90年代初期，便携式电话风行一时。跟着膝上型计算机的体积缩小，它们也被称为“背包电话”。现在，电子职业现已获得长足的开展，如今的手机能够发送电子邮件和短信，能够摄影、查询股票价格、组织会议，当然，也能够同世界上任何地方的任何人通话。同样在医疗范畴中，曾经所谓的便携式超声体系装载在手推车上，而且能够拖拽，可是实际上它们是难于拖拽的。幸而超声体系也在继续改善，而且被医师们称为“新式听诊器”。
本文将回忆经典的超声信号链路，评论不同的体系区分战略以及它们的优缺陷，而且展现这些体系区分战略在便携式超声运用中的含义。
超声信号链路
图1.典型的超声信号链路
图1所示的是超声体系的简化原理图。体系的传感器均坐落相对较长的电缆结尾，这些电缆约两米长。这些电缆包含有至少8个至256个微型同轴电缆，是体系最贵重的部件之一。几乎在每个体系中，电缆由传感器单元直接驱动。电缆的%&&&&&%成为传感器元件的负载，引起了很大的信号损耗，这对接纳端提出了灵敏度的要求，以便坚持动态规模和完结最佳体系功用。
在发射端（Tx途径），波束成形器确认了推迟形式和脉冲序列，其是专为所需的焦点而设定的。然后，驱动传感器的高压发射扩大器将波束成形器的输出扩大。这些扩大器可由数模转换器（DAC）或许高压FET开关阵列操控，将发射脉冲整形，以便较好的将能量传递到传感器单元。而在接纳端，发射/接纳（T/R）开关（一般是二极管电桥）阻挠Tx高压脉冲。在某些阵列中运用高压（HV）多路复用器/多路分离器削减发射和接纳硬件的杂乱度，可是这献身了灵敏性。
时刻增益操控（TGC）途径由一个低噪声扩大器（LNA）、一个可变增益扩大器（VGA）和一个模数转换器（ADC）构成。在操作人员的操控下，TGC途径用于在扫描过程中坚持图画的均匀性。杰出的噪声功用取决于LNA，它能够削减后边的VGA对噪声的奉献。关于获益于输入阻抗匹配的运用，有源阻抗操控能够优化噪声功用。
经过VGA将宽动态规模的输入信号紧缩，以满意ADC的输入规模要求。LNA的折算至输入端的噪声约束了可分辩的最小输入信号，而折算至输出端的噪声首要取决于VGA，它约束了特定增益操控电压下的最大瞬时动态规模。该约束是依据量化的本底噪声设定的，而量化本底噪声由ADC的分辩率决议。
抗混叠滤波器（AAF）约束了信号带宽，一起也约束了ADC之前的TGC途径中的其它噪声。
医用超声的波束成形被界说为信号的相位对准和求和，该信号由一起的源生成，可是由多元超声传感器在不同的时刻点接纳。在CWD途径中，对接纳器通道进行移相和求和，以提取共同的信息。波束成形具有两个功用：一个是向传感器指明方向，即前进其增益，另一个是界说人体内的焦点，由该焦点得到回波的方位。
关于波束成形，能够选用两种天壤之别的办法：模仿波束成形（ABF）和数字波束成形（DBF）。ABF和DBF体系之间的首要不同在于完结波束成形的办法；这两种办法都需求杰出的通道间匹配。在ABF中，运用模仿推迟线和求和。其间仅需求一个（分辩率十分高的）高速ADC。而另一方面，在DBF体系中，需求多个高速高分辩率ADC。有时候在ABF体系的ADC之前运用对数扩大器紧缩动态规模。而在DBF体系中，应尽或许挨近传感器单元来收集信号，然后将信号推迟并对其进行数字求和。在图2和3中示出了这两种类型的波束成形体系结构的简化的原理图。
图2.ABF体系的简化原理图
图3.DB
F体系的简化原理图
由于DBF愈加灵敏，因而大部分现代图画收集超声体系常选用的这种办法，可是应当留意ABF和DBF之间长处和缺陷是相对的。
DBF相关于ABF的长处：
模仿推迟线的通道之间的匹配性往往较差模仿推迟线中的推迟抽头的数目受到约束，而且有必要运用微调电路在收集数据之后，数字存储和求和是“完美的”，因而通道间的匹配也是完美的经过对FIFO中不同方位的数据求和，能够简单地构成多个波束由于存储器越来越廉价，因而能够运用容量更大的FIFO，以供给愈加精密的推迟仅经过软件即能够使体系具有不同的功用数字IC的功用以十分高的速度继续前进
DBF相关于ABF的缺陷：
需求多个高速高分辩率ADC（脉宽多普勒需求约60dB的动态规模，而这至少需求10bit的ADC）由于运用多个ADC和数字波束成形ASIC，因而功耗较高ADC的采样速率直接影响分辩率和通道间的相位推迟调理的准确度；采样速率越高，相位推迟就越精密。
体系区分战略
虽然如今体系已具有很多的先进技能，可是超声体系规划仍然是杂乱的。关于其它的杂乱体系，已具有体系区分的多种办法。在本节中将评论多种超声体系区分战略，所有这些区分战略均着眼于处理体系便携性的问题。
许多年来，制作商经过规划定制ASIC来完结杂乱的体系。该处理计划一般包含两个ASIC，其涵盖了TGC途径和Rx/Tx途径的首要部分，如图4所示。在多通道VGA、ADC和DAC广泛运用之前，这一办法是常见的。该定制电路答应规划人员参加一些廉价的、灵敏的功用。由于集成大部分的信号链路，削减了体系中运用外部元件的数目，因而该处理计划被认为是节省本钱的。可是其缺陷在于，跟着时刻的推移，光刻技能的开展使得这些ASIC显得落后，不能满意进一步减小体积和功耗的需求。ASIC具有很多的门电路，它们的数字技能不能针对集成模仿功用进行优化。而且仅有有限的供货商能够定制ASIC器材，这将导致规划者面对一个瓶颈。
图4.ASIC办法
在前面的示例中，超声体系的便携性是有局限性的，但的确是可行的。即便这样，这也是处理体系区分问题的重要的第一步。便携性不只表现在体积方面，而且也表现在电池寿数方面，由于这些电路对功耗的要求十分高。跟着四通道和八通道的TGC、ADC和DAC的呈现，体积和功耗得到进一步减小，也随之发生了处理便携性问题的新式的体系办法。这些多通道器材答应规划人员在结构体系时，将灵敏电路放置在两个或更多的电路板上。这能够减小体系体积，而且有利于在多个开发平台上重复运用该电路。可是这一办法也存在缺陷，体系体积减小也依赖于体系区分，多通道器材或许使PCB的布线极为繁琐，迫使规划人员运用通道数目较少的器材，例如从八通道ADC变为四通道ADC，而且假如体系体积较小，还会带来散热的问题。
跟着完好的TGC途径的进一步集成，如图5中所示，多通道、多元件的集成使规划变得愈加简单，这是由于它们对PCB尺度和功耗的要求进一步下降。跟着更高档的集成计划的广泛运用，能够进一步削减本钱、供货商数量、体系体积和功耗，体系散热量下降，延伸便携式单元中的电池寿数。ADI公司的AD9271超声子体系为满意紧凑性要求而规划，它选用微型的14mm×14mm×1.2mm封装，每个完好的TGC通道在40MSPS下功耗仅为150mW。AD9271运用串行I/O接口以削减引脚数目，因而使每个通道的总面积至少削减1/3，功耗至少下降25%。
图5.TGC集成
可是AD9271不或许满意每个超声体系规划人员的要求。抱负的处理计划是将更多的功用单元集成到探针中，或许使其尽或许挨近探针元件。需求留意的是：衔接探针单元的电缆会对动态规模有些不良影响，而且本钱较高。假如前端电子元件比较挨近探针，那么就能够削减影响信号灵敏度的探针损耗，答应规划人员下降体系对LNA的要求。图6中提出了一种办法，行将LNA集成到探针单元中。另一种办法是将VGA操控放在探针和电路板上的、元件之间。跟着器材的尺度不断缩小，体系也能够封装到超小型封装中。可是这种办法的缺陷在于，规划人员需求对探针进行全定制规划。换言之，探针/电子器材的定制规划将使规划人员回到AS%&&&&&%实例中存在的瓶颈，而且供货商是有限的。
图6.探针集成
总而言之，应当称誉的是，如今大部分超声体系公司将其大部分知识产权（IP）运用于探针和波束成形技能。运用多通道集成的常用器材，包含四通道和八通道ADC来完结体系，消除了对高本钱元器材的需求，而且简化了独立TGC途径的调整和优化。还应当留意，也能够考虑进一步集成超声体系的其它部分。在生产能力答应且商场导向方针恰当的前提下，这些其它信号链路部分的集成将是有利的。
超声体系的便携性趋势
许多运用都意识到超声的优异之处，因而对超声体系的便携性有很高的要求。即便在无法供给牢靠电源的长途运用中，由于添加的便携性，也能够运用这些设备。这些运用包含偏僻村庄的临床医疗、紧迫医疗服务、大型动物养殖、以及桥梁、大型机械和输油管线的查验。
超声体系能够分为三类：高端、中端和低端。高端超声体系选用最新的技能，满意商场最新的要求，而且供给最佳的图画质量。中端超声体系在不献身图画质量的前提下，一般具有高端超声体系的部分特性。而低端超声体系的体积一般较小，一般运用于临床医疗等特定运用。明显，高端超声体系是十分贵重的，而且依赖于运用和商场需求进行不同的区分。可是，便携性的趋势使许多“高端”特征降级，一般为典型的低端或便携的特征。一般来说，这一趋势跟着工业和电子职业的技能前进而开展。由于这些前进已将器材的体积、功耗和功用指标推到极限，因而日益增长的要求是将便携式设备从低端体系变为高端体系。虽然超声体系作为临床医疗和预防性保护东西，已逐步为人们所了解，可是开始，运用率仍是较低的，这是由于便携式超声体系的本钱不只包含用于收购本钱，而且也包含对新用户进行培训的本钱，可是跟着远期效益彻底超越本钱价值时，便携式超声体系将日益遍及。
定论
了解如超声体系这样的杂乱体系的细微不同需求进行多年的研讨和开发。咱们应该感谢那些开始的开发人员，是他们创始了新的范畴而且确认了研讨方向，使得顶级的电子技能能够谋福于人类。脉冲回波技能前期用于检测大型水下船体和潜艇，而且用于结构制作中的裂缝查验，超声技能的广泛运用这仅仅是一个时刻问题。
医疗和工业运用对便携式超声体系的需求日益增长。所有这些体系对紧凑性和便携性都有着相似的要求。在不久的将来，您就能够运用手机发送胎儿的扫描图画了。
