相控阵接收机

    典型的超声接收机具有32～256个接收通道，输出经过适当的延迟，在数字波束成型器相加后产生复合波束成型信号。图1给出了由LNA、VGA、抗混叠滤波器和ADC组成的单通道典型结构。接收期间超声信号在起始位置非常大，由于声音能量在人体内部传输的衰减效应(往返大约1.4dB/cm-MHz)，信号幅度将随时间快速衰减。假设接收通道带宽为20MHz，为了在整个接收期间充分利用多普勒信号，需要转换器具有约110dB的动态范围。这一要求大大超出了实际ADC转换器的动态范围。因此，在接收期间，接收机增益需要动态增加以补偿接收信号的衰减，通过VGA将信号调整到ADC的输入动态范围内。为了将接收信号转换到12位ADC的70dB动态范围内，要求VGA具有大约40dB的增益范围。通常选择具有50MHz采样率的12位ADC。

脉冲多普勒

    为了理解脉冲多普勒应用中如何确定ADC的SNR，有必要了解脉冲多普勒信号的频率特性以及典型相控阵超声接收机对信号的处理过程。以典型的2.0MHz脉冲多普勒发送信号为例，脉冲重复频率(PRF)为10kHz，如图2所示。

    该信号的频谱如图3所示，由等间隔的PRF频率分量组成，采用经典的(sine(X))/X分布。

    接收到的脉冲多普勒信号与发射信号具有相同的基频特性，是发送信号的反射波。该信号的滤波受两方面的影响：一方面是传感器的带宽限制，另一方面是人体内部频率的衰减特性。接收到的完整的PW多普勒频谱(如图4所示)以其中心发射频率为中心。本例的接收频谱中较强的频谱分量来自体内固态组织的反射，通常将其看作干扰信号" title="干扰信号">干扰信号。RF系统设计人员往往将这些不需要的大信号称为“阻塞产物”。
    图4中所需要的多普勒信号非常弱，位于这些干扰信号中间，它们是体内移动物(通常是血液)的反射信号。如果接收信号来自主动脉血管，干扰信号将非常小，此时的信号以较弱的多普勒信号为主。如果接收信号来自肾脏或甲状腺区域比较细的血管，固态组织的反射干扰信号将远远高于血液的多普勒反射信号。

    在强干扰" title="强干扰">强干扰信号下，要求具有足够的SNR以保证系统能够同时通过强干扰信号和多普勒检测信号。问题的关键是需要考虑多普勒信号与这些强干扰信号的频率偏差。图4中每个多普勒信号的?驻f可由多普勒方程式：?驻f=(2×fo×V×cos(θ)/c)给出。其中fo为发射频率，V为速度，θ是速度相对于传感器发射波束的对应角度，c是体内声音的传输速度或1 560m/s。
    图3所示PW多普勒发射信号实际由多个信号或者是以PRF为间隔的频谱分量组成。由多普勒公式可知，每个发射频谱的分量将根据移动物体的反射产生其自身的多普勒偏移。例如，发射频谱分量fo=2.000MHz时，速率为1m/s的移动物将产生2.654kHz的多普勒频偏。对于速率为1m/s的移动物，在fo+1×PRF=2.010MHz频率处将产生2.577kHz的多普勒频偏，依此类推。人体内存在多种对医学诊断有用的不同速度的移动物，速度通常低于1m/s。因此，多普勒信号往往位于1kHz以内或低于强干扰信号的频率。
    典型的超声接收机将图4接收到的RF波束成型信号通过复杂的数字混频器进行数字混频，并随后以PRF重新采样。重新采样可有效地将不同频谱分量的接收信号以及相应的多普勒频谱合成为一个基带“音频”多普勒信号，如图5所示。即使检测信号的速度相同，每个参与合成的多普勒信号的?驻f也不同，因此，图中的合成多普勒信号存在频谱扩散或不确定的速度。
    这一最终信号即为基带多普勒音频信号，用于多普勒频谱显示或彩超流体处理。

近载波SNR

    由于多普勒信号往往在强干扰信号附近的几百赫兹内，因此，有必要对靠近这些强载波信号的ADC SNR进行优化。ADC中靠近载波频率的噪声会使强干扰信号附近的SNR明显下降，从而降低多普勒检测性能。近载波噪声可定义为低频噪声源调制ADC信号时产生的没有用的噪声边带信号。低频噪声可来自多种噪声源，如电源噪声、几何对称的CMOS放大器中的1/f噪声、低频采样时钟抖动、基准电源噪声等。这类噪声对接收多普勒信号SNR产生影响，噪声达到一定程度时会完全淹没有用信号，无法检测信号。
    需要注意的是：ADC能够在具有非常差的近载波SNR的同时在奈奎斯特频带内保持优异的SNR指标。资料中发布的SNR指标一般是接近满量程的输入信号与噪声(包括除基波、前五次谐波与直流失调以外的奈奎斯特频谱成份)的RMS之比。由低频调制引起的近载波噪声通常在载频的10kHz以内。该噪声与整个奈奎斯特频带（大约25MHz）内的其他ADC噪声不相关。因此，12位ADC可以在整个奈奎斯特频带具有70dB的SNR指标，但用于此类设计时仍然会有较差的性能指标。设计人员需要考虑在1kHz或低于1kHz的ADC SNR（单位为dBc/Hz）条件下，测试满量程载波输入时ADC的性能指标。

ADC基准噪声和近载波SNR

    如上所述，很多潜在的噪声源会对ADC信号进行低频调制。最显著的噪声源可能是ADC的基准噪声。ADC基准电压直接影响ADC的转换增益，基准源的变化将直接调制有用信号。因此，有必要仔细研究ADC基准的架构，并了解其对ADC近载波噪声和SNR的影响。

内部ADC基准

    一些超声系统设计人员倾向于采用内部ADC基准，因为每个ADC的带内接收噪声不相干，不会叠加到超声波束成型器的相干检测电路中。但是，内部ADC基准在低频处具有很大噪声，将会产生较大的近载波噪声。低频基准噪声几乎不可能采用多数ADC架构中的外部旁路电容滤除。ADC的REFP和REFN引脚(有时也用REFT和REFB表示)外部一般连接较大的滤波电容，但对这些噪声的频率不起作用。因为这些信号通常是由内部ADC放大器产生的，具有非常低的输出阻抗。值得注意的是，不同通道的内部基准的精度和增益并不完全匹配。相控阵超声接收机设计要求增益匹配度在几十分之一dB内，并且要求内部基准的误差保持在±5%或±0.42dB以内。

外部ADC基准

    从增益匹配的角度看，最好采用一个外部基准，但会在ADC的所有通道产生相干基准噪声，从而叠加到超声波束成型中的相干检测电路中，并且，无论波束成型电路如何聚焦，低频近载波噪声都会增大相干检测的干扰。即使可以设计出超低噪声的外部基准，ADC仍然会面临近载波噪声的干扰问题。
    很多ADC中，用于缓冲基准输入电压的基准放大器通常采用小尺寸的CMOS工艺制造，这会引入显著的1/f噪声，如上文所述，这种噪声很难通过外部滤波电容滤除。一些ADC架构允许用户直接在REFP和REFN端连接外部电压、旁路内部放大器，但这仍然不能解决问题。
    很多外部REFP和REFN输入具有极低的输入阻抗和较小的共模输入容限，很难采用超低噪声基准电压驱动。虽然可以使用外部基准，但大多数方案需要较多的外部元件，明显增加了设计成本和空间。
    八通道ADC，例如Maxim的MAX1434、MAX1436、MAX1437以及MAX1438，针对解决脉冲多普勒应用的近载波噪声问题而设计。这些专有的ADC架构允许用户简单地采用10uF电容旁路对REFP和REFN电源进行有效滤波。
    图6给出了MAX1437的单边带噪声(单位dBFS/Hz)与频率的关系曲线，采用内部基准，3MHz载波。该图还给出了没有采用Maxim低频基准滤波器的12位ADC的噪声频谱。在多普勒频带内，脉冲多普勒SNR指标能够提高4dB～8dB。此外，Maxim的ADC架构还允许使用外部基准，获得优异的通道间增益匹配。