典型的相控陣CWD(連續(xù)波多普勒)架構(gòu)中,超聲傳感器的聚焦孔徑分成兩部分,一半的(64至128個)傳感器單元用于發(fā)送器,另一半用于接收器。作用在發(fā)射單元的信號是方波信號,典型頻率為2.0MHz至7.5MHz多普勒頻率。發(fā)射單元通過發(fā)送適當相位的信號聚焦發(fā)射波束。同樣,CWD接收信號通過對每個接收單元的信號進行相位調(diào)整、求和進行聚焦。
“波束成型”CWD接收信號是由固態(tài)組織反射的強信號(通常稱其為雜波)以及流動的血液反射回來的較弱的多普勒信號。每個相控陣接收通道輸入端的典型雜波可能高達100mVp-p,而接收機RTI的噪底只有1至2nV/。為了優(yōu)化接收性能,需要每通道的SNR達到155dBc/。
對于一個64通道的CWD接收機,考慮到求和增益,求和后的“波束成型”信號需要額外的18dB動態(tài)范圍,整體信噪比SNR的要求會達到173dBc/!更加困難的是,感興趣的低速多普勒信號的頻率會在1kHz以內(nèi)或低于雜波信號。由此可見超聲檢測設(shè)備面臨巨大的設(shè)計挑戰(zhàn)。目前,超聲系統(tǒng)大多采用模擬延時線接收器實現(xiàn)CWD信號檢測(圖1),來自超聲接收單元的輸入信號經(jīng)過緩沖、放大,低噪聲放大器提供大約20dB的增益。LNA輸出被轉(zhuǎn)換成電流信號,隨后通過交叉開關(guān)和模擬延時線進行波束成型。這種架構(gòu)很容易集成,因為他所需要的電壓-電流轉(zhuǎn)換器、模擬開關(guān)、無源延時線以及單路I/Q混頻器很容易集成。通過配置交叉開關(guān)求和,通過適當?shù)难訒r線抽頭切換信號,達到每個接收器的延時要求。
波束成型后的RFCWD信號混頻后得到基帶I、Q信號,這兩路信號經(jīng)過帶通濾波后進行數(shù)字轉(zhuǎn)換。RF至基帶的混頻處理通常是接收鏈路保證SNR的瓶頸,這個處理過程對CWD的性能影響較大,對于64通道設(shè)計示例,I、Q RF混頻器需要在處理波束成型信號時具有173dBc/(1kHz頻偏)的動態(tài)范圍。能夠達到這一指標的混頻器很難實現(xiàn),此外,本振驅(qū)動信號還必須保持極低的抖動。遺憾的是很難從市場上獲得能夠達到這樣指標的邏輯器件—雖然CWD延時線能夠滿足結(jié)構(gòu)緊湊的超聲系統(tǒng)的最低要求,因此,上述性能的局限性是亟待解決的問題。
圖1 基于CWD延時線的接收機簡化電路
為了獲得更高性能,在CWD系統(tǒng)中引入一個CWD混頻器/波束成型器,簡化框圖如圖2所示。該架構(gòu)中,每個通道都具有一個I/Q混頻器,在基帶端(而非RF端)進行波束成型求和;每路I/Q混頻器的LO相位可以調(diào)節(jié)在N (N =8至16相)個相位中的一種。LO相位的變化將改變接收信號的相位,達到波束成型的目的。
由于混頻器的實現(xiàn)基于每個通道,對每個通道混頻器的要求可以降低到155dBc/Hz (1kHz頻偏)。這一指標雖然苛刻,但利用雙極型混頻器和標準邏輯器件可以實現(xiàn)。混頻器輸出為電流,而且在基帶進行無源求和,可以滿足CWD波束成型的SNR要求。
圖2 低功耗LNA和CWD混頻器/波束成型電路能夠簡化CWD接收機設(shè)計,獲得高性能
過去,由于缺乏適當?shù)募晒に嚕茈y實現(xiàn)高性能的波束成型架構(gòu)。但目前這一問題已經(jīng)得到解決,完全集成的8通道VGA和8通道CWD I/Q混頻器以及配套的可編程LO驅(qū)動器已經(jīng)開始供貨,圖3所示給出了這類器件MAX2038接收鏈路的示圖。采用這種架構(gòu)可以使超聲系統(tǒng)達到優(yōu)異的CWD性能,不存在上述延時線CWD架構(gòu)的局限性。
圖3 簡化后的單通道超聲接收機,采用MAX2038單芯片8路I/Q混頻器和MAX2034 4路LNA,有效提高系統(tǒng)性能
構(gòu)建CWD接收器的另外一個潛在問題是LNA放大器的SNR指標,為了降低功耗、減小尺寸,許多超聲設(shè)計人員選擇了CMOSLNA,這樣的器件可能適合某些能夠控制CWD性能的應用。利用幾何尺寸低于0.35μm的CMOS工藝制作放大器時,1/f噪聲很大。這種噪聲會引起LNA增益的低頻調(diào)制。較強的RFCWD雜波通過這種LNA時將產(chǎn)生較大的低頻調(diào)制噪聲,從而降低SNR指標和CWD檢測靈敏度。因此,為了滿足高性能的應用需求,應選擇類似于MAX2034 4通道超聲LNA的雙極型低噪聲放大器。
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