纳系统，只不过是在不同的频率带（范围）中操作。 雷达操作于GHz（千兆赫）的范围中，声纳在kHz（千赫）的范围内，而超音波系统则在MHz（兆赫）范围内操作。 这些设备的原理几乎与商业和军用航空器所用的－数组天线雷达系统操作模式相同。雷达系统的设计者是使用相控操纵波束形成器数组为原理，这些原理后来也被超音波系统设计者采用并加以改进。

图1显示一个超音波系统的简图。 在所有超音波系统仪器中，都有一个多元转换器在相对较长的电缆（大约2公尺）的末端。电缆内含高达 256 条微型同轴电缆，是超音波系统内最昂贵的组件之一。超音波系统一般会配备多个不同的转换器探头，让负责操作的医务人员可以依扫描影像的现场需求来选择适用的转换器。
　
 
图1：结构图。

影像的产生

扫描过程的第一步，每一个转换器负责产生脉冲讯号，并将讯号传送出去。传送出去的脉冲讯号以高频率的声波形式穿过人体组织，声波的传送速度一般介于1至20MHz之间。这些脉冲讯号开始在人体内进行定时和定标侦测。当讯号穿越身体的组织时，其中部分声波会反射回转换器模块，并由转换器负责侦测这些回波的电位（转换器将讯号传送出去之后，会立即进行切换，改用接收模式）。回波讯号的强度取决于回波讯号反射点在人体内的位置。直接从皮下组织反射回来的讯号一般都极强，而从人体内深入部位反射回来的讯号则极微弱。

由于健康安全相关法律对人体可以承受的最大辐射量有所规定，因此工程师设计的电子接收系统必须极为灵敏。接近于人体表皮的病症区，我们称之为近场 (near field)，被反射回来的能量是高的。 但是如果病症区在人体内的深处部位，称之为远场 (far field)，接收到的回波将极为微弱，因此必须被放大为1000倍或以上。
 
在远场影像的模式时，其效能限制来自于接收链路中存在的所有噪声。转换器/电缆组件以及接收系统的低噪声放大器是两个最大的外来噪声源。 而近场影像模式下，效能限制则是来自于输入讯号的大小。 这两种讯号之间的比率决定了超音波仪器的动态范围。

通过一系列接收器的时相转换、振幅调整以及智能型累计回波能量等过程，既可以获得高清晰度的影像。利用转换器数组的时移与调整接收讯号振幅的原理可以使设备具有定点观测扫描部位的功能。经过序列化的不同部位定位观测，超音波仪器即可建立一个组合影像。

数字聚波可以完成讯号的组合处理。在数字聚波中，经由身体内某一点反射回来的回波脉冲讯号会在每一信道内先储存起来，然后按照其先后次序排列一起，并将之固定成为同调讯号，然后聚集起来。这种将多个模拟/数字转换器的输出聚集一起的处理方法可以提高增益，因为信道内的噪声是互不相关的。（备注：模拟聚波技术基本已经成为过时的方法，现代所采用的大部分为数字聚波）。影像的形成，是于最接近转换器系统的仿真层取样，将其存储起来，再以数字化把它们聚集在一起而成。

DBF 系统需要精确的信道与信道匹配。两信道均需要VGA（视频图形数组），这种情况将会持续，直到模拟/数字转换器设备足够应付大的动态范围，并可以提供合理的成本和低耗电量。

超音波影像模式

1. 灰度影像 -- 产生基本的黑白图像

影像将被辨析成1毫米那么小的单位，呈现的影像是由发射能量以及检测那些返回的能量而成 (如先前所述)。

2. 多普勒影像(Doppler)-- 多普勒模式 (Doppler mode) 是通过跟踪回波的频率偏移来探测物体在各种环境中运动的速度。这些原理被应用在检查体内血液或者其它液体在体内流动的情形。这种技术是透过发射一连串声波进入体内，然后对反射波进行快速傅利叶转换(Fourier Transform, FFT)处理。这种计算处理方法即可确定来自人体的讯号频率分量，以及它们与流体速度的关系。

3.静脉和动脉模式 -- 这种方式是将多普勒影像与灰度模式的联合应用。通过处理多普勒位移产生的音效讯号即可获得速率与节律。