打造可攜式超音波設備　高整合訊號鏈前端扮要角

認識超音波系統架構  

在超音波系統中常用來擷取影像的方法是數位波束成形技術(Digital Beamforming, DBF)。就如同被應用在醫療超音波上，波束成形技術被定義做為訊號相位的對準與加總，這些訊號是由一個共用訊號源產生，但透過一個多元件超音波轉能器(Transducer)在不同次數下所接收到的訊號。將十六至三十二(或更多)個陣列接收器通道的相位偏移一起累加後，萃取出一致性的資訊，這讓波束成形技術擁有了兩項功能。第一項功能是為轉能器提供定向性，可強化其增益；第二項功能則由源自回波的所在位置定義體內的焦點。在最簡單的狀態下，DBF系統方塊圖的樣子就像如圖1所示，每個感測器元件的輸出經過放大、轉換到數位，然後依序排列。最後，將多重通道在空間累加而產生一幅影像。

圖1　典型DBF系統的簡化方塊圖

早期的類比波束成形系統(ABF)使用不同的延遲線路，並在轉換前進行類比累加。而DBF架構通道之間的匹配特性越來越好也更具彈性，因此明顯優於ABF。當系統採集到訊號時，就會將訊號數位化，因而可以完成波束控制和相關訊號累加以提高訊號品質。它的數位引擎與超音波感測器越接近，就越能精細地調整，達到類比系統中的精確度。不過，DBF雖然是當今最普遍使用的架構，但仍然存在一些重大的挑戰須要克服，例如大量通道所引起的高功耗問題，以及因為採集與產生精確訊號所需的元件數量龐雜而造成尺寸較大的問題。  

直到目前為止，大部分DBF系統仍是由許多元件組立而成，採用分離式解決方案與多顆IC的方式。接收(Rx)訊號鏈主要包含一顆功能做為前置放大器的低雜訊放大器(LNA)，一顆當作時間增益放大器的可變增益放大器(VGA)--藉由身體組織當作時間函數(如同深處代理物)用以補償回返訊號的衰減。還有一顆抗鋸齒濾波器(AAF)以及一顆類比數位轉換器(ADC)。在常見的數位波束成形架構中須要用到好幾分這些元件。只要通道雜訊是隨機或非關聯性的，增加通道數可提升動態範圍。在高階系統中，六十四至二百五十六個通道範圍很常見，不過十六至六十四個通道範圍更常見於可攜式的中低階超音波系統內。  

推出可攜式系統有其必要  

許多要求嚴格的應用會因為輕便超小型可攜設備提供了即時掃描功能而獲得許多好處。最明顯的例子是，現場急診醫療服務(EMS)的醫護人員將會更快地接觸到病人，並且能夠事先提供檢測結果。如果路途遙遠，醫生在急救室(ER)等候病人的同時還可進行遠端診斷。普通醫生在例行辦公室問診期間則可以對病人做超音波掃描以當作檢查的一部分，毋需專家幫助。提高便攜性亦可以為無穩定電力的偏遠地區和農村提供更多因使用這些裝置而提升醫療服務的機會。  

另一方面，獸醫若使用攜帶型超音波診斷設備，對於現場診斷大型動物或寵物非常有用，同時也可用於專門從事食品產品的大農場中的豬牛繁殖。  

超音波應用於非破壞性測試與預防維護，也是一塊日益成長的市場。舉例來說，可配置更多的超音波系統檢查橋樑大樑、工業設備軸承和油管，從而降低檢查成本並且減少關鍵時刻對昂貴設備的依賴。它也可以用來開發更有效的預防性維護專案。便攜性應用於該領域，對在問題發生之前找出潛在災害問題非常重要。 採用可攜式超音波系統當然也必須承擔成本，不僅要提供用於診斷、掃描和分析的新設備，還須要培訓。但是與許多這類案子所得到的豐厚收益相比，這些成本實在微不足道。  

高整合元件實現小型化  

以亞德諾(ADI)所開發的AD9271為例，即是為了滿足小型化需求而專門設計的基本子系統。AD9271微型的封裝尺寸僅14毫米×14毫米×1.2毫米，整合了全部所需的訊號鏈區塊，擁有八個資料通道，並大幅降低板面積與功耗。  

與分離式解決方案相比，AD9271每通道總面積減小超過三分之一，降低功耗超過25%，在40MSPS時每通道僅消耗150mW。該元件還可以透過序列埠介面提供主控端自訂選項，因此可以根據應用進一步達到最佳化的功耗和配置(圖2)。

圖2　AD9271工作原理方塊圖

AD9271內含八通道訊號鏈，每個通道包含LNA、VGA、AAF以及ADC。該接收鏈路通常用於處理脈衝波模式中的回返脈衝：B模式掃描應用於灰階圖像，F模式則用在B模式顯示上的彩色重疊，表示血液流動。在脈衝波模式下，轉能器在訊號的發送和接收端之間交替變化以便產生週期性更新的二維圖像。  

另外一種常見的成像方式是連續波(CW)都普勒(Doppler)模式或稱D模式，用來顯示血液流動的速度和頻率。顧名思義，影像是由連續地產生訊號得來，此處有一半的轉能器通道在傳送，另一半在接收。  

雖然CW具有精確測量高速血液流動的優勢，但無法測量傳統脈衝波系統中的深度和滲透度。由於每種方法都有其自身的優勢和局限性，因此現代超音波診斷系統通常會根據應用的種類，同時使用這兩種方式。  

值得注意的是，某些元件如AD9271可允許用戶透過一個整合交叉點開關按照CW都普勒模式來操作。該交叉點開關允許把具有相同相位的通道相關地累加成相位對齊和累加的組。  

此外，還可支援低階系統的延遲線，並且支援具有可設置相位調整的正交解調器如AD8339以達到最佳性能。為了提高圖像解析度，具可設置相位調整的正交解調器可以對相位對齊和累加精細調整，並易於外部連接，允許用戶為需要極大動態範圍的訊號整合更多必需的訊號鏈路。  

了解動態範圍和雜訊要求  

當訊號穿過身體時訊號會衰減大約是1 dB/cm/MHz。如果使用8MHz探棒並且穿透4cm深度(考慮發送與回返衰減)，從體內組織的訊號振幅變化將會比從皮膚表面反射回的訊號振幅變化少了64dB(或4×2×8)。如果增加50dB的圖像解析度，並且考慮來自骨頭、電纜和其他失配損耗，要求的動態範圍則接近119dB。為了更加直觀地理解這一點，得出10MHz頻寬內具有1.4nV/√Hz本底雜訊的0.333Vp-p全刻度(FS)訊號需要88dB的輸入動態範圍。  

附加動態範圍可以藉使用多重通道[10×log(N通道)]，例如一百二十八個通道可將動態範圍增加21dB，進而把動態範圍實際限制在100～120dB之間。  

可達到的動態範圍受到前端元件的限制。由於各個時刻並不是都需要整個動態範圍，因此可以使用具有較小動態範圍的ADC，透過掃描VGA的增益對接收到的隨時間衰減的反射訊號進行匹配。一般將這種時間增益補償稱作TGA。LNA用於設置映射到ADC的等效動態範圍。以AD9271為例，其在10MHz頻寬內具有88dB的等效動態範圍(158dB/√Hz)，以處理來自被掃描組織的極微弱訊號和大幅度訊號(回聲)，如圖3所示。LNA的全刻度範圍應該足夠大，因此不會在近現場訊號和具有較低本底雜訊的較大動態範圍之間飽和。

圖3　TGC對12位元ADC的增益要求

因為要減小雜訊幅度須要增大功率，所以攜帶型應用基於功率限制考量必須做一些折衷。雖然AD9271的88dB動態範圍優於其他解決方案，但其動態範圍仍然小於大功率VGA，例如AD8332折合到輸入端的雜訊為0.72nV/√Hz，如表1所示。

表1　現有解決方案的比較
產品	LNA輸入範圍	LNA輸入雜訊	總通道輸入雜訊 (不包括ADC)	通道的輸入動態範圍 (@ 10MHz Bw)
AD8332	550mVpp	0.74nV/ √Hz	0.82nV/ √Hz	97dB
AD8335	625mVpp	1.2nV/ √Hz	1.3nV/ √Hz	95dB
其他解決方案 #1	110mVpp	1.2nV/ √Hz	～１.5nV/ √Hz	80dB
其他解決方案 #2	200mVpp	1.0nV/ √Hz	～1.3nV/ √Hz	83dB
AD9271	400mVpp	1.4nV/ √Hz	1.65nV/ √Hz	89dB
	333mVpp	1.2nV/ √Hz	1.44nV/ √Hz	88dB
	250mVpp	1.1nV/ √Hz	1.31nV/ √Hz	87dB

由表格內的介紹可以得知，AD8332是具有最小的折合輸入端雜訊和最高的輸入動態範圍的解決方案，但是沒有一家廠商的做法是完美無缺的。雖然在目前所有的解決方案中，數位處理已經是一項重要的特性，但對每一家超音波系統製造商而言，特定的執行方式與元件的選擇都是獨門工夫。  

攜帶型應用勢不可擋  

無論是醫學應用還是工業應用，攜帶型超音波診斷均呈現增長趨勢。所有的系統為了應用到偏遠地區，減小尺寸與提高可攜性就成了共通的要求。而諸如AD9271的元件，是透過兼備脈衝波和連續波兩種工作模式都普勒系統的八通道接收訊號鏈路，並採用微型IC封裝，所以很容易符合便攜性的考量。  

(本文作者任職於亞德諾)