專利名稱：帶有△∑反饋控制的成束超聲成像器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及超聲成像，較具體地涉及超聲成像信號(hào)的△∑調(diào)制。
Ⅰ．背景許多相干陣列系統(tǒng)(聲學(xué)的或電磁的)都利用某種形式的動(dòng)態(tài)聚焦來產(chǎn)生具有衍射極限分辨率的圖像。其例子有超聲、聲納、和雷達(dá)系統(tǒng)。本公開的以下部分將主要集中于超聲相干陣列成像系統(tǒng)，但其原理也可應(yīng)用于聲納、雷達(dá)或其他相干陣列成像系統(tǒng)。
目前的醫(yī)用超聲系統(tǒng)通過發(fā)射振動(dòng)脈沖及其后對(duì)反射能量的接收和處理來產(chǎn)生人體內(nèi)軟組織的圖像。對(duì)于每次發(fā)射，發(fā)射的振動(dòng)脈沖往往限于一個(gè)沿著特定導(dǎo)向角方向的單個(gè)焦點(diǎn)。反之，反射信號(hào)是被連續(xù)記錄的，接收時(shí)可進(jìn)行陣列再聚焦。動(dòng)態(tài)接收聚焦是這樣完成的在對(duì)所有單元上的RF(射頻)信號(hào)相加之前改變各個(gè)通道的時(shí)間(距離)延遲以形成接收束。
最新技術(shù)的完整超聲成像系統(tǒng)使用了大量專用集成電路(ASIC)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、微控制器(μC)、緩存器等等，它們被總成在一組由一個(gè)改型通信總線(通常是VME總線)連接的印刷電路板上。

圖1一般地示出了各個(gè)處理單元的方框圖，這些處理單元提供了現(xiàn)今醫(yī)生能從高質(zhì)量超聲成像器期望到的大范圍的功能。本公開首先注重將是前端處理器，或更具體地是成束器。已經(jīng)存在許多關(guān)于各種不同成束體系和各種例如多普勒和顏色流處理器等下游處理單元的實(shí)現(xiàn)方法的技術(shù)。
最新技術(shù)系統(tǒng)采用了類似圖2所示的成束方案，其中每個(gè)通道上的一個(gè)高速多位模數(shù)轉(zhuǎn)換對(duì)輸入的超聲信號(hào)進(jìn)行采樣。然后，這些采樣樣本在被一組管道式數(shù)字加法器相加之前被幾種方法中的一種方法延時(shí)。延時(shí)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償了通道相對(duì)于所需接收焦點(diǎn)的幾何位置。當(dāng)對(duì)陣列求和時(shí)，恰當(dāng)延時(shí)后的各個(gè)信號(hào)將產(chǎn)生相干干涉。不過，當(dāng)發(fā)射脈沖進(jìn)入到組織中時(shí)這些延時(shí)必需要改變。要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)地改變延時(shí)量是困難的。但存在著大量體現(xiàn)了各種使用至今的方法的以往技術(shù)。較早的系統(tǒng)(約1980年以前)采用模擬延時(shí)及求和，這存在著對(duì)像質(zhì)有不利影響的信噪比問題和溫度漂移問題。雖然目前的全數(shù)字系統(tǒng)大為改善了像質(zhì)，但所需的成束硬件和處理硬件有數(shù)量多、昂貴和功耗大等問題。
本發(fā)明提出的系統(tǒng)利用過采樣△∑調(diào)制和對(duì)接收?qǐng)D像成束的動(dòng)態(tài)延時(shí)，解決了上述這些問題?！鳌普{(diào)制器中的反饋控制或數(shù)字輸出的重新編碼減少了動(dòng)態(tài)延時(shí)改變所導(dǎo)致的失真。
借助于預(yù)調(diào)制，本發(fā)明的基本過采樣方法得到了進(jìn)一步改進(jìn)，使帶寬可以與量化聲有效地平衡。而且還包含了多級(jí)的成束，使得可以有效地使用二維陣列。一個(gè)延時(shí)級(jí)用于豎向成束，另一個(gè)延時(shí)級(jí)用于水平(方位)成束。最后，利用已有的接收調(diào)相電路首次能實(shí)現(xiàn)了正確的發(fā)射調(diào)相，從而減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性的功耗。
Ⅱ．本發(fā)明的概述為補(bǔ)償成像系統(tǒng)的△∑調(diào)制器中動(dòng)態(tài)延時(shí)信號(hào)流的失真，提供了一種設(shè)備和方法。該方法包括兩個(gè)步驟改變△∑調(diào)制器正在產(chǎn)生的比特流的一部分的長(zhǎng)度，以及調(diào)節(jié)△∑處理器的反饋大小或?qū)λ幚淼臄?shù)字信號(hào)樣本重新編碼以補(bǔ)償變化了的延時(shí)量。
首先通過描述過采樣接收成束器的部件和操作來給出該系統(tǒng)的全貌。還將簡(jiǎn)單地討論將這些部件用于發(fā)射目的。將詳細(xì)地討論關(guān)于△∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A／D)及其在系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。還將給出改進(jìn)其性能的方法。還將說明該系統(tǒng)的一些其他重要細(xì)節(jié)，例如，對(duì)陣列消旁瓣，對(duì)樣本流延時(shí)和執(zhí)行必要的算法等的方法。
本節(jié)將重復(fù)參考圖3，該圖示出了所提議成束器的一種系統(tǒng)級(jí)的方案。這里將給出發(fā)射操作和接收操作的一般討論。以下兩節(jié)中將把該討論擴(kuò)展到對(duì)每個(gè)功能元件的詳細(xì)說明。作為例子，我們假定有源傳感器是一個(gè)64×8單元的1．5維陣列，它依次地沿著水平方向步進(jìn)，總共跨越一個(gè)192×8單元的陣列，由此掃出一個(gè)線性扇區(qū)(對(duì)于平面陣列)或一個(gè)偏置扇區(qū)(對(duì)于彎曲陣列)請(qǐng)注意，對(duì)這一系統(tǒng)給出的具體策略可以容易地修改得能適合于任意陣列布局。
在整個(gè)本公開的討論中，都存在著易于修改的特例。例如，陣列中豎向單元的數(shù)目是可改變的，可以不用8個(gè)單元而用7個(gè)單元。以下是系統(tǒng)參數(shù)的一個(gè)清單，應(yīng)該認(rèn)為這些參數(shù)都是可變的；陣列幾何布局和構(gòu)形一影響掃描模態(tài)和正確成束所需的延時(shí)量。
發(fā)射樣本率一影響發(fā)射信號(hào)的信號(hào)／量化噪聲比(SQNR)和模式存儲(chǔ)器的大小及數(shù)據(jù)路徑的帶寬要求。
接收樣本率一影響△∑調(diào)制器所設(shè)定的數(shù)字信號(hào)的SQNR。還影響鐘頻和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)路徑帶寬。
并行／串行和串行／并行轉(zhuǎn)換電路系統(tǒng)中到處使用的電路，用于改變鐘頻和數(shù)據(jù)的比特寬度。所有這種電路都能制作成能為并行／串行轉(zhuǎn)換和串行／并行轉(zhuǎn)換提供不同的鐘頻比。
△∑調(diào)制器階數(shù)一影響數(shù)字化信號(hào)的SQNR。調(diào)制器的階數(shù)愈高則聲整形愈好，但涉及的電路愈復(fù)雜。
△∑量化器比特?cái)?shù)一影響數(shù)字化信號(hào)的SQNR和調(diào)制的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)路徑帶寬也與它有關(guān)。
所有這些項(xiàng)都將結(jié)合所考慮的一個(gè)特定實(shí)施例討論，不過根據(jù)設(shè)計(jì)中的折衷權(quán)衡考慮，它們?nèi)际强筛淖兊摹?br> Ⅱ．1發(fā)射成束器(Tx)產(chǎn)生一個(gè)超聲發(fā)射(Tx)束要求發(fā)射脈沖波形經(jīng)適當(dāng)?shù)匮訒r(shí)后去驅(qū)動(dòng)一個(gè)1．5維陣列中的每個(gè)傳感器單元。在我們的系統(tǒng)中，波形被存儲(chǔ)在被整個(gè)系統(tǒng)共用的一個(gè)發(fā)射模式存儲(chǔ)器中。脈沖波形用一種工作于320MHz的名義采樣率下的二級(jí)雙電平△∑數(shù)字化方案編碼，其中每個(gè)樣本的數(shù)據(jù)可以僅用1個(gè)比特來代表(和存儲(chǔ))。從存儲(chǔ)器讀出數(shù)據(jù)的方式是以1／16的Tx的采樣率每次從存儲(chǔ)讀出幾個(gè)樣本(例如16個(gè)樣本)，然后這些數(shù)據(jù)被輸送給一個(gè)641分裂器，經(jīng)緩存后提供給64個(gè)不同的數(shù)字延時(shí)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)以1／16采樣率被移位到延時(shí)結(jié)構(gòu)中。每個(gè)水平通道延時(shí)結(jié)構(gòu)都有一個(gè)獨(dú)立的設(shè)置，命名得可以對(duì)發(fā)射波形施加4096種不同的延時(shí)量，這些延時(shí)例如用于水平導(dǎo)向和聚焦。由于把輸入的分流位置改變一個(gè)樣本實(shí)際上將使發(fā)射延時(shí)改變16個(gè)1比特的樣本，所以延時(shí)量的改變單位是Tx采樣周期16倍。
在對(duì)64個(gè)水平通道進(jìn)行延時(shí)后，對(duì)每個(gè)豎直通道(即總共512個(gè)通道)把發(fā)射數(shù)據(jù)分裂和緩存到8個(gè)不同的數(shù)據(jù)延時(shí)結(jié)構(gòu)中。這第二組數(shù)字移位寄存器和并行／串行轉(zhuǎn)換(PS)電路實(shí)現(xiàn)第二次延時(shí)。這里由PS提供的延時(shí)單位等于采樣周期。對(duì)512個(gè)通道所施加的獨(dú)立延時(shí)將實(shí)現(xiàn)發(fā)射焦點(diǎn)在空間上是固定的，所以兩組延時(shí)也是固定的。
每個(gè)通道經(jīng)適當(dāng)延時(shí)的發(fā)射數(shù)據(jù)被從二值的1比特?cái)?shù)字表示轉(zhuǎn)換成一個(gè)模擬電壓。然后用一個(gè)比較簡(jiǎn)單的FIR濾波結(jié)構(gòu)對(duì)該模擬信號(hào)進(jìn)行低通濾波，以減小△∑調(diào)制噪聲。還對(duì)每個(gè)通道的模擬信號(hào)進(jìn)行了三比特(8級(jí))的除旁瓣乘法。然后該模擬信號(hào)被一個(gè)差動(dòng)高壓功率放大器放大，以高達(dá)±66V的電壓去驅(qū)動(dòng)傳感器單元。由發(fā)射／接收(T／R)模擬開關(guān)和水平模擬轉(zhuǎn)換把功率放大器連接到適當(dāng)?shù)膫鞲衅麝嚵袉卧稀?br> Ⅱ．2接收成束器(Rx)發(fā)射了發(fā)射脈沖之后，每個(gè)通道上的T／R開關(guān)將把接收電路轉(zhuǎn)接到傳感器陣列單元上。512個(gè)通道的每個(gè)通道都使接收到的信號(hào)通過低噪聲放大器(LNA)和時(shí)間增益補(bǔ)償(TGC)放大器。TGC放大器的增益是可變的，用于補(bǔ)償作為組織深度的函數(shù)的超聲信號(hào)的指數(shù)衰減。接著利用一個(gè)工作于320MHz采樣率的預(yù)調(diào)制3階△∑調(diào)制器使放大的信號(hào)數(shù)字化。后面將詳細(xì)討論這個(gè)調(diào)制器單元。不過簡(jiǎn)單地說，它的輸入是模擬信號(hào)，它的輸出是一個(gè)單比特(±1)的△∑調(diào)制數(shù)字信號(hào)。與調(diào)制器輸入端連在一起的接收除旁瓣器在通道切斷時(shí)(以滿足最小F／數(shù)準(zhǔn)則)將給出零輸入，否則將讓預(yù)調(diào)制的IF(中頻)信號(hào)通到△∑數(shù)字化器上。數(shù)字化器的單比特輸出可以從320MHz的信號(hào)轉(zhuǎn)換成例如一個(gè)20MHz并行16位字(116的串／并轉(zhuǎn)換SP)。對(duì)于這種減小了鐘頻的延時(shí)線，需要在延時(shí)電路之外還加上一些額外電路，以達(dá)到所需的1／32波長(zhǎng)延時(shí)分辨率。
△∑調(diào)制器／除旁瓣器后面的數(shù)字延時(shí)線被設(shè)計(jì)得能接受任選的串／并轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的字寬和鐘頻。這些延時(shí)線結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行如下類型的延時(shí)，所有這些延時(shí)都是可累加的1)對(duì)(超)聲束上每個(gè)點(diǎn)的豎向聚焦的動(dòng)態(tài)延時(shí)；2)對(duì)聲束豎向?qū)虻撵o態(tài)延時(shí)；3)對(duì)聲束上每個(gè)點(diǎn)的水平向聚焦的動(dòng)態(tài)延時(shí)；4)用于水平束導(dǎo)向細(xì)調(diào)的小量靜態(tài)延時(shí)。
后面將對(duì)本系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)即改變延時(shí)量的方法進(jìn)行較多篇幅的討論。目前只需假定動(dòng)態(tài)延時(shí)線正確地?cái)U(kuò)大了樣本流的長(zhǎng)度，使得第1和第3類延時(shí)能根據(jù)距離來施加，第2和第4類延時(shí)是固定的預(yù)設(shè)。與延時(shí)線相關(guān)聯(lián)的控制電路含有一個(gè)能計(jì)算何時(shí)應(yīng)改變延時(shí)以同時(shí)保持豎向和水平向的聚焦(后面將有更多的討論)。一旦接收信號(hào)被延時(shí)，將對(duì)8個(gè)豎向單元進(jìn)行求和。如果SP轉(zhuǎn)換增大了延時(shí)線的比特寬度，則可能同時(shí)發(fā)生幾個(gè)8輸入的求和。由于高的采樣率和大的輸入個(gè)數(shù)，每個(gè)求和可能以管道式并行方式實(shí)行?？梢杂妹總€(gè)求和的5比特輸出輸送給濾波器和取舍電路，以1／4至1／16的接收采樣率(例如20MHz)產(chǎn)生一個(gè)13至20比特的輸出。后面將討論濾波和取舍，不過可以指出，加入這一級(jí)的原因是減小所有后續(xù)級(jí)的鐘頻。減小鐘頻既可減少延時(shí)級(jí)數(shù)又可減少每一級(jí)的功耗，結(jié)果使總功耗平方地減少。每個(gè)豎向求和中的5比特未取舍字或13-20比特已取舍字被第二個(gè)數(shù)字移位寄存器延時(shí)固定的量，綜合成水平導(dǎo)向和靜主態(tài)聚焦。最后，對(duì)64個(gè)水平通道的管道式相加完成了接收成束操作，產(chǎn)生1／16采樣率的多比特?cái)?shù)字值。這個(gè)數(shù)字信號(hào)可以直接傳送給其他的處理電路，進(jìn)行掃描轉(zhuǎn)換、多普勒處理、和顯示。或者，也可以用一個(gè)高階△∑轉(zhuǎn)換器來把22比特?cái)?shù)字值轉(zhuǎn)換成一個(gè)高比特率的信號(hào)，該信號(hào)可以用光學(xué)方法或通過RF(射頻)連接傳送給其他處理電路。
概述提供了用于減少一個(gè)成像系統(tǒng)的被動(dòng)態(tài)延時(shí)的數(shù)字樣本流中的失真的一種方法和設(shè)備。該方法包括以下步驟以高于輸入模擬信號(hào)的奈奎斯特(Nyquist)頻率的頻率對(duì)該成像的輸入模擬信號(hào)進(jìn)行△∑調(diào)制，以產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字樣本流；以及在保持△∑調(diào)制器與系統(tǒng)的一個(gè)解調(diào)器之間的同步性的同時(shí)，改變樣本流的長(zhǎng)度以對(duì)其一部分延時(shí)。
附圖的簡(jiǎn)單說明圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)說明性實(shí)施例的超聲成像系統(tǒng)的方框圖；圖2是一種以往技術(shù)成束處理器的方框圖；圖3是圖1中前端處理器的方框圖；圖4是基于圖3數(shù)字延時(shí)結(jié)構(gòu)的基于FIFO(先進(jìn)先出)的動(dòng)態(tài)RAM(隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器)的一個(gè)存儲(chǔ)單元的原理圖。
圖5是圖3延時(shí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)移位寄存器的一個(gè)存儲(chǔ)單元；
圖6是圖3延時(shí)結(jié)構(gòu)的一種移位寄存器實(shí)現(xiàn)中的數(shù)字延時(shí)原理圖；圖7A-B是圖3另一個(gè)實(shí)施例中的數(shù)字動(dòng)態(tài)延時(shí)原理圖，其中7A對(duì)應(yīng)于可變輸入和恒定輸出，7B對(duì)應(yīng)于恒定輸入和可變輸出；圖8是圖3另一個(gè)實(shí)施例中的圖5數(shù)字延時(shí)原理圖，其中利用了具有可選轉(zhuǎn)折(turn-around)點(diǎn)的長(zhǎng)號(hào)形移位寄存器；圖9是另一個(gè)實(shí)施例中的圖3數(shù)字延時(shí)原理圖，其中示出了利用灰度碼交叉網(wǎng)絡(luò)的互補(bǔ)延時(shí)線；圖10A-B是圖9的數(shù)字延時(shí)原理圖，其中示出一種由CCD(電荷耦合器件)實(shí)現(xiàn)的交叉多路復(fù)用器(MUX)的結(jié)構(gòu)和時(shí)鐘模式；圖11是圖9的數(shù)字延時(shí)原理圖，其中示出了互補(bǔ)延時(shí)線結(jié)構(gòu)的控制；圖12A-D是圖9的數(shù)字延時(shí)原理圖，其中示出一個(gè)具有單調(diào)(字母)樣本系列輸入的4環(huán)路互補(bǔ)延時(shí)線；圖13是圖9的數(shù)字延時(shí)原理圖，其中示出了交叉轉(zhuǎn)接控制電路，該電路允許從最低位的交叉多路復(fù)用器傳播到較高位的交叉多路復(fù)用器，由此保持了樣本系列的單調(diào)性；圖14是圖9的數(shù)字延時(shí)原理圖，其中示出了交叉轉(zhuǎn)接控制電路，它能明確控制結(jié)構(gòu)內(nèi)哪個(gè)樣本該重復(fù)或舍棄；圖15是圖3另一實(shí)現(xiàn)中的數(shù)字延時(shí)原理圖，其中示出了一個(gè)16進(jìn)制樹狀分段線性移位寄存器，它具有可變輸出和恒定輸入；圖16是圖3的梳狀濾波器和D／A(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)結(jié)合結(jié)構(gòu)，它能把△∑調(diào)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成用于驅(qū)動(dòng)各個(gè)傳感器單元的濾波模擬電壓；
圖17是圖3的改型濾波器和D／A結(jié)構(gòu)，它不僅用零參考電壓作為復(fù)原電壓，而且還用它作為D／A的一個(gè)可能輸出電平；圖18是圖3的低噪聲放大器(LNA)，它不僅有低噪聲特性而且還為系統(tǒng)的輸入提供中等的增益；圖19是圖3中差動(dòng)TGC級(jí)的原理圖；圖20A-B是圖3的TGC，其中示出了用于數(shù)字控制TGC的線性增益和指數(shù)增益的兩種方法；圖21是增益與用于圖3指數(shù)TGC的數(shù)字控制字值的關(guān)系曲線圖；圖22是增益誤差與用于圖3 TGC的控制字值的關(guān)系曲線圖；圖23是圖3的TGC和一種改善步進(jìn)誤差(實(shí)際增益與理想指數(shù)增益的差別)的方法，其中利用了兩種并行的C2C來產(chǎn)生兩個(gè)大致相等的增益斜坡，只是其中一個(gè)斜坡偏置了模數(shù)的一半(該情形中為8／2=4)，使平均誤差較??；圖24是圖3 TGC的增益對(duì)數(shù)字控制字值的誤差曲線，其中利用了偏置斜坡平均技術(shù)；圖25是圖3的TGC，其中利用了圖24誤差減小方法的純數(shù)字實(shí)現(xiàn)；圖26A-C是另一個(gè)實(shí)施例中的圖3／△∑轉(zhuǎn)換器；圖27說明插入在圖3調(diào)制器與解調(diào)器之間的延時(shí)(和重復(fù)樣本)；圖28說明圖3中預(yù)調(diào)制器的操作，其中通過將一個(gè)超聲信號(hào)與一個(gè)余弦信號(hào)相乘來產(chǎn)生一個(gè)重復(fù)和位移的頻譜；圖29是圖3預(yù)調(diào)制方案的原理圖；圖30A-B是另外實(shí)施例中的圖3△∑調(diào)制器；
圖31是圖30所示電路的原理圖，其中預(yù)調(diào)制器，△∑調(diào)制器、積分器和反饋電路被集成在單個(gè)串級(jí)模擬電路中；圖32示出圖3填充比特電路的一種實(shí)現(xiàn)；圖33A-B示出圖3成束器的一種改型，它能接收多個(gè)要同時(shí)成束的聲束；圖34示出圖3的延時(shí)結(jié)構(gòu)，其中示出了由一個(gè)移位寄存器或FIFO存儲(chǔ)器組成的粗延時(shí)結(jié)構(gòu)；圖35A-C示出圖3的動(dòng)態(tài)延時(shí)結(jié)構(gòu)，其中示出了三個(gè)操作循環(huán)；圖36A-C示出圖35例子的繼續(xù)；圖37A-B示出圖36例子的進(jìn)一步繼續(xù)；圖38A-D示出用于圖3跳變樣本數(shù)據(jù)路徑的充填比特電路；圖39是用于圖3中跳變時(shí)鐘發(fā)生器的跳變時(shí)鐘算法流程圖；以及圖40是另一個(gè)實(shí)施例中的圖3成束器的方框圖。
Ⅲ．詳細(xì)說明美國(guó)政府對(duì)本發(fā)明具有已付款的特許，并且有權(quán)在一些限定的情況下要求專利擁有人根據(jù)DARPA所提供的合同號(hào)為No．N00014-96-C-0191的ONR合同中的條款中的合理部分向其他方提供特許。
Ⅲ．0發(fā)射部件本節(jié)將詳細(xì)討論圖1超聲成像系統(tǒng)中圖3所示成束系統(tǒng)10的各個(gè)發(fā)射成束元件。由于從許多方面來說成束系統(tǒng)10的發(fā)射操作都要比接收操作更為直觀和易于理解，所以首先對(duì)它進(jìn)行討論。第四節(jié)將討論本發(fā)明的接收部件。有些部件在發(fā)射和接收中都要用到(其中最重要的是延時(shí)結(jié)構(gòu))。這些部件將在本節(jié)討論而不在第Ⅳ節(jié)討論。
Ⅲ．1陣列聲傳感器的二維陣列12由192個(gè)水平(方位)單元×8個(gè)豎向單元組成。在192個(gè)水平單元中，只有一個(gè)含64個(gè)單元的子孔徑對(duì)一個(gè)發(fā)射束或一個(gè)接收束有效。因此，有效孔徑是64(水平單元)×8(豎向單元)，總共有效通道為512個(gè)。對(duì)每個(gè)聲束使這個(gè)64單元的子孔徑沿著水平方向逐步掃過在192個(gè)單元的陣列，將得到一組掃過感興趣視場(chǎng)內(nèi)的一個(gè)平面的聲束。陣列表面既可是平面的，也可是彎曲的，分別得到線性的或偏置的扇區(qū)掃描。
雖然這里所討論的成束系統(tǒng)10是對(duì)這種陣列設(shè)計(jì)的，但并不局限于這種陣列。也就是說，主要通過對(duì)前端模擬多路復(fù)用器14的修改，可以容易地使成束硬件對(duì)任何陣列布局也同樣能很好地工作。選擇這里的特定布局將能以512個(gè)有效通道給出最佳的像質(zhì)。可以根據(jù)某個(gè)特定應(yīng)用中的陣列類型來任意擴(kuò)大或壓縮這里的成束器。
Ⅲ．2發(fā)射模式存儲(chǔ)器發(fā)射模式存儲(chǔ)器54在物理上靠近于成束器10或被集成在成束器10內(nèi)。一個(gè)2kbyte(千字節(jié))的SRAM(靜態(tài)RAM)使用1比特△∑調(diào)制碼至少可以存儲(chǔ)4個(gè)以320MHz采樣的12．8μs脈沖波形。為了緩解存儲(chǔ)器訪問時(shí)間的限制，這種碼每次至少被讀出8個(gè)字(即40MHz的讀出頻率)。一種可能的2比特碼具有如下三種輸出值
00-值001-值+110-保留(T／R轉(zhuǎn)換控制)11-值-1注意其中“10”碼被保留用于控制(將在Ⅲ．5中討論)。一個(gè)1比特碼直接把0、1碼分別映射成-1、+1值。存儲(chǔ)器54中至少存儲(chǔ)了4個(gè)不同的發(fā)射模式。B模態(tài)、顏色流、和兩個(gè)多普勒模態(tài)。每種模態(tài)都要求一個(gè)具有不同信號(hào)帶寬的發(fā)射脈沖串，從而至少需要三種不同的模式。在一個(gè)接收束結(jié)束時(shí)，前端控制器將發(fā)出一個(gè)信號(hào)來起動(dòng)發(fā)射循環(huán)。在一組偏置計(jì)數(shù)器74、62表明有效發(fā)射數(shù)據(jù)已通過了延時(shí)線之前，將在Ⅲ．5-Ⅲ．9中討論的前端驅(qū)動(dòng)電路不會(huì)發(fā)射。當(dāng)前端控制器給出開始發(fā)射的信號(hào)時(shí)，一個(gè)計(jì)數(shù)器58將使一個(gè)2至4kbyte的存儲(chǔ)器54從初始偏置地址增加到結(jié)束地址。在正常情況下發(fā)射存儲(chǔ)器將輸出適當(dāng)?shù)臉颖救缓笸Ｖ埂?br> 本公開的成束器10也能支持第4種模態(tài)。連續(xù)波(CW)多普勒模態(tài)利用連續(xù)的、相位適當(dāng)?shù)腞F信號(hào)來在組織中形成一個(gè)低空間分辨率但有高多普勒靈敏度的焦點(diǎn)。借助于我們提出的發(fā)射信號(hào)發(fā)生電路，發(fā)射模式存儲(chǔ)器必須被裝載以單個(gè)發(fā)射模式，然后被循環(huán)地訪問以產(chǎn)生CW信號(hào)。在已編碼(存儲(chǔ))的發(fā)射序列結(jié)束時(shí)，地址計(jì)數(shù)針復(fù)原為零并繼續(xù)重復(fù)地訪問存儲(chǔ)器以合成出一個(gè)連續(xù)的RF信號(hào)。在該模態(tài)下，一些通道被用于發(fā)射，而其余通道則被用于接收。這并不影響到發(fā)射模式存儲(chǔ)器54，不過T／R(發(fā)射／接收)開關(guān)47和86必須在整個(gè)系統(tǒng)中作適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，以規(guī)定每個(gè)通道的操作。由于各個(gè)固定延時(shí)線的共用性質(zhì)，一個(gè)特定水平列中的所有豎向單元全都將或者用于發(fā)射或者用于接收。此外，在CW操作下發(fā)射模式可以是一個(gè)方波驅(qū)動(dòng)模式而不是△∑編碼波形。由于△∑模式可能不具有精確的周期性，所以用方波可以簡(jiǎn)化存儲(chǔ)器的循環(huán)訪問。
Ⅲ．3數(shù)字式固定延時(shí)和動(dòng)態(tài)延時(shí)有許多方法可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的和固定的數(shù)字式(或模擬式)延時(shí)結(jié)構(gòu)34、40。本節(jié)將討論其中的幾種延時(shí)機(jī)制并簡(jiǎn)短地說明它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
在第一個(gè)實(shí)施例中，延時(shí)一個(gè)數(shù)據(jù)流的常用方法是利用一個(gè)帶有分開的寫入和讀出指針的FIFO存儲(chǔ)器來訪問一個(gè)循環(huán)存儲(chǔ)緩器。隨著延時(shí)量的增加，讀出與寫入指針之間的間隔也將增大，直到整個(gè)FIFO存儲(chǔ)器的長(zhǎng)度都被用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)(對(duì)應(yīng)于最大延時(shí))。雖然在我們的系統(tǒng)中可以使用靜態(tài)FIFO存儲(chǔ)器，但是其高頻工作時(shí)的尺寸和功耗使得它不是最佳的選擇?？梢杂脴?biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)RAM作為FIFO存儲(chǔ)器，但是其讀出線的敏感電流(sense-amps)要求基底有特定的偏置和其他復(fù)雜的自定時(shí)電路。在一個(gè)說明性實(shí)施例中采用了另一種選擇，即使用一個(gè)圖4所示的存儲(chǔ)單元102，其中在A點(diǎn)有一個(gè)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，另外還有一個(gè)連接在輸出讀出線上的三態(tài)緩存器。因?yàn)槊總€(gè)單元中的緩存器都能通過一個(gè)完全的邏輯改變來驅(qū)動(dòng)讀出線，所以該結(jié)構(gòu)不需要敏感電流。對(duì)讀出線進(jìn)行預(yù)充電可以增大操作速度。由于該實(shí)現(xiàn)不同于下述的移位寄存器實(shí)現(xiàn)，不是在每個(gè)時(shí)鐘周期中都會(huì)有數(shù)據(jù)移位，所以它的功耗可以比其他方法的低。然而，地址計(jì)數(shù)器和解碼器的功耗抵消了這一功耗節(jié)省。圖6示出一種基于FIFO存儲(chǔ)器的動(dòng)態(tài)延時(shí)線34。
自1970年代初以來就使用電荷耦合器件(CCD)來在物理上把電荷從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)(此外CCD還被廣泛用作成像器件)。梅倫(R．D．Melen)等人試圖用CCD來模擬超聲成束，但時(shí)鐘方面的困難使這一設(shè)想不實(shí)際。目前的CCD能以高于200MHz的工作頻率轉(zhuǎn)移約60dB動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)。這些CCD可以容易地轉(zhuǎn)移本發(fā)明△∑調(diào)制器的三級(jí)量化模擬信號(hào)輸出，而不是2位的數(shù)字信號(hào)。8通道的豎向求和可以是對(duì)量化的延時(shí)信號(hào)的模擬求和，由此可產(chǎn)生一個(gè)有17個(gè)可能電平的模擬信號(hào)(如果只采用7個(gè)豎向單元，則可能電平數(shù)為15)。64個(gè)通道的水平求和將使量化級(jí)數(shù)達(dá)到1025(若只采用7個(gè)豎向單元(EL)則此數(shù)為897)，這個(gè)數(shù)字很容易為CCD的60dB SNR極限所支持。簡(jiǎn)言之，前面所提議的用多比特位數(shù)字實(shí)現(xiàn)的所有延時(shí)和求和操作都可以用CCD以準(zhǔn)模擬(量化的模擬電平)的方式完成。在該情形中，延時(shí)線是可變長(zhǎng)度的CCD移位寄存器，而求和結(jié)點(diǎn)則是把各個(gè)量化的電荷“包”聚在一起的公共CCD節(jié)點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)將使純數(shù)字實(shí)現(xiàn)的小巧性受到一定損失。具體地說，在整個(gè)成束器中可以使用CCD來移動(dòng)、延時(shí)、以及求和△∑量化電荷。但是這種實(shí)現(xiàn)需要很大的芯片面積，這是因?yàn)楫?dāng)前CCD的制造工藝最小能做到1．2μm的尺度，而標(biāo)準(zhǔn)CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)的制造工藝最小能做到0．35μm的尺度。所以也研究了標(biāo)準(zhǔn)的CMOS延時(shí)線和求和器。
固定和動(dòng)態(tài)的數(shù)字延時(shí)線40，34可以用可變長(zhǎng)度的多比特CMOS移位寄存器實(shí)現(xiàn)。延時(shí)線的連續(xù)性和高工作頻率使得動(dòng)態(tài)CMOS移位寄存器是本應(yīng)用中的一種優(yōu)選器件。也就是說，由于電容器動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(如動(dòng)態(tài)RAM中那樣)已足以滿足工作頻率，所以移位寄存器的存儲(chǔ)單元不需要像靜態(tài)RAM那樣是靜態(tài)的。圖5示出了一種最簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)CMOS移位寄存器，雖然可以有多種實(shí)現(xiàn)方法，但這里對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)單元102使用了6個(gè)晶體管(兩個(gè)串接的倒相器，每一級(jí)再使用一個(gè)隔離晶體管)。
CCD和CMOS移位寄存器都是通過可變數(shù)目的傳輸級(jí)把數(shù)據(jù)從輸入端移位到輸出端。延遲線結(jié)構(gòu)必須能在響應(yīng)于一個(gè)控制信號(hào)時(shí)改變延時(shí)量。當(dāng)級(jí)數(shù)固定時(shí)，只能從一束到另一束的延時(shí)。反之，對(duì)于一個(gè)聲束，動(dòng)態(tài)延時(shí)的級(jí)數(shù)(每個(gè)通道的)在數(shù)據(jù)流經(jīng)的過程中將多次發(fā)生變化。有許多方法可以做到這一點(diǎn)，其中例如有1)具有可變輸入、恒定輸出線性移位寄存器；2)具有恒定輸入、可變輸出的線性移位寄存器；3)具有可選轉(zhuǎn)折點(diǎn)的長(zhǎng)號(hào)形寄存器；4)互補(bǔ)灰度碼交叉轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)；5)具有可變輸出或輸入的分段線性寄存器。
有許多結(jié)構(gòu)可以適當(dāng)?shù)馗淖儽憩F(xiàn)延時(shí)量；這里將簡(jiǎn)單地討論上述幾種結(jié)構(gòu)，以說明各種可能性。
Ⅲ．3．1具有可變輸入和恒定輸出的線性移位寄存器。
圖7A示出另一個(gè)說明性實(shí)施例中的一個(gè)具有可選輸入位置的CCD和CMOS線性移位寄存器34、40。解碼器／解復(fù)用器104根據(jù)控制線性選擇應(yīng)使用哪個(gè)輸入端。該延時(shí)線的輸出該就是最后延時(shí)級(jí)的輸出端。這個(gè)結(jié)構(gòu)在輸入線上有非常大的扇出(fanout)。因?yàn)樗鼘?duì)每個(gè)解碼器單元都是共用的。對(duì)于CCD(準(zhǔn)模擬)實(shí)現(xiàn)，大的扇出可能是一個(gè)問題，因?yàn)檫@需要大的模擬緩存器。CMOS實(shí)現(xiàn)也可能需要大的輸入緩存。
Ⅲ．3．2具有恒定輸入和可變輸出的線性移位寄存器。
圖7B示出在另一個(gè)說明性實(shí)施例中的一個(gè)具有單一輸入端和一個(gè)連接在每個(gè)可能輸出端上的多路復(fù)用器的CCD或CMOS線性移位存儲(chǔ)器34、40。多路復(fù)用器106選擇該結(jié)構(gòu)中的哪一個(gè)輸出端將被轉(zhuǎn)接到緩存器上。由此選擇了通過該移位寄存器的延時(shí)量。這一結(jié)構(gòu)與上述結(jié)構(gòu)有相似的扇出要求，只是這里是對(duì)輸出的扇出要求。多路復(fù)用器的每個(gè)輸出都要被聯(lián)系在一起，從而造成轉(zhuǎn)換器多路復(fù)用器單元必須驅(qū)動(dòng)的十分大的輸出容量。在DDC和CMOS實(shí)現(xiàn)中都可能要求緩存這些輸出。
Ⅲ．3．3具有可選轉(zhuǎn)折點(diǎn)的長(zhǎng)號(hào)形寄存器。
從前兩種結(jié)構(gòu)中的緩存問題考慮，最好選用單個(gè)輸入／輸出的方法。圖8示出另一個(gè)說明性實(shí)施例中的一種這樣的結(jié)構(gòu)，它是長(zhǎng)號(hào)形(CCD或CMOS)移位寄存器34、40，該“長(zhǎng)號(hào)”的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是可選的。數(shù)據(jù)從上部進(jìn)入并向右流動(dòng)。一個(gè)解碼器108選擇上面行中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而不是選擇下面行向左流動(dòng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。圖8中每一延時(shí)級(jí)都延時(shí)半個(gè)延時(shí)周期，所以對(duì)每個(gè)樣本需要2次這樣的延時(shí)，延時(shí)在樣本時(shí)鐘的兩個(gè)相對(duì)電平被選通(或者被不重疊的兩個(gè)相位時(shí)鐘選道)。
Ⅲ．3．4利用灰度碼交叉網(wǎng)絡(luò)的互補(bǔ)延時(shí)線。
如圖9所示，根據(jù)另一個(gè)說明性實(shí)施例發(fā)展了利用被交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)110分開的一些二進(jìn)制長(zhǎng)度的延時(shí)級(jí)的另一種新型單輸入單輸出延時(shí)結(jié)構(gòu)34、40，輸入被分解成并緩存于兩個(gè)“互補(bǔ)”的延時(shí)線上，分別通過一些延時(shí)長(zhǎng)短不同的單元組合。每個(gè)2N+1的延時(shí)環(huán)設(shè)有比下面行中的單延時(shí)級(jí)多2N個(gè)的延時(shí)級(jí)。每個(gè)環(huán)下面行中的交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)110使兩條延時(shí)線被連接成直接通過或交叉通過的形式。通過適當(dāng)?shù)乜刂聘鱾€(gè)交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)110，可以在數(shù)據(jù)流經(jīng)它們時(shí)切換，以提供動(dòng)態(tài)延時(shí)量改變。
交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)110是互補(bǔ)延遲線中的重要功能元件。該交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)實(shí)施例的CCD實(shí)現(xiàn)要求圖10所示的結(jié)構(gòu)110。通過改變?cè)摻Y(jié)構(gòu)右側(cè)的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)模式(圖中以開關(guān)表示)，交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)110可以在直接通過與交叉通過之間相互切換。CMOS實(shí)現(xiàn)則要求有能為每條延時(shí)線選擇一條通路的4個(gè)門電路。
需要有兩條延時(shí)線的理由是一條線要用作存儲(chǔ)器以對(duì)從另一條線插入／提取樣本。較準(zhǔn)確地說，在一個(gè)特定開關(guān)處，“互補(bǔ)”延時(shí)線含有一個(gè)與輸出延時(shí)線錯(cuò)開一個(gè)樣本的樣本序列。當(dāng)該開關(guān)切換時(shí)，它通過接入互補(bǔ)延時(shí)線的一個(gè)輸入段(長(zhǎng)于一個(gè)樣本)來延長(zhǎng)樣本序列。下面即將說明這一復(fù)雜的切換方法。
交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)切換的次序和時(shí)間十分重要。假定“0”代表直接通過，“1”代表交叉通過，則隨著延時(shí)量的增中或減小，交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)實(shí)際上將遵從一種鏡像灰度碼計(jì)數(shù)方法?；叶却a是能一對(duì)一地代表2M個(gè)不同狀態(tài)的M比特布氏(Boolean)編碼，其中相鄰狀態(tài)的差別僅僅是只有一個(gè)比特從“0”變成“1”或從“1”變成“0”。作為例子，下面示出一個(gè)4比特的灰度碼。
灰度碼 鏡像碼 十進(jìn)制數(shù) 延時(shí)量000000000 4000110001 5001111002 6001001003 7011001104 8011111105 9010110106 10*010000107 11*110000118 12*110110119 131111111110 141110011111 151010010112 161011110113 171001100114 181000000115 19為了表明這一結(jié)構(gòu)的灰度碼控制特性，圖11示出了一個(gè)具有“1010”交叉模式(十進(jìn)制的6)的4級(jí)(環(huán)路)互補(bǔ)延時(shí)線。從輸入端到輸出端的路徑通過了10個(gè)級(jí)，把交叉控制碼改變成“0010”將施加11個(gè)樣本的延時(shí)，類似地，“0011”碼將得到12個(gè)樣本的延時(shí)，等等。
從該結(jié)構(gòu)輸出的樣本流必須是單調(diào)的，不過這限制了交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)能達(dá)到的切換速度。較具體地說，“互補(bǔ)”樣本序列從一個(gè)靠近輸入端的被切換開關(guān)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)靠近輸出端的開關(guān)需要時(shí)間。結(jié)果，存在著必須在改變開關(guān)控制線的之前預(yù)料的與灰度碼(比特)有關(guān)的定時(shí)。以圖11所示的上述“1010”→“0010”→“0011”改變(表中加“*”號(hào)的三種情況)為例。將兩個(gè)按字母排序(單調(diào))的樣本序列放入延時(shí)線中，得到圖12A所示的情況。序列“D-M”位于當(dāng)前所選的輸出延時(shí)線中，它們通過該該結(jié)構(gòu)時(shí)受到10個(gè)樣本的延時(shí)。如圖12B所示，如果樣本移位一個(gè)位置并且根據(jù)控制碼使最左端的交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)發(fā)生切換，則新輸出的樣本序列將是“EMMN”，其中出現(xiàn)一個(gè)重復(fù)的M。下一個(gè)要切換的是最右端的交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)，但是如果在即進(jìn)行這一切換，將產(chǎn)生非單調(diào)的輸出序列“A-EC-LN”。所以我們必須如圖12C所示，在進(jìn)行切換之前等待11個(gè)周期，讓第一個(gè)交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)(即剛被切換的那個(gè)開關(guān))處的“N”樣本能通過結(jié)構(gòu)到最后一個(gè)開關(guān)(即準(zhǔn)備下一次切換的那個(gè)開關(guān))處。經(jīng)過了11個(gè)周期后就可以切換這最后一個(gè)開關(guān)，產(chǎn)生一個(gè)單調(diào)結(jié)構(gòu)的輸出樣本序列“A-MMNN-Y”，如圖12D所示。
由于這些對(duì)切換的限制使互補(bǔ)延時(shí)線的控制設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。所要求的偏置(等待)取決于交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)在結(jié)構(gòu)中的位置，因此被取名為“地理偏置”。下表給出了對(duì)一個(gè)8環(huán)路225級(jí)延時(shí)線的地理偏置量要切換的交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)地理偏置量2336411520
6377708135對(duì)于改變非常慢的延時(shí)線，由于在需要加上一個(gè)新的延時(shí)碼之前樣本已有足夠的時(shí)間移位該結(jié)構(gòu)，所以地理偏置可以忽略。然而對(duì)于下節(jié)將討論的接收?qǐng)D像的情況，延時(shí)量的變化可以快達(dá)每32個(gè)樣本時(shí)鐘周期改變一次(以下稱作一個(gè)“跳變”(bump))。原理上我們可以用兩個(gè)計(jì)數(shù)器來控制該結(jié)構(gòu)一個(gè)灰度碼計(jì)數(shù)器用來向延時(shí)線提供控制比特，另一個(gè)計(jì)數(shù)器用來在允許另一次灰度碼變化之前對(duì)地理偏置(大于32的)進(jìn)行倒計(jì)數(shù)。不過如果我們返回到圖12C以看到，可以在改變最高位交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)以在“N”樣本處重組樣本流之前來改變較低位(較靠近輸入端)的交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)以重組“W”樣本附近的樣本流。結(jié)果控制碼的轉(zhuǎn)變應(yīng)為“1010”→“0010”→“1010”→“1011”。圖13示出能產(chǎn)生這一非尋常交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)控制模式的一種控制結(jié)構(gòu)112。
根據(jù)另一個(gè)說明性實(shí)施例，圖13中的灰度碼計(jì)數(shù)器輸出8條交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)控制線。其中最低位的5條線Q0-Q4直接作用在延時(shí)線上。另外三條線Q5-Q7被有條件地保持在一個(gè)鎖存器中，該鎖存器將驅(qū)動(dòng)延時(shí)結(jié)構(gòu)中較高位的交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)。當(dāng)線Q0-Q3為“0000”同時(shí)Q4-Q7線中有一條為“1”時(shí)，則將處于一個(gè)稱之為ε的狀態(tài)，其中某一個(gè)較高位開關(guān)將要切換。在進(jìn)入ε狀態(tài)之前(Q0-Q3=“1000”)，二進(jìn)制計(jì)數(shù)器裝載以偏置值[255-(地理偏置值)]。在ε狀態(tài)中灰度計(jì)數(shù)器將按采樣鐘頻增大，鎖存器不激活，于是灰度碼計(jì)數(shù)器脫離較高位交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)。但在另一次改變較低位開關(guān)的“跳變”處，灰度碼計(jì)數(shù)器仍能增大。當(dāng)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，地理偏置失效，從而灰度碼控制序列的高位部分將能被加到延遲線上(即鎖存器被激活)。
至今所討論的互補(bǔ)延時(shí)控制都假定了只要各樣本能形成一個(gè)單調(diào)序列，哪些樣本被重復(fù)或舍棄并不重要。如果需要考慮哪些樣本重復(fù)或舍棄，則圖14所示的說明性結(jié)構(gòu)114將是合適的。這一結(jié)構(gòu)非常相似于前述結(jié)構(gòu)，只是這里每個(gè)地理延時(shí)都是重要的，因?yàn)樗_定了從輸入端到那個(gè)在輸出序列中重復(fù)或舍棄一個(gè)樣本的交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)的該樣本轉(zhuǎn)移路徑的長(zhǎng)度。不過同樣的基本原理也可以用來讓交叉轉(zhuǎn)接開關(guān)控制線保持一段特定的時(shí)間，直到結(jié)構(gòu)中的樣本已足夠地轉(zhuǎn)移。由灰度碼計(jì)數(shù)器所產(chǎn)生的“T”控制線實(shí)際上是對(duì)該計(jì)數(shù)器中每個(gè)比特的“循環(huán)(toggle)”控制；由于在增值時(shí)只有一個(gè)比特發(fā)生改變，所以任何時(shí)刻都只有一條“T”線處于高電平。
就我們所知，互補(bǔ)延時(shí)線的CCD實(shí)現(xiàn)在CCD技術(shù)中是一個(gè)新概念。CMOS實(shí)現(xiàn)也可能是新概念。這兩種實(shí)現(xiàn)雖然是有效的，但還存在著其他可能的結(jié)構(gòu)。
Ⅲ．3．5具有可變輸入或輸出的分段性線寄存器另一種類似于前述線性移位寄存器(Ⅲ．3．1和Ⅲ．3．2)的可能的延時(shí)線實(shí)現(xiàn)34、40是分段線性移位寄存器，它利用一種16進(jìn)制樹狀分段方法大為減少了多路復(fù)用器／解碼器的復(fù)雜性，與二進(jìn)制樹把一個(gè)信號(hào)反復(fù)地分成兩支的情況一樣，16進(jìn)制樹把一個(gè)信號(hào)反復(fù)地分成16個(gè)不同的支。把這種樹應(yīng)用于將256個(gè)延時(shí)級(jí)轉(zhuǎn)接成單個(gè)輸出便得到圖15所示的結(jié)構(gòu)。首先，粗轉(zhuǎn)接級(jí)利用一個(gè)161的多路復(fù)用器116把240(=256-16)條延時(shí)線分接到16個(gè)不同的位置上。其次的一個(gè)細(xì)轉(zhuǎn)接級(jí)118接收這一信號(hào)并把它輸入給另一個(gè)16級(jí)移位寄存器，并從這些輸出中選出一個(gè)作為最后結(jié)果。粗、細(xì)多路復(fù)用器116、118的控制線分別代表了延時(shí)選擇計(jì)數(shù)器的4個(gè)高比特和4個(gè)低比特。這種布局代表了一種具有單輸入端的可變輸出端結(jié)構(gòu)，不過通過對(duì)各單元的簡(jiǎn)單重組可以得到一個(gè)具有單輸出端的可變輸入端結(jié)構(gòu)。由于將要說明的原因，我們?cè)谝信d趣于可變輸出結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)也稱作輸出型參照結(jié)構(gòu)(output referedstrucfure)。
Ⅲ．3．6筒式(barrel)移位延時(shí)技術(shù)除了上述許多數(shù)字延時(shí)技術(shù)之外還存在著另一種能減少數(shù)字延時(shí)結(jié)構(gòu)34、40中所需的總存儲(chǔ)(比特延時(shí))節(jié)點(diǎn)數(shù)的技術(shù)。該結(jié)構(gòu)利用了動(dòng)態(tài)延時(shí)線輸入端處的一個(gè)116并／串轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)和一個(gè)跳變旗標(biāo)數(shù)據(jù)比特，該比特將指明在一個(gè)由16個(gè)樣本組成的組(稱作一幀)內(nèi)某處是否發(fā)生了預(yù)調(diào)制(premod)相位跳變。如果設(shè)置了跳變旗標(biāo)，將通過在該幀中一個(gè)數(shù)據(jù)比特的后面(或前面)插入一個(gè)零樣本來使它跳變。該幀中插入零樣本位置隨結(jié)構(gòu)的當(dāng)前子幀延時(shí)的不同而不同(準(zhǔn)確到一個(gè)樣本)。為了理解這一點(diǎn)必須首先說明該結(jié)構(gòu)是如何操作的。
根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)說明性實(shí)施例，圖34示出了一個(gè)5比特×7幀的移位寄存器(向下移位或等價(jià)地一個(gè)7位FIFO存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器是該延時(shí)線的主要存儲(chǔ)部件。“跳變輸入(bump-in)”比特直接來自跳變時(shí)鐘發(fā)生器30，它使△∑調(diào)制器24輸入端處的預(yù)調(diào)信號(hào)的相位逐步增大?！皵?shù)據(jù)輸入”由一個(gè)串／并轉(zhuǎn)換器的28裝載，當(dāng)數(shù)據(jù)具有字母順序時(shí)，數(shù)據(jù)將以圖34的相線形式充填該結(jié)構(gòu)。
“跳變輸出”信號(hào)指明當(dāng)前的FIFO輸出數(shù)據(jù)幀(上例中為樣本E=H)中是否發(fā)生了一個(gè)相位跳變。輸出幀中除了第一個(gè)樣本之處所有其余樣本(上例中為樣本B-D)都被存儲(chǔ)在一個(gè)暫存器中，用于一個(gè)延時(shí)的移位，“數(shù)據(jù)輸出”的一個(gè)子組將被用來提供成束器的指標(biāo)所要求的單個(gè)樣本的延時(shí)精度。為了達(dá)到這一精度，我們使用了一個(gè)4比特(輸出)的筒式移位器，它作用于“數(shù)據(jù)輸出”使數(shù)據(jù)最多移位3個(gè)樣本(對(duì)于該4比特幀的情況)。因此根據(jù)上述例子，有4種可能的數(shù)據(jù)輸出幀E-H、D-G、C-F和B-E。由于各個(gè)不同輸出幀之間只有一個(gè)樣本的差別，所以不難理解該結(jié)構(gòu)具有單個(gè)樣本延時(shí)的能力，為了進(jìn)一步說明該結(jié)構(gòu)的操作還需要有另一個(gè)例子。
我們從不移動(dòng)輸出數(shù)據(jù)開始，此時(shí)當(dāng)前的FIFO輸出將傳送到筒式移位器的輸出端，如圖35A所示。經(jīng)過4個(gè)樣本時(shí)鐘周期后，該延時(shí)結(jié)構(gòu)將再次被時(shí)鐘控制，讀出下一個(gè)FIFO存儲(chǔ)器位置。筒式移位器增加一個(gè)比特的移位，同時(shí)輸出端的多路復(fù)用器接入一個(gè)零(0)樣本(也稱為充填比特)，如圖35所示。圖35B的“跳變輸出”輸出指明這個(gè)幀未被跳變，于是在下一個(gè)循環(huán)中(圖35C)，移位器保持其移位量，不過，現(xiàn)在輸出多路復(fù)用器允許已移位的數(shù)據(jù)(樣本“L”)通過。該圖下方的輸出樣本序列表明已產(chǎn)生了正確的樣本序列。圖36繼續(xù)了這個(gè)例子，直到筒式移位器達(dá)到其最大移位置。
圖36C所示的系統(tǒng)狀態(tài)的意義在于，在下一個(gè)循環(huán)中將發(fā)生的跳變(圖“跳變輸出”=1引起)可以簡(jiǎn)單地通過使筒式移位控制恢復(fù)到O(無移位)和轉(zhuǎn)接進(jìn)零樣本而不改變FIFO的讀出指針(即輸出)地完成。如圖37所示，由于新數(shù)據(jù)正在從頂部輸入，所以這將導(dǎo)致FIFO要增加一幀的長(zhǎng)度。
在圖37中重要的是要理解，雖然設(shè)置了“跳變輸出”，但該旗標(biāo)所代表的跳變已經(jīng)被施加(從圖36C至37A)。其結(jié)果是必須加上這樣的電路，使得當(dāng)筒式移位器使移位循環(huán)恢復(fù)到零比特移位后，必須不理會(huì)FIFO輸出中的跳變旗標(biāo)，如圖中在該旗標(biāo)上加上的“X”所示。
圖37B示出與圖35A相同的情況，于是整個(gè)過程可以重新開始。
如本節(jié)開始時(shí)所述，在輸出序列中插入零樣本的位置取決于一個(gè)子幀的延時(shí)量。從圖35A可看到幀“E-H”、“M-P”和“Q-T”已設(shè)置了跳變旗標(biāo)。參見圖36B中的輸出序列，可以看到對(duì)于這三個(gè)已跳變的幀，零樣本是插入在“H”后面、“Q”與“P”之間和“R”與“S”之間的。很明顯，被插入的零樣本分布，在幀的末端與始端之間。圖37A表明最后一個(gè)零樣本插入在樣本“Y”與“Z”之間，一旦筒式移位器回復(fù)到了零移位，零樣本插入位置將重新移到幀的末端。因此，對(duì)輸出序列施加跳變的時(shí)間隨延時(shí)量而改變，不過跳變永遠(yuǎn)是施加在被設(shè)置了跳變旗標(biāo)的數(shù)據(jù)幀內(nèi)。
Ⅲ．3．6．1在△∑延時(shí)結(jié)構(gòu)中加入筒式移位延時(shí)線。
利用筒式移位延時(shí)技術(shù)可以做出一種有意義的簡(jiǎn)化，也即把跳變(零樣本插入)重新調(diào)節(jié)到并行輸出字中的一個(gè)固定位置上(參見Ⅳ．3節(jié)，那里更詳細(xì)地說明了零插入)。這時(shí)在上述例子中零樣本總是在數(shù)據(jù)路徑的最右端。對(duì)于△∑成束器，我們利用零插入來避免對(duì)±1調(diào)制的樣本流導(dǎo)入任何冪次(偏置)。這兩種有效調(diào)制器輸出的二進(jìn)制編碼是樣本級(jí)別二進(jìn)制值+111-100當(dāng)延時(shí)量改變并插入了零樣本后，該二進(jìn)制編碼必須改變成樣本級(jí)別二進(jìn)制值+1210零插入101-1000由于該跳變樣本的+1和-1級(jí)別被放大了一倍，所以該幀中所有其他的樣本都必須放大一倍，然而由于其他的樣本總是要與其他非跳變樣本在輸出級(jí)48相加，所以它們?cè)诘竭_(dá)輸出級(jí)48之前可以不放大一倍地通過成束器的其余部分。這意味著在整個(gè)成束器中15個(gè)非跳變樣本(對(duì)于一幀有16個(gè)樣本的情況)將比那一個(gè)有條件跳變的樣本少需要一個(gè)比特，對(duì)于256幀的靜態(tài)延時(shí)來說，這將節(jié)省3840個(gè)存儲(chǔ)單元。
如上表所示，接入零樣本的復(fù)雜性要比圖35-37所示情形稍大一些。Ⅳ．6節(jié)(以及圖32)將提出一種充填比特的二補(bǔ)碼方法。下面給出一個(gè)類似的結(jié)構(gòu)，它能完成對(duì)跳變樣本的適當(dāng)代碼插入圖38中的電路120實(shí)際上要比二補(bǔ)碼方法簡(jiǎn)單，因?yàn)樗簧婕皩?duì)△∑輸入的反相。
利用上述充填比特電路筒式移位延時(shí)方法可以有效地工作，為每個(gè)通道產(chǎn)生一個(gè)不對(duì)稱的(15個(gè)正常的，1個(gè)跳變的)并行輸出。在成束器的動(dòng)態(tài)接收聚焦中。這些延時(shí)線能按需要地改變。雖然跳變不是均勻地施加在每個(gè)數(shù)據(jù)幀中的，但因采樣率足夠地高所以這不會(huì)導(dǎo)致圖像的失真。由于每16個(gè)成束輸出樣本將同時(shí)含有許多充填比特，因此可能會(huì)在圖像中造成可察覺的閃點(diǎn)(glitch)。但對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)的模擬表明，如果加上了低通重建濾波器，則沒有發(fā)現(xiàn)這種閃點(diǎn)。同樣，距離時(shí)鐘(由幀寬設(shè)定)是足夠地快的，使得512個(gè)通道中只有少數(shù)幾個(gè)會(huì)改變其延時(shí)量，所以這種閃點(diǎn)是很少的。
Ⅲ．3．A串／并轉(zhuǎn)換為了降低所有可能移位寄存器設(shè)計(jì)中的鐘頻，可以在輸入端處設(shè)置了一個(gè)串／并轉(zhuǎn)換器(SP)28，得到延時(shí)數(shù)據(jù)群的多通道延時(shí)結(jié)構(gòu)。降低CMOS和CCD電路的鐘頻將使功耗按比例地下降。串／并轉(zhuǎn)換是一種把一個(gè)高速率N比特寬的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成一個(gè)速率為原速率的1／m的m×N比特寬的數(shù)據(jù)流的處理。這種結(jié)構(gòu)的芯片面積與原結(jié)構(gòu)面積相近，不過它們的長(zhǎng)寬比可能改變。例如，一個(gè)1×128單元的延時(shí)線可以實(shí)現(xiàn)為一個(gè)4×32的結(jié)構(gòu)。根據(jù)具體的實(shí)現(xiàn)和布局情況，進(jìn)行這一轉(zhuǎn)換可能有降低功耗的益處。它還可以簡(jiǎn)化對(duì)否則會(huì)需要很高鐘頻的電路的設(shè)計(jì)。
在圖3中所示成束器10的發(fā)射路徑中的其他部分內(nèi)，并／串行轉(zhuǎn)換器(PS)28、76以較高的鐘頻為代價(jià)減小了數(shù)據(jù)的比特寬度。在早先說明的輸出端多比特動(dòng)態(tài)移位寄存器延時(shí)線中可以找到一個(gè)這樣的例子。為了得到單個(gè)樣本的延時(shí)精度。在多字延時(shí)線后面加上一個(gè)PS級(jí)將可以對(duì)輸出施加適當(dāng)?shù)臉颖狙訒r(shí)，也就是說，一個(gè)延時(shí)結(jié)構(gòu)的延時(shí)精度取決于該延時(shí)結(jié)構(gòu)的樣本寬度是多少個(gè)樣本。為了細(xì)調(diào)延時(shí)量，可以加上PS來得到單個(gè)樣本的延時(shí)精度。
Ⅲ．4延時(shí)線的輸入多路復(fù)用器每個(gè)延時(shí)線的輸入端都含有一個(gè)多路復(fù)用器，它從各個(gè)接收或發(fā)射路徑中選擇數(shù)據(jù)。多路復(fù)用器開關(guān)14從接收(Rx)模態(tài)切換成發(fā)射(Tx)模態(tài)時(shí)間由前端控制器(例如見圖1)控制。為了適應(yīng)各種陣列布局，從Tx模態(tài)到Rx模態(tài)的切換是對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行的。Ⅲ．5節(jié)中將說明的控制裝置把每個(gè)數(shù)據(jù)路徑單元從Tx轉(zhuǎn)接成帶有A／D的Rx。這將保證在發(fā)射結(jié)束與接收開始之間不出現(xiàn)“死時(shí)間”。
Ⅲ．5數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D／A)發(fā)射數(shù)據(jù)編碼可以離線地由模擬一個(gè)帶有2級(jí)或3級(jí)量化器的二階或三階△∑調(diào)制器的軟件來完成。對(duì)于3級(jí)量化系統(tǒng)。+1、-1、0樣本按Ⅲ．2節(jié)的方法編碼，并在數(shù)字動(dòng)態(tài)延時(shí)線后面的每個(gè)通道中把它們轉(zhuǎn)換成模擬電壓。把數(shù)模轉(zhuǎn)換器稱作具有1．5比特的原因是，它在振幅編碼時(shí)只用了4個(gè)可能比特值中的3個(gè)。一個(gè)2級(jí)量化的單比特系統(tǒng)對(duì)+1和-1級(jí)另外分別采用1、0編碼。
如前面幾節(jié)所述，接收模態(tài)與發(fā)射模態(tài)之間的相互切換需要特殊的處理，發(fā)射D／A轉(zhuǎn)換器接收成束器10中的固定和動(dòng)態(tài)延時(shí)結(jié)構(gòu)34、40所延時(shí)的數(shù)據(jù)。然而，當(dāng)前端控制器(見圖1)表明該系統(tǒng)從Rx切換成Tx(時(shí)，到達(dá)D／A 78的數(shù)據(jù)仍然是前一接收循環(huán)結(jié)束時(shí)注入到延時(shí)線中的△∑調(diào)制樣本。所以在每個(gè)通道上有一個(gè)計(jì)數(shù)器74在發(fā)射數(shù)據(jù)逐漸通過延時(shí)線時(shí)跟蹤著該發(fā)射數(shù)據(jù)的前端，并在有效的發(fā)射數(shù)據(jù)已從延時(shí)線輸出需被轉(zhuǎn)換時(shí)向D／A 78發(fā)送一個(gè)“開始”信號(hào)。實(shí)際上存在兩個(gè)計(jì)數(shù)器，其中一個(gè)用于每個(gè)水平通道，對(duì)通過固定延時(shí)線的延時(shí)量計(jì)數(shù)。該計(jì)數(shù)器所得出的“開始”信號(hào)被傳送給每個(gè)豎向通道上的第二計(jì)數(shù)器，由該第二計(jì)數(shù)器跟蹤通過動(dòng)態(tài)延時(shí)線的發(fā)射數(shù)據(jù)。該第二計(jì)數(shù)器發(fā)出的“開始”信號(hào)將起動(dòng)發(fā)射模式的D／A轉(zhuǎn)換。
當(dāng)系統(tǒng)采用一個(gè)2比特的發(fā)射模式編碼或低的(160MHz)樣本率時(shí)，從Tx到Rx模態(tài)的轉(zhuǎn)換將容易得多。采用2比特發(fā)射模式編碼的系統(tǒng)將讓從發(fā)射存儲(chǔ)器讀出的最后一個(gè)樣本被設(shè)定為“10”保留碼，其后跟隨一些恒定的“00”樣本。這些“00”樣本被接入到存儲(chǔ)器輸出的樣本流中?！?0”碼給出了發(fā)射波形結(jié)束的信號(hào)。當(dāng)它逐步通過發(fā)射成束器時(shí)，它將使某些功能單元從Tx狀態(tài)轉(zhuǎn)變成Rx狀態(tài)。例如，當(dāng)“10”碼從延時(shí)線輸出時(shí)，該延時(shí)線輸入端的轉(zhuǎn)換將從發(fā)射器輸入轉(zhuǎn)變成接收器輸入。當(dāng)“10”碼到達(dá)時(shí)，1．5比特的D／C78和前端驅(qū)動(dòng)器電路將關(guān)斷以節(jié)省電力。
單比特的發(fā)射模式編碼設(shè)有“額外”的碼可以用來給出Tx／Rx樣本率的一半，則通過延時(shí)線的數(shù)據(jù)路徑至少為發(fā)射字的比特寬度的一倍。這意味著可以把一個(gè)旗標(biāo)比特插入到其中的一個(gè)多余比特中，并通過整個(gè)延時(shí)傳送。當(dāng)它到達(dá)某個(gè)功能單元(延時(shí)線或D／A)時(shí)它將把這個(gè)單元的操作從發(fā)送轉(zhuǎn)變成接收。該旗標(biāo)比特在發(fā)射模式期間可以是“1”，而在其結(jié)束后為“0”。
對(duì)于320MHz下的單比特發(fā)射編碼，整個(gè)動(dòng)態(tài)延時(shí)線帶寬都用來運(yùn)載發(fā)射數(shù)據(jù)。于是在發(fā)射數(shù)據(jù)逐步通過延時(shí)線時(shí)需要有有一組計(jì)數(shù)器32來跟蹤發(fā)射數(shù)據(jù)的末尾。當(dāng)某個(gè)特定發(fā)射通道的最后一個(gè)數(shù)據(jù)從延時(shí)線輸出時(shí)，D／A 78將被激活。在發(fā)射循環(huán)的開始處所需要的一個(gè)類似機(jī)構(gòu)，即Rx／Tx切換機(jī)構(gòu)已經(jīng)在前面說明。
下節(jié)將討論每個(gè)通道的D／A的實(shí)現(xiàn)。
Ⅲ．6發(fā)射模擬低通濾波器發(fā)射低通濾波器80降低了△∑調(diào)制發(fā)射脈沖的高頻功率。在一定程度上可以把D／A 78設(shè)計(jì)成通過限制模擬驅(qū)動(dòng)器的截止率來濾除高頻成份。低通濾波器可以是一個(gè)由多零點(diǎn)梳狀濾波器實(shí)現(xiàn)的模擬FIR濾波器，其中的梳狀濾波器具有多達(dá)31個(gè)均勻分布在DC(直流，O)頻率與樣本率(2π)之間的零點(diǎn)。這些零點(diǎn)將降低高于11MHz的△∑噪聲功率，這11MHz的頻率已在傳感器的通帶之外。
可以用一個(gè)十分簡(jiǎn)單的濾波器結(jié)構(gòu)(圖16)來同時(shí)實(shí)現(xiàn)D／A功能和梳狀濾波器功能。圖16示出該結(jié)構(gòu)的一種2級(jí)實(shí)現(xiàn)，其中的可轉(zhuǎn)接電容器求和節(jié)點(diǎn)(公共節(jié)點(diǎn))用于緩存以驅(qū)動(dòng)傳感器單元。各個(gè)電容器的電容量相同(名義上的，但不是必須的)，每個(gè)電容器向求和節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)的電荷量正比于加于該電路的+Vref或-Vref。當(dāng)輸入樣本序列的一個(gè)比特為“1”時(shí)，將向相應(yīng)電容加上+Vref的電容。若該輸入比特為“0”，則將施加-Vref的電壓。利用模擬電壓+Vref、0、-Vref，可以用類似的方法轉(zhuǎn)換3級(jí)發(fā)射編碼。
求和電容器的數(shù)目(和控制那些切換開關(guān)的移位寄存器的長(zhǎng)度)決定了該濾波器頻率響應(yīng)中的零點(diǎn)數(shù)目。16個(gè)電容器產(chǎn)生15個(gè)零點(diǎn)，其中第一個(gè)零點(diǎn)位于1／15樣本率處。如果選擇發(fā)射樣本率為320MHz，則濾波器的第一個(gè)零點(diǎn)將位于21MHz處。選擇多少個(gè)零點(diǎn)(或求和電容器)取決于該系統(tǒng)的噪聲功率降低要求?？梢酝ㄟ^改變每個(gè)電容器的電容量來合成更復(fù)雜的濾波器，這是關(guān)系到另一種性能的設(shè)計(jì)問題。
模擬緩存器反饋電路中的箝位晶體管122設(shè)定了該D／A／濾波器結(jié)構(gòu)的DC(直流)值。在產(chǎn)生模擬輸出之前及之后，電容器切換開關(guān)將連接到兩個(gè)參考電壓(±Vref)中間的DC零參考電平上。當(dāng)箝位晶體管釋放時(shí)，求和節(jié)點(diǎn)和緩存器可以被輸入數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。圖16中的“轉(zhuǎn)換”線控制著這個(gè)DC定標(biāo)。
由于D／A總是需要三個(gè)參考電壓，兩個(gè)數(shù)據(jù)樣本可以相加在一起產(chǎn)生數(shù)字值+2、0、或-2，利用圖17所示的結(jié)構(gòu)可以直接把這個(gè)值轉(zhuǎn)換成模擬形式。這個(gè)結(jié)構(gòu)的電容器數(shù)目是上述結(jié)構(gòu)的一半。對(duì)于連續(xù)(CW)操作，由于將編碼一個(gè)周期性的方波，所以發(fā)射的模式不需要被濾波。對(duì)于該模態(tài)，提供了+Vref和-Vref對(duì)緩存器輸入節(jié)點(diǎn)的直接連接。
Ⅲ．7發(fā)射除旁瓣發(fā)射束的旁瓣使聲波功率分散到寬廣的視場(chǎng)上而對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。為了減少這些旁瓣，進(jìn)行了發(fā)射孔徑除旁瓣處理，其中每個(gè)通道的幅度根據(jù)它在有效陣列內(nèi)的地理位置而被加權(quán)。在除旁瓣級(jí)82中提供了8級(jí)(3比特)的衰減。這一衰減在整個(gè)發(fā)射周期內(nèi)是恒定的，但在各次發(fā)射之間可以根據(jù)單元在陣列中的位置加以改變。(請(qǐng)注意有效陣列是沿著水平方向逐步地移經(jīng)一個(gè)較大的陣列的。)通過簡(jiǎn)單地控制施加給圖16和17中的D／A的±Vref模擬電壓；就可對(duì)一個(gè)單元除旁瓣。降低參考電壓的幅度將減小濾波器求和節(jié)點(diǎn)上的模擬電壓變動(dòng)量，從而得到較小的輸出驅(qū)動(dòng)電壓?？梢杂靡粋€(gè)簡(jiǎn)單的3比特?cái)?shù)控R-2R梯架結(jié)構(gòu)(或其他有源模擬電路)來設(shè)置參考電壓。
Ⅲ．8功率放大器位于發(fā)射成束器10輸出端處的一個(gè)較高壓功率放大器84向壓電傳感器12提供驅(qū)動(dòng)電流和電壓。這個(gè)放大器在相位性能上應(yīng)該比較線性，并且必須能干凈地飽和或截止。用高壓CMOS實(shí)現(xiàn)的AB類放大器可以作為該放大器的輸出級(jí)。
Ⅲ．9 T／R開關(guān)T／R開關(guān)86保護(hù)接收電路不受驅(qū)動(dòng)傳感器單元的高壓影響。在我們的情形中，如果低噪聲放大器(LNA)的輸入端能夠耐受由功率放大器(PA)所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)電壓，則這個(gè)開關(guān)不一定是必須的。
Ⅲ．10水平模擬多路復(fù)用器可以設(shè)計(jì)出線性或曲線的探測(cè)器陣列來使一個(gè)有效單元子孔徑逐步移經(jīng)一個(gè)較大的陣列(例如見馬斯拉克(Maslak)的專利No．4，699，009)。為此通道輸入端處的一個(gè)多路復(fù)用器14必須選擇使用哪一個(gè)傳感器單元。對(duì)于為該系統(tǒng)建議的8×192單元彎曲線性陣列，有效子孔徑將為8×64單元，這意味著每個(gè)成束通道的輸入有三個(gè)不同陣列單元的可能。例如一個(gè)水平成束通道可能連接到1號(hào)單元、65號(hào)單元、或129號(hào)單元上。在正常成像情況下，接收束的末端將給出信號(hào)使有效陣列在水平方向上移動(dòng)一個(gè)單元。新束的角度將與前一束的相同。不過由于陣列子孔徑已移動(dòng)了一個(gè)單元，所以新束將探測(cè)新的組織。對(duì)于線性陣列，這一技術(shù)對(duì)組織中的一個(gè)矩形成像。反之，一個(gè)彎曲線陣列卻掃出一個(gè)偏置的扇區(qū)。所建議的陣列12具有豎直方向上的8個(gè)同時(shí)接入的單元，這是因?yàn)樽涌讖街粶?zhǔn)備沿著水平方向步進(jìn)，不過這并不意味著把成束器10限制在這一特定的操作模態(tài)上。成束器13能通過調(diào)整三個(gè)多路復(fù)用器輸入的布局形式來支持任意形狀的沿水平或豎直方向步進(jìn)的孔徑。更大或更復(fù)雜的陣列可能需要更多的模擬多路復(fù)用器輸入端。
水平模擬多路復(fù)用器14必須能承受發(fā)射驅(qū)動(dòng)器的高電壓和具有低的“接通阻抗”。此外，它還應(yīng)該能在各個(gè)傳感器單元的輸入端之間提供至少60dB的電絕緣(即防止竄擾)。與T／R開關(guān)相同，該結(jié)構(gòu)也采用高壓CMOS作為選通門。
Ⅲ．11差動(dòng)驅(qū)動(dòng)為了減少系統(tǒng)對(duì)共模噪聲的敏感性，傳感器單元以差動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)和連接到接收電路上。也就是說，傳感器的兩端被通過兩條獨(dú)立導(dǎo)線(在彎折電路上的)連接在電路上的兩個(gè)極性相反的信號(hào)所驅(qū)動(dòng)。這有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，每條連接線上來自干擾RF源的共模噪聲被大為降低。其次，由于傳感器的每一端都可以相反的方向獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)，所以驅(qū)動(dòng)電壓可以減小，從而使施加在傳感器上的有效AC(交流)電壓加倍。
Ⅳ．本發(fā)明的接收部件本節(jié)將討論接收數(shù)據(jù)路徑中的各個(gè)部件和它們的控制電路。那些對(duì)發(fā)射和接收共用的部件已在上節(jié)討論，這里不再重復(fù)。Ⅳ．3節(jié)將討論△∑調(diào)制器前面的預(yù)調(diào)制器24。Ⅳ．4和Ⅳ．5節(jié)將討論位于△∑調(diào)制器前面的預(yù)調(diào)制器22和接收除旁瓣級(jí)26。把這兩個(gè)部件放在△∑調(diào)制后面討論是因?yàn)樗鼈兊脑S多操作與調(diào)制器24的特性的規(guī)范有密切關(guān)系。
Ⅳ．1低噪聲放大器(LNA)低噪聲放大器16是接收成束器10的第一級(jí)，其輸入來自模擬多路復(fù)用器14所選出的傳感器單元。這一級(jí)具有高的輸入阻抗，但只有中等的增益(8-13dB)。它的特點(diǎn)是有非常低的噪聲(其定義是噪聲放大率與信號(hào)放大率之比值)，從而可保持系統(tǒng)具有整體低噪聲的特性。低噪聲特性是這樣實(shí)現(xiàn)的利用在輸入端和反饋路徑上帶有DC箝位晶體管的電容耦合差分運(yùn)算放大電路，如圖18所示。在接收電路不工作的發(fā)射時(shí)期，箝位器被激活。
Ⅳ．2時(shí)間增益補(bǔ)償(TGC)或固定增益放大器在本超聲成像系統(tǒng)中使用了一個(gè)時(shí)間增益補(bǔ)償放大器18來為信號(hào)在組織的衰減進(jìn)行與深度有關(guān)的增益補(bǔ)償。一個(gè)附帶效果是改善了系統(tǒng)的噪聲性能。由于為了避免近場(chǎng)飽和而需要小的增益，所以當(dāng)增益固定時(shí)在每個(gè)通道上有一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器來控制系統(tǒng)的噪聲。在低增益下，來自遠(yuǎn)處反射物的小信號(hào)將低于A／D的量化級(jí)差。TGC 18通過增大信號(hào)大小來補(bǔ)償這一現(xiàn)象，從而使之能更有效地利用A／D的動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)信號(hào)施加TGC 18將使得輸入端處的約翰遜(Johnson)噪聲而不是A／D量化誤差成為數(shù)字化信號(hào)中的主要噪聲源。
由于在成束器10中使用了大的過采樣比(≥160MHz的Rx樣本率)，所以在某些成像模式中可能不需要TGC 18。對(duì)于那些采用較低帶寬信號(hào)的模態(tài)，可以證明希望有一個(gè)固定增益(3-14dB之間)的放大級(jí)。對(duì)于更高的接收樣本率(例如640MHz)，可以完全不用TGC和固定增益級(jí)。功耗和系統(tǒng)規(guī)模是考慮樣本率大小時(shí)的兩個(gè)需權(quán)衡折衷的重要因素，例如較高的樣本率將增大延時(shí)級(jí)的功耗，但卻不需要耗能大的模擬放大器。系統(tǒng)的規(guī)范指標(biāo)和對(duì)這些權(quán)衡決定該系統(tǒng)是否要有TGC或固定增益級(jí)或兩者。圖19示出一種可考慮選用的差動(dòng)TGC18放大器。
前向路徑124中的C2C梯架結(jié)構(gòu)設(shè)定了固定增益。所加的衰減益的乘積確定了TGC的總增益。理想的做法是每個(gè)通道都有一個(gè)獨(dú)立的TGC控制寄存器(計(jì)數(shù)器)，當(dāng)從前端控制器接收到一個(gè)信號(hào)時(shí)該計(jì)數(shù)器將增加1。系統(tǒng)中所有的TGC都在響應(yīng)于這個(gè)控制信號(hào)時(shí)同時(shí)增大它們的增益。不過，每個(gè)TGC的初始增益可以通過把控制寄存器初始化在不同的值上來個(gè)別地編程。這可以用于執(zhí)行增益修整或接收除旁瓣。這種方式的增益修整可以補(bǔ)償傳感器或LNA中的正常處理變動(dòng)。修整增益的第二種方法是改變反饋路徑中的C2C梯架；但由于這一梯架也影響到TGC的穩(wěn)定性和帶寬，所以這種方法能修整的增益范圍有限。
圖19所示TGC 18放大器的增益隨著控制字的增大而線性地增大。然而其中的衰減卻與控制字的值成對(duì)數(shù)關(guān)系，所以若能使增益也按均勻的對(duì)數(shù)步長(zhǎng)增大將是方便的。這樣做之后便可以對(duì)各個(gè)不同通道預(yù)先設(shè)定一個(gè)特定增益，而來自前端控制器的“增大”信號(hào)將使所有通道的增益增加大體相同的量。采用線性序列時(shí)，那些初始增益較大的通道的增益增大量將比那些初始增益較小的通道的增益增大量小。
Ⅳ 2．1指數(shù)解碼一個(gè)帶有j比特控制字的C2C梯架按照下式對(duì)輸入信號(hào)施加線性衰減out=in×N／2j(4)其中N是j比特控制字的值。如果N值小，則輸出也??；如果N為滿度值(2j-1)，則衰減非常小。在對(duì)數(shù)標(biāo)尺下有outdB=indB+20*(log(N)-j*log(2))，(5)這是一個(gè)N的非線性函數(shù)。然而，如果N以2的冪次增加，即N=2M(6)其中M是另一個(gè)十進(jìn)制整數(shù)(M=0，1，2…)，則對(duì)數(shù)標(biāo)尺下的輸出為outdB=indB+20*(M*log(2)-j*log(2))，(7)現(xiàn)在的輸出變成為M的線性函數(shù)，其中l(wèi)og(2)和j都是常數(shù)。M每增大1增益將增大20*log(2)=6．02dB。對(duì)于我們的應(yīng)用來說，這樣的步距太粗了，所以要把它分成8個(gè)或16個(gè)線性步距。步距約等于(20／8)*log(2)=0．756dB將更為合適。假定在TGC中需要總共40dB的動(dòng)態(tài)范圍，則需要40／0．7526=53個(gè)不同的步數(shù)。這意味著用一個(gè)6比特的數(shù)字字作為控制碼就可以唯一地代表全部各種步數(shù)。
6比特的數(shù)字碼被分成兩段，其中一個(gè)3比特字(8個(gè))用于線性的尾數(shù)部份，另一個(gè)3比特字(占有7個(gè)碼)用于指數(shù)部分。其中線性部分把6dB的區(qū)間分成大致均勻的8步，而指數(shù)部分則以指數(shù)方式增大增益。較具體地說，把線性部分設(shè)定為NlinN=mod(N，8)+8(8)其中mod()函數(shù)是取模操作，把結(jié)果限定為
NlinN的值就是3比特線性控制碼加上前面的一個(gè)第四二進(jìn)制位(即加上十進(jìn)制的8)，所以結(jié)果是一個(gè)[8，9，_，15]范圍內(nèi)的數(shù)字值。指數(shù)成分位于6比特控制碼的高三位，使得NexpN=2(N-mod(N，8))／8(9)這意味著當(dāng)N為
時(shí)NexpN與式(6)中的N一樣，以2的冪次的增大。
為了得到近似為指數(shù)的增益，這些高位比特按31解碼成C2C梯架上的6個(gè)控制比特，從而實(shí)現(xiàn)1／64[1，2，4，8，16，32]這6種增益(衰減)，每種增益(衰減)為NexpN／26。如圖20B所示，第一個(gè)增益級(jí)的輸出驅(qū)動(dòng)第二個(gè)可變?cè)鲆婕?jí)。該第二個(gè)增益級(jí)按照式(8)施加線性增益(衰減)。這個(gè)增益項(xiàng)的歸一化因子是1／24，所以總增益是NlinN／24。這兩級(jí)可變?cè)鲆娼Y(jié)構(gòu)的總增益是各自增益的乘積，以dB為單位可以寫成GdBN=20*log(NlinN*NexpN／1024)．(10)式中的常數(shù)1024是一個(gè)增益偏置，由于它可以在系統(tǒng)中其他環(huán)節(jié)處予以補(bǔ)償(例如TGC反饋路徑上的一個(gè)固定C2C級(jí))，所以在進(jìn)一步討論時(shí)不再考慮它。一種雖然較不直觀但效率較高的實(shí)現(xiàn)同樣增益的方法是，利用一個(gè)筒式移位裝置把線性增益項(xiàng)NlinN向左移位適當(dāng)?shù)奈粩?shù)，以得到NexPN增益項(xiàng)。如圖20A所示，在對(duì)得到的值的前后充填一些零之后，將它用來選擇單C2C級(jí)的增益(衰減)。由于其簡(jiǎn)單性，該方法是實(shí)現(xiàn)指數(shù)增益的一個(gè)優(yōu)選方法。
圖21示出式(10)增益的半對(duì)數(shù)關(guān)系曲線。很明顯，以dB為單位的增益隨著控制字N的線性增大而接近線性地增大。在該曲線上可以看到一些波動(dòng)，因?yàn)樵谶@些地點(diǎn)6dB的指數(shù)項(xiàng)(NexpN)不均勻在混在線性項(xiàng)(NlinN)中。圖22示出了相對(duì)于理想指數(shù)增益的增益誤差曲線。當(dāng)步長(zhǎng)為0．75dB時(shí)，在8種線性步數(shù)上出現(xiàn)±0．25dB的增益起伏。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說是可以接受的。這兩條曲線表明，數(shù)字控制字的這種指數(shù)解碼確實(shí)小的誤差在TGC結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生指數(shù)增益。
為了把系統(tǒng)的線性步距從0．75dB減小到0．326dB，可以重新計(jì)算這個(gè)解碼方法，使得把3個(gè)高位比特分配給指數(shù)項(xiàng)(動(dòng)態(tài)范圍例如仍為40dB)，而把4個(gè)低位比特分配給線性項(xiàng)。新的增益項(xiàng)將是。
NlinN=mod(N，16)+16 (11)NexpN=2(N-mod(N，16))／16(12)仍然采用與圖20A所示的類同的結(jié)構(gòu)，將得到類似的增益曲線圖，只是這里的線性步數(shù)比前面多了一倍。有意思的是，這一步數(shù)增加并不改變總誤差的方差。這是因?yàn)槠渲械闹笖?shù)增益項(xiàng)由3個(gè)最高位比特決定，在C2C梯架結(jié)構(gòu)中仍被限制為6dB的增量。不論那些線性步距如何被細(xì)分，這些指數(shù)步距內(nèi)的各線性步總是與理想的指數(shù)增益相差同樣的量(它剛好充滿圖22中各樣本之間的空間)。一種不同于C2C的電容器梯架結(jié)構(gòu)可能通過減小指數(shù)步數(shù)來改善這一誤差。
有一種減小TGC總誤差方差的方法，即以不同的偏置增益來平均兩個(gè)指數(shù)增益的斜率。請(qǐng)注意上述單個(gè)指數(shù)斜坡時(shí)誤差的“凸瘤”性質(zhì)。如果可以形成另一個(gè)斜坡使其凸瘤與原來斜坡的凹谷重疊，則它們的平均將大為減小相對(duì)于理想指數(shù)增益的誤差。圖23的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，其中用被偏置了模值的一半(這里為4)的控制字去控制第二個(gè)指數(shù)增益結(jié)構(gòu)。(因此，這第二個(gè)結(jié)構(gòu)的增益將與第一個(gè)結(jié)構(gòu)的相差4×0．75dB=3dB，不過這是一個(gè)小的差別，它可以忽略或在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)予以補(bǔ)償)。在C2C梯架的輸出端進(jìn)行模擬求和(或者可以把兩個(gè)梯架合在一個(gè)結(jié)構(gòu)中)。圖24示出了結(jié)果誤差。起伏量從±0．25dB降低到了±0．09dB，這是一個(gè)重大的改進(jìn)。另一種可能的結(jié)構(gòu)是先進(jìn)行增益乘積的相加，然后再把它們施加給單個(gè)C2C梯架結(jié)構(gòu)。圖25示出了一種這樣的結(jié)構(gòu)。
Ⅳ．3△∑調(diào)制器模數(shù)轉(zhuǎn)換器把一個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)多比特的數(shù)字字。每個(gè)數(shù)字以一定的量化誤差唯一地代表一個(gè)模擬電壓。而△∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器則以其輸出量化器的比特?cái)?shù)換取更高的樣本率。單比特的量化器在許多種處理器中都是容易實(shí)現(xiàn)得多，并且作為一種把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的有效途徑，也為電子產(chǎn)業(yè)界所喜愛。在能容易地適應(yīng)采樣頻率增加的低頻(例如聲頻)應(yīng)用中，這種A／D已變得十分普及。
除了輸出端的單比特量化器之外，△∑A／D 24還含有一些積分器(因此稱作“∑”)和反饋電路(因此稱作“△”，它們執(zhí)行輸入信號(hào)對(duì)數(shù)字輸出的調(diào)制。這些模擬處理元件的設(shè)計(jì)可以是基于可切變電容器，連續(xù)可調(diào)電容器，甚至CCD的。圖26A示出了一個(gè)二階△∑A／D的方框圖，其中Z-1代表延時(shí)，Q為量化器，Q-1為數(shù)模轉(zhuǎn)換器。例如，如果允許模擬輸入在-500mV與+500mV之間變動(dòng)，則當(dāng)△∑A／D 24的輸入端電壓大于或等于0V時(shí)量化器的輸出將為數(shù)字“1”，否則將輸出“0”。當(dāng)輸出為“0”或“1”時(shí)，Q-1級(jí)的反饋分別為-500mV或+500mV。
△∑A／D 24的整體作用是對(duì)量化噪聲整形，使其大部分功率位于輸入信號(hào)的帶寬之外。不過輸入信號(hào)將無改變地通過這個(gè)A／D。對(duì)于大的過采樣率，只有極少量的量化噪聲位在輸入信號(hào)的帶寬內(nèi)。通過讓比特流經(jīng)過一個(gè)低通濾波器以截去量化噪聲，便能最終重建出該信號(hào)的多比特?cái)?shù)字表示。接著還可以使該數(shù)字進(jìn)行取舍處理。
△∑A／D 24對(duì)超聲成束電路的應(yīng)用是直觀的。用△∑A／D 24來替代多比特A／D將使其后的所有處理單元減少8至10比特的比特寬度，導(dǎo)致尺寸和功耗的明顯減小。困難在于其樣本率必須比多比特A／D的快16-32倍。對(duì)于超聲頻率來說，這一過采樣將使鐘頻遠(yuǎn)大于100MHz，這對(duì)某些技術(shù)來說是難以適應(yīng)的。不過有一個(gè)結(jié)果是可以容易地實(shí)現(xiàn)的，即為保持一個(gè)在焦的接收束而需要的動(dòng)態(tài)延時(shí)改變。通過簡(jiǎn)單地重復(fù)或舍棄一個(gè)樣本或者在某個(gè)特定樣本后面插入零值，便可使數(shù)據(jù)流偏置一個(gè)時(shí)鐘周期，對(duì)于高質(zhì)量的聲束導(dǎo)向和動(dòng)態(tài)聚焦而言，這一偏置將是足夠的。在傳統(tǒng)的多比特A／D系統(tǒng)中，要達(dá)到同等的延時(shí)分辨率將需要一些大功耗的硬件，包括每個(gè)通道中的復(fù)雜濾波器、FIFO存儲(chǔ)器、取舍器和相位滾動(dòng)器。所以看來△∑成束器能夠大幅度地減小功耗和尺寸。
利用密執(zhí)安大學(xué)生物醫(yī)學(xué)超聲實(shí)驗(yàn)室所采集到的實(shí)際超聲數(shù)據(jù)，對(duì)GE(通用電器公司)在美國(guó)專利No．5，203，335中所提出的原型△∑成束器進(jìn)行了仿真。也研究了利用過采樣的其他可能的成束結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)GE所提出的結(jié)構(gòu)有著明顯降低圖像質(zhì)量的缺點(diǎn)。這一缺點(diǎn)直接起因于接收成束過程中的動(dòng)態(tài)延時(shí)改變。較具體地說，當(dāng)加大延時(shí)量時(shí)在比特流中使樣本重復(fù)將在信號(hào)通帶內(nèi)導(dǎo)入額外的噪聲，而這種噪聲是重建濾波器不能濾除的。
圖27所示的△∑A／D和低通重建濾波器構(gòu)成了一個(gè)調(diào)制器一解調(diào)器對(duì)。雖然可以在調(diào)制器與解調(diào)器之間插入線性時(shí)間不變系統(tǒng)而不致帶來不良影響，但例如使一個(gè)樣本重復(fù)這樣的非線性操作都可能破壞調(diào)制器與解調(diào)器之間的同步性。在正常操作中，調(diào)制器的運(yùn)行變動(dòng)在解調(diào)器的濾波器中被抵消，從而得到輸入的不失真表示。當(dāng)插入一個(gè)額外樣本(或抽走一個(gè)樣本)時(shí)，解調(diào)器濾波器的節(jié)點(diǎn)將不再匹配于調(diào)制器用來產(chǎn)生插入信號(hào)的節(jié)點(diǎn)。結(jié)果，由于濾波器通過了一些不應(yīng)通過的能量，使輸入信號(hào)的質(zhì)量降低。
這一問題也可看成是一種互調(diào)制干擾。△∑調(diào)制后的信號(hào)中有許多能量位于奈奎斯特頻率附近。然而輸入信號(hào)卻因過采樣而接近于DC(實(shí)際的DC值為零)。當(dāng)重復(fù)調(diào)制信號(hào)中的一個(gè)樣本時(shí)，樣本流的平均值(DC頻率)將被偏置。因?yàn)榻庹{(diào)／重建濾波器的通帶包含了DC，所以有一部分DC功率將傳到解調(diào)器的輸出端。這就是說，信號(hào)中某些頻率較高的功率被折迭回到了較低的頻率處。
對(duì)真實(shí)超聲數(shù)據(jù)的仿真表明，在重復(fù)一個(gè)樣本之前對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行濾波可以減少延時(shí)量改變對(duì)像質(zhì)的不利效果。為了除去大部分的調(diào)制噪聲，需要十分復(fù)雜的濾波器，在某種意義上看這是使解調(diào)器在延時(shí)量改變之前移動(dòng)。但由于這時(shí)解調(diào)器的輸出將是一個(gè)以非常高的速度運(yùn)行的多比特?cái)?shù)字信號(hào)，所以這完全違背了進(jìn)行調(diào)制的目的。GE專利的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于僅使用單比特?cái)?shù)字值實(shí)現(xiàn)所有的延時(shí)和求和。
簡(jiǎn)單地說，由于導(dǎo)入了一個(gè)重復(fù)的樣本，調(diào)制器和解調(diào)器將出現(xiàn)暫短的不同步，因?yàn)榻庹{(diào)器“看”到了這個(gè)重復(fù)樣本而調(diào)制器卻沒有“看到”。本發(fā)明首次公開了一種簡(jiǎn)單的解決方法，即強(qiáng)迫調(diào)制器在其操作中，因而在對(duì)后續(xù)樣本調(diào)制中，把重復(fù)(或舍棄)的樣本考慮在內(nèi)。為此在反饋回路中插入一個(gè)多路復(fù)用器，在零、、正常或2倍三個(gè)級(jí)別中選擇一個(gè)。由于每個(gè)被重復(fù)的樣本在解調(diào)器中將遇到兩次，所以對(duì)于后面將在延時(shí)結(jié)構(gòu)中被重復(fù)的樣本，反饋大小應(yīng)為2倍。對(duì)于那些在延時(shí)結(jié)構(gòu)中被舍棄的樣本，由于解調(diào)器將看不到它們，所以反饋大小應(yīng)為零。最后，對(duì)于正常的不被重復(fù)的樣本反饋大小應(yīng)為1。這種如圖26B所示的含有反饋多路復(fù)用器124的調(diào)制器將稱作補(bǔ)償或△∑調(diào)制器。
在延時(shí)結(jié)構(gòu)34中使樣本流伸長(zhǎng)有三種方法重復(fù)一個(gè)樣本、把樣本分成兩個(gè)相同的部分、或者插入零樣本。對(duì)于把樣本分成兩個(gè)相同部分或插入零樣本的情況，調(diào)制器不需要做什么來補(bǔ)償樣本序列。這是因?yàn)闆]有進(jìn)行過任何會(huì)影響平均信號(hào)功率或分布的操作，所以調(diào)制器和重建濾波器保持著同步。反之，重復(fù)一個(gè)樣本將產(chǎn)生兩個(gè)同樣大小的樣本。于是調(diào)制器必須補(bǔ)償這個(gè)重復(fù)。類似地，有兩種壓縮數(shù)據(jù)流的方法舍棄一個(gè)樣本或把一個(gè)樣本與下一個(gè)樣本相加在一起。對(duì)于這兩種情況都可以把輸出和反饋樣本設(shè)置為零，如圖26C所示。這將正確地補(bǔ)償調(diào)制器并允許各樣本以直接的方式加在一起。舍棄一個(gè)樣本相當(dāng)于使FIFO存儲(chǔ)器的讀出指針每次增加2，這時(shí)被舍棄樣本的值無關(guān)緊要。圖26C中的結(jié)構(gòu)126把舍棄樣本設(shè)置為零，但由于被棄掉的樣本可以有任何值，所以只有反饋路徑需要作圖26B中的修改。圖26B和26C中加亮的部分含有多路復(fù)用器124、126和2×緩存器128，它們是本發(fā)明補(bǔ)償式△∑調(diào)制器的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。
另外兩種使樣本流伸長(zhǎng)的方法要求把一個(gè)樣本分成兩個(gè)相同的樣本或者插入零樣本。由于這兩種技術(shù)都能保持非補(bǔ)償式△∑調(diào)制器與解調(diào)器之間的同步性，所以它們都是有效的。插入零的技術(shù)把一個(gè)近似等于周圍所有+1樣本和-1樣本的平均值的樣本插入到樣本流中，所以不會(huì)傷害重建的信號(hào)。一分為二技術(shù)把一個(gè)調(diào)制樣本延拓成兩個(gè)新樣本，從而保持了原始信號(hào)的總能量。這兩種技術(shù)(本公開中也稱為充填比特技術(shù))都需要對(duì)延時(shí)△∑樣本進(jìn)行重新數(shù)字編碼，以準(zhǔn)確地代表新的大小級(jí)別。加上第三個(gè)級(jí)別零(0)，在數(shù)字字中只需多一個(gè)比特位。這一增加的比特可以用來合成出如下兩種不同但等價(jià)的二進(jìn)制代碼
不過，一分為二技術(shù)卻因+1與-1之間的兩個(gè)新級(jí)別的位置而需要增加兩個(gè)比特，下面給出這種編碼的一個(gè)例子
實(shí)現(xiàn)這4種編碼的技術(shù)原理圖如38A-D所示。由于無正負(fù)號(hào)插零技術(shù)簡(jiǎn)單卻有相同的性能，因此在基于數(shù)字△∑的成束器中是改變動(dòng)態(tài)接收延時(shí)量的優(yōu)選方法。還有，由于增多了比特?cái)?shù)，所以最好在延時(shí)線的輸出端處執(zhí)行延時(shí)量的改變，這樣就不需要讓增多的比特通過整個(gè)結(jié)構(gòu)。作為一種可能的CCD實(shí)現(xiàn)，零樣本可以是一個(gè)位于+1與-1電平正中間的恒定模擬電壓，而一分為二技術(shù)可以容易地利用一種電荷分裂結(jié)構(gòu)做到。
所有這些方法(補(bǔ)償式△∑、插零、和一分為二)都通過保證動(dòng)態(tài)接收成束器中在隨時(shí)間變化的延時(shí)改變前后調(diào)制器與解調(diào)器都能保持同步，明顯地提高了最后圖像的質(zhì)量。這種調(diào)制雖然簡(jiǎn)單，但效果是明顯的。
如Ⅲ．3節(jié)中所討論的，延時(shí)線的性質(zhì)對(duì)容易控制樣流的方法有很大影響。例如互補(bǔ)延時(shí)線是為通過重復(fù)一個(gè)樣本來增大延時(shí)量而設(shè)計(jì)的，所以插零方法或一分為二地能作為一種具有復(fù)雜時(shí)序要求的后延時(shí)處理步驟來執(zhí)行。其他結(jié)構(gòu)如16分支樹方法很自然地允許在輸出端處把一些零插入到樣本流。與CMOS數(shù)字實(shí)現(xiàn)相反，CCD實(shí)現(xiàn)能簡(jiǎn)單地通過把電荷包分成兩個(gè)來執(zhí)行一分為二方法，而CMOS實(shí)現(xiàn)則需要更多的比特位來代表增加的級(jí)別。
Ⅳ．4預(yù)調(diào)制器已經(jīng)確定有三種方法可以改善△∑調(diào)制器的信噪比性能。第一種方法是增大系統(tǒng)的樣本率。大幅度地增大樣本率雖然在原理上是直接的，但對(duì)于某種特定的微電路制造技術(shù)(例如CMOS、BiCMOS、雙極晶體管等技術(shù))來說，這可能是困難的。每種技術(shù)的最大操作頻率受到器件本征特性的限制。這意味著△∑調(diào)制器的操作速度受到限制。第二種方法是給量化器增添更多的可分辨比特，但這樣使調(diào)制器的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。調(diào)制器中大于兩個(gè)的量化級(jí)別(或更具體地，反饋路徑中D／A轉(zhuǎn)換器即Q-1的大于兩個(gè)的量化級(jí)別)常常需要極復(fù)雜的電路來補(bǔ)償微電路的失配。第三種方法是改變被數(shù)字化信號(hào)的頻率。如果信號(hào)帶限在接近于載波中心頻率的附近，則該信號(hào)可被外差中繼(移頻)到一個(gè)較低中頻(IF)上。調(diào)制可以利用與一個(gè)余弦信號(hào)的相乘來實(shí)現(xiàn)，如圖28所示。
時(shí)域中的相乘代表頻域中的卷積。因此，用余弦信號(hào)去乘輸入信號(hào)將在每個(gè)余弦頻率成份處復(fù)制出一個(gè)信號(hào)頻帶。如果余弦調(diào)制器的頻率f0=fc+△f，其中fc為中央頻率，△f是頻差，則新的信號(hào)頻帶將變成原信號(hào)頻帶的多個(gè)移頻了的復(fù)制頻帶。注意，只要頻差大于1／2的信號(hào)帶寬，則各個(gè)旁瓣將不會(huì)混入到零頻(DC)附近?？紤]到疊加，超聲信號(hào)可以認(rèn)為是單頻的，用數(shù)學(xué)形式表示調(diào)制可以寫出S(t) = cos(ω0t)·A(t)cos(ωCt) = 1/2 A(t)[cos(ω0-ωC)t + cos(ω0+ωC)t]， (13)其中A(t)是脈沖的包絡(luò)，S(t)是得到的調(diào)制信號(hào)。該函數(shù)的傅里葉變換為S(ω)=A(ω)_[δ(ω+ωC-ω0)+δ(ω-(ωC-ω0))+δ(ω+ωC+ω0)+δ(ω-(ωC+ω0))]， (14)求出卷積(_)得到S(ω)= A(-(ωC-ω0))+A(ωC-ω0)+A(-(ωC+ω0))+A(ωC+ω0). (15)
因此，得到的信號(hào)由兩個(gè)相同的頻譜組成，一個(gè)被移頻了W0，另一個(gè)被移頻了-W0。其后對(duì)移頻了的負(fù)旁瓣進(jìn)行取基頻帶和濾波，將等效于對(duì)原始正旁瓣的取基頻帶和濾波。
把這個(gè)移頻技術(shù)應(yīng)用于△∑調(diào)制器24的輸入端將有效地增大系統(tǒng)的信噪比。經(jīng)過預(yù)調(diào)制之后(為了避免與△∑調(diào)制發(fā)生混淆，我們將稱此為預(yù)調(diào)制)，真實(shí)信號(hào)的旁瓣將位于DC附近，在這里進(jìn)行△∑調(diào)制器的噪聲整形對(duì)于減小量化噪聲將最為有效。
實(shí)現(xiàn)精確的余弦相乘需要很多硬件。為了簡(jiǎn)單，可以用具有相同基頻的方波信號(hào)來替代余弦信號(hào)，于是相乘變?yōu)閷?duì)輸入信號(hào)的+1或-1。這種預(yù)調(diào)制對(duì)基頻將產(chǎn)生同樣的調(diào)制，但會(huì)出現(xiàn)一些來自3級(jí)、5級(jí)、7級(jí)等諧頻的較小的成份。由于這些諧頻成份，功率將以極高的頻率注入到信號(hào)中，這可能會(huì)迫使△∑調(diào)制器進(jìn)入一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的循環(huán)。不過在實(shí)踐中，各種模擬處理元件的實(shí)際限制將使增益自然地隨頻率增大而減小，從而減小了較高級(jí)諧頻成份的影響。
典型地，成束器通過在對(duì)整個(gè)陣列進(jìn)行相干求和之前改變施加給A／D輸出信號(hào)的延時(shí)量來產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)的按收焦點(diǎn)。其唯一例外是頻譜多普勒測(cè)量，其中因?yàn)閮H在一個(gè)小范圍內(nèi)探測(cè)多普勒信號(hào)，因此成束器工作于一個(gè)固定的接收焦點(diǎn)上。然而，對(duì)于需對(duì)A／D輸出施加動(dòng)態(tài)延時(shí)的正常操作模態(tài)，卻需要改變預(yù)調(diào)制信號(hào)(+1、-1)以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)載波的相位。作為一個(gè)例子，考慮如圖29所示的一個(gè)簡(jiǎn)化情形，其中感興趣的信號(hào)(系統(tǒng)的輸入信號(hào))是一個(gè)相位任意的余弦信號(hào)。在被動(dòng)態(tài)延時(shí)之前的A點(diǎn)，信號(hào)在數(shù)學(xué)上可表示為A(t+tn) cos(ωc(t+τn))*cos(ω0t+θn(t))． (16)如果θn(t)=W0τn，則它將簡(jiǎn)化為[A(t+τn)/2][cos((ωc-ω0)(t+τn))+cos((ωc+ω0)(t+τn))]．(17)其中(Wc+W0)項(xiàng)是一個(gè)高頻項(xiàng)，將被重建濾波器濾除。進(jìn)入延時(shí)線的感興趣趣信號(hào)是(A(t+tn)/2)cos((ωc-ω0)(t+τn))．(18)這表明在施加了延時(shí)(即tft-τn)之后，向求和器輸出的信號(hào)將是一個(gè)差頻下的無相移余弦信號(hào)，因此所有的通道將干涉，產(chǎn)生一個(gè)焦點(diǎn)。通過把調(diào)制信號(hào)選為cos(ω0t+ω0tn)(19)我們補(bǔ)償了輸入給延時(shí)線的信號(hào)的相位，以進(jìn)行同時(shí)的延時(shí)改變。所以，當(dāng)延時(shí)線使延時(shí)量改變一個(gè)樣本時(shí)，預(yù)調(diào)制器必須使與輸乘相錄的信號(hào)的相位提前W0τn。
同樣的相位提前原理適用于我們的簡(jiǎn)化調(diào)制方案。因此，+1和-1調(diào)制器的相位必須既考慮到通道的初始延時(shí)，又考慮到由動(dòng)態(tài)聚焦而可能作出的延時(shí)改變。通過給一個(gè)除N計(jì)數(shù)器預(yù)選一個(gè)對(duì)應(yīng)于調(diào)制器希望相位的值，便可容易地做到這點(diǎn)。該計(jì)數(shù)器將以樣本率工作，并且每隔fs／(2fo)個(gè)時(shí)鐘周期改變一次調(diào)制器的狀態(tài)，其中fs為樣本率，f0為調(diào)制頻率，當(dāng)控制電路指明延時(shí)量發(fā)生了一個(gè)樣本的改變時(shí)，除N計(jì)數(shù)器必須在一個(gè)循環(huán)中增值兩次。由于延時(shí)線在每次延時(shí)改變時(shí)將重復(fù)一個(gè)樣本，所以調(diào)制器通過立即作出+1／-1或-1／+1的轉(zhuǎn)變來作為響應(yīng)是合理的。這兩個(gè)動(dòng)作將互相抵消，使得延時(shí)線外部的調(diào)制信號(hào)不發(fā)生變化。
把這個(gè)預(yù)調(diào)制方案與前面公開的△∑調(diào)制相結(jié)合，將得到圖30所示的電路。如果△∑調(diào)制器和模擬前端的樣本率足夠地高，則可能不需要預(yù)調(diào)制器。這里同樣存在著功率與電路復(fù)雜性之間的折衷問題，加上了預(yù)調(diào)制器將使電路較為復(fù)雜，但由于延時(shí)級(jí)將有較低的鐘頻，功耗將會(huì)下降，在進(jìn)行最后設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)仔細(xì)推敲這些折衷。
Ⅳ．5動(dòng)態(tài)接收除旁瓣當(dāng)相對(duì)于焦點(diǎn)的距離約為形成聲束時(shí)所用孔徑的兩倍大時(shí)，對(duì)接收數(shù)據(jù)的延時(shí)量可以按拋物線近似施加。這一最小F／數(shù)準(zhǔn)則限制了用于十分接近于陣列表面的焦點(diǎn)的接收單元數(shù)目。動(dòng)態(tài)除旁瓣是一種離有效陣列表面的距離(焦距)增大而逐漸開大接收孔徑的處理，接收束將從只有很少幾個(gè)對(duì)相干求和有貢獻(xiàn)的中央單元開始。其他單元在滿足F／數(shù)準(zhǔn)則的時(shí)刻(距離)之前是被切斷的，各單元的接通相對(duì)于陣列中心來說是對(duì)稱的，即每次接通兩個(gè)。
由于△∑調(diào)制器的輸出(代表+1或-1的單比特輸出)的離散性質(zhì)，簡(jiǎn)單地使A／D的輸出為零需要給每個(gè)樣本添加第二個(gè)比特來代表這第三種(0)級(jí)別。還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在圖像的低回聲(echogenic)區(qū)域中當(dāng)接通通道時(shí)將出現(xiàn)切換缺陷。使調(diào)制器輸出為零將使重建濾波器不能產(chǎn)生出與調(diào)制器反饋相同的樣本歷史，于是將發(fā)生一個(gè)亮點(diǎn)(glitch)。這與提出補(bǔ)償式△∑調(diào)制器的背景(見Ⅳ．3節(jié))完全相同，對(duì)于這個(gè)問題有三種大致等價(jià)的解決方法，它們都能實(shí)現(xiàn)對(duì)接收孔徑的無亮點(diǎn)除旁瓣。
第一種方法是把一個(gè)零輸入，而不是來自陣列單元的RF信號(hào)，轉(zhuǎn)接到△∑調(diào)制器(和／或任選的預(yù)調(diào)器)上。當(dāng)該單元被切斷時(shí)，調(diào)制器將對(duì)一個(gè)零電平數(shù)字化，作為+1和-1樣本序列。由于△∑的輸出仍然只是一個(gè)比特(也即不需改變數(shù)據(jù)路徑)并且沒有起動(dòng)亮點(diǎn)，所以這樣的是有利的。
第二種方法利用所含的預(yù)調(diào)制器把輸入信號(hào)的頻率移到奈奎斯特(π)頻率上，從而使其完全位于重建濾波器的通帶之外。這將在不增加任何額外模擬電路的情況下有效地把該信號(hào)排除在相求和之外，只要簡(jiǎn)單地把預(yù)調(diào)制序列設(shè)定為+1、-1、+1、-1等等便可以把頻率移到奈奎斯特頻率上。當(dāng)陣列單元被接通時(shí)，便施加上述預(yù)調(diào)制序列，或者，如果沒有使用預(yù)調(diào)制，則可以施加一個(gè)權(quán)重因子+1(通過)。
第三種，即最后一種方法是，把調(diào)制器的輸出修改為零，同時(shí)切斷調(diào)制器內(nèi)的所有反饋路徑(積分器和Q-1)。這將在陣列單元斷開時(shí)把調(diào)制器的輸出設(shè)置為零，并防止調(diào)制器在其存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中形成一個(gè)樣本歷史。這個(gè)方法的一個(gè)突出缺點(diǎn)是需要輸出中的一個(gè)額外比特用于零級(jí)別，而且因?yàn)樗械姆答伮窂蕉急仨毷强蓴嚅_的，所以還會(huì)給調(diào)制器大量增大電路的復(fù)雜性(以及可能的噪聲)。
Ⅳ．5預(yù)調(diào)制器、除旁瓣器、調(diào)制器的小結(jié)和實(shí)現(xiàn)Ⅳ．3至Ⅳ．5節(jié)給出了對(duì)△∑調(diào)制器，預(yù)調(diào)器制器和進(jìn)行接收除旁瓣的方法的詳細(xì)說明。通過這些討論應(yīng)該清楚，它們之間是緊密相關(guān)的，并且它們以某種方式形成了一個(gè)單一的功能單元，即一個(gè)可以激活的過采樣A／D轉(zhuǎn)換器24。實(shí)現(xiàn)這種單元所需的一些細(xì)節(jié)將在本節(jié)討論。其中，特別是關(guān)于可切換電容器的實(shí)現(xiàn)與時(shí)間連續(xù)的實(shí)現(xiàn)之間的比較，還包括了關(guān)于它們自身的一組折衷權(quán)衡因素，為了確定對(duì)本應(yīng)用最合適的技術(shù)，這些權(quán)衡因素是必須予以評(píng)估的。
圖31示出了預(yù)調(diào)制器△∑調(diào)制差動(dòng)／積分級(jí)的一種可供選擇的方案。其中預(yù)調(diào)制器用一個(gè)雙平衡混頻器實(shí)現(xiàn)，該混頻器控制著電流從該結(jié)構(gòu)的一個(gè)臂流下還是從另一臂流下。如圖30所示，來自△∑調(diào)制器的D／A反饋將電流添加到來自形成差動(dòng)操作的D／A反饋的一臂或另一臂上。電容器CI對(duì)兩臂之間(圖30中的積分器環(huán)路)的電流積分，并以一個(gè)電壓輸出完成△∑調(diào)制器的第一級(jí)。另外的差動(dòng)／積分級(jí)和一個(gè)主從比較器將完成該調(diào)制器，除旁瓣功能可能利用上節(jié)所述的+1，-1，+1，-1…預(yù)調(diào)器序列來完成，或者也可以通過不相同的DC信號(hào)，同時(shí)去驅(qū)動(dòng)差動(dòng)預(yù)調(diào)制器的兩個(gè)輸入來施加有效0。
Ⅳ．6 SP，動(dòng)態(tài)延時(shí)和充填比特電路過采樣A／D 24的單比特輸出被通過一個(gè)Ⅲ 3A節(jié)中所討論的一個(gè)116的串／并轉(zhuǎn)換器28，以減小動(dòng)態(tài)和固定延時(shí)結(jié)構(gòu)34、40的鐘頻。然而，由于Ⅲ 3．6節(jié)中的筒式移位技術(shù)能使用一個(gè)低功率、高密度的動(dòng)態(tài)FIFO存儲(chǔ)器來對(duì)付16個(gè)并行的比特(加上一個(gè)用作跳變旗標(biāo)的比特)，所以該技術(shù)是優(yōu)選的，而且，如Ⅲ．3．6．1節(jié)中所討論的，由于充填比特編碼僅對(duì)16個(gè)樣本中的一個(gè)進(jìn)行，所以直到成束器的輸出端之前，其余15個(gè)樣本可以按正常方式處理。結(jié)果是對(duì)這15個(gè)樣本來說有較短的數(shù)據(jù)路徑。
在發(fā)射時(shí)期充填比特電路還被控制得把所有零插入到豎向相加器中，使得通過靜態(tài)延時(shí)的接收路徑通道切換成接收模態(tài)時(shí)已被裝上了零。這還可以減少模擬前端部處可能引入的延遲線切換噪聲。由于所有存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)都是恒定的，所以很少會(huì)有許多CMOS器件在時(shí)鐘邊緣切換時(shí)造成的動(dòng)態(tài)電源線毛刺。
Ⅳ．7豎向求和豎向求和可以用CMOS電路實(shí)現(xiàn)，不過CCD實(shí)現(xiàn)時(shí)也可以簡(jiǎn)單地通過把每個(gè)豎向通道的量化電荷“包”匯集到一起來進(jìn)行求和。CMOS求和可以按并行方式也可以按串行方式執(zhí)行。對(duì)于320 MHz的接收樣本率，必須在一個(gè)短達(dá)3．13ns的時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)8個(gè)2比特的豎向通道進(jìn)行求和。7次或8次相繼的相加對(duì)于需在一個(gè)周期內(nèi)完成的所有相加來說需要過多的的邏輯級(jí)別，于是加法器可能不得不是串行式的，其中在一個(gè)周期中計(jì)算部分和，然后在第二周期中進(jìn)行的最后相加將完成該操作。幸運(yùn)的是，隨著微電路制造技術(shù)的改進(jìn)，邏輯門的延時(shí)逐漸減少，從而減小了對(duì)串行式的依賴性。還有，對(duì)于在多數(shù)CMOS加法器，進(jìn)位鏈(即從一個(gè)比特向下一個(gè)比特進(jìn)位)是關(guān)鍵的路徑，不過對(duì)本應(yīng)用來說，由于字是短的，所以進(jìn)位鏈也是短的，需要較少的邏輯級(jí)別。最后產(chǎn)品的器件性能指標(biāo)確定這些相加是否能在一個(gè)或兩個(gè)(或更多個(gè))周期內(nèi)完成。
Ⅳ．8梳狀濾波器和取舍最佳的取舍級(jí)可能是在豎向求和級(jí)38的后面，這樣可以減小通過固定延時(shí)線的數(shù)據(jù)鐘頻。還可以在成束器10的輸出端包含一個(gè)類似的取舍級(jí)50。這種取舍需要一個(gè)多級(jí)梳狀(Sinc)濾波器以防止頻譜混淆的△∑調(diào)制噪聲進(jìn)入信號(hào)。有大量文獻(xiàn)描述了各種執(zhí)行這種濾波器一取舍功能的不同結(jié)構(gòu)(見Candy和Temes的“OversamplingDelta-Sigma Data Converters(過采樣△∑數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器”)或者Norsworthy，Schreier和Temes的“Delts-Sigma Data Converters(△∑數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器)”此兩書均由IEEE出版社出版)。這里要采用的結(jié)構(gòu)是利用了由2的互補(bǔ)的二進(jìn)制符號(hào)提供的模數(shù)算法。處理單元包括一些布置成多至4個(gè)串級(jí)濾波器(4級(jí))的加法器且其后跟一個(gè)41至161的取舍級(jí)，該比例的大小取決于接收樣本率。由于執(zhí)行了多次相加，輸出字的寬度要比輸入字的寬度(每字4-5比特)寬得多。輸出字寬度取決于所用濾波器的級(jí)次和從輸入到輸出的取舍比率。
在另一個(gè)實(shí)施例中執(zhí)行的不是對(duì)4比特豎向求和輸出的濾波和取舍，而是另一個(gè)串／并轉(zhuǎn)換操作，它利用較低的鐘頻生成一個(gè)十分寬的延時(shí)的字。這種并行化結(jié)構(gòu)需的額外存儲(chǔ)單元的功耗要比進(jìn)行取舍所需的功耗多。不過，由于不需要因高速工作而有大的功耗的濾波器取舍結(jié)構(gòu)，上述增大的功耗得到了補(bǔ)償。
Ⅳ．9固定延時(shí)固定延時(shí)線40已在Ⅲ．3節(jié)說明。其接收時(shí)的操作完全相同于發(fā)射時(shí)的操作。在一個(gè)聲束期間它保持著恒定的延時(shí)量，但對(duì)于各次發(fā)射脈沖或?qū)邮蘸桶l(fā)射，則其延時(shí)量是可改變的。
Ⅳ．10水平方位求和與豎向求和相比，水平求和有多得多的時(shí)間來進(jìn)行相加操作。不過每個(gè)輸入比特?cái)?shù)要大得多(13-20比特)，并且輸入的數(shù)目也多得多(64個(gè)水平通道)。結(jié)果，這一操作對(duì)于每個(gè)輸出樣本(串行的)可能需要占用幾個(gè)時(shí)鐘周期，結(jié)構(gòu)46的規(guī)模和布局也會(huì)對(duì)其延時(shí)有影響。為了成功地對(duì)所有64個(gè)水平通道求和，至少需要6級(jí)二進(jìn)制加法器(32、16、8、4、2和1級(jí)的二進(jìn)制輸入加法器)。由于每個(gè)芯片通道數(shù)字有限，所以任一個(gè)芯片上只能進(jìn)行幾個(gè)水平通道的求和。通過以串行方式將一個(gè)芯片求和結(jié)果傳送給下一個(gè)芯片，可完成全部的求和。
在發(fā)射期間所有的加法器的輸入都將被設(shè)置為零，以減小功耗的電源線噪聲，由于發(fā)射期間不使用加法器，所以停止對(duì)電路該部分的供電應(yīng)是有益的，不過把輸入設(shè)置為零基本上也能達(dá)到同樣目的，當(dāng)為了接收而接通各個(gè)通道時(shí)，固定延時(shí)的數(shù)據(jù)將進(jìn)入加法器。
Ⅳ．11跳變時(shí)鐘發(fā)生器在Ⅲ．3和Ⅳ．6節(jié)中，“跳變”時(shí)鐘30被定義為能動(dòng)態(tài)地使接收延時(shí)量改變一個(gè)量化單位的控制信號(hào)。一個(gè)類似于通用電器分司(GE)所開發(fā)的簡(jiǎn)單狀態(tài)機(jī)器在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間提供跳變。這種GE設(shè)計(jì)在1992年5月12日發(fā)布的恩格勒(Engelar)、奧當(dāng)內(nèi)(O’Donnell)和布隆末(Bloomer)的美國(guó)專利N0．5，111，695中有所說明，該專利在此引用作為參考。只利用少量變量和簡(jiǎn)單的算法操作，該有限狀態(tài)機(jī)器計(jì)算出每次跳變相對(duì)前一次跳變的時(shí)間。它的時(shí)鐘頻率取決于系統(tǒng)的最小F／數(shù)(典型地是數(shù)據(jù)采樣頻率的1／64)，其中輸出按距離倒數(shù)的關(guān)系跳變(F／數(shù)的定義是焦距除以孔徑寬度)。GE的跳變算法是對(duì)一維傳感器陣列的，但是它僅取決于陣列單元至陣列中心的距離和聲束的固定導(dǎo)向角，所以該算法同樣適用于任意幾何布局的二維陣列。對(duì)于每個(gè)聲束，關(guān)于導(dǎo)向角和陣列曲率的延時(shí)量是恒定的，可以由離片(off-chip)控制器(即前端控制器及其存儲(chǔ)器，見圖1)計(jì)算。
已開發(fā)了一種類似的技術(shù)，其中不要求樣本率與距離鐘頻的比值隨系統(tǒng)小F／數(shù)改變。下面幾段將說明這一修改的技術(shù)，其后將通過與GE專利方法的比較，來說明它們之間的區(qū)別。
相對(duì)于陣列的幾何中心，每個(gè)傳感器單元的延時(shí)量可以寫成 其中的R’在利用了余弦定律和cos(90-Θ)=sin(Θ)之后可寫成R′=x2+R2-2Rxsinθ,]]>X是單元至陣列中心距離，R是從陣列中心到感興趣點(diǎn)的距離，Vs是組織中的聲速。式(20)簡(jiǎn)單地代表了聲波自特定單元和陣列中傳播到感興趣點(diǎn)的傳播時(shí)間差。對(duì)于一維線性陣列利用泰勒級(jí)數(shù)展開式的拋物線近似(僅取前兩項(xiàng))可以把該延時(shí)量重新寫t(x)=-xsinθVs+x2cos2θ2RVs.----------(21)]]>第一項(xiàng)把聲束導(dǎo)向到偏離陣列法線方向?yàn)棣冉堑囊粋€(gè)方向上，第二項(xiàng)按距離倒數(shù)的規(guī)律對(duì)陣列聚焦。對(duì)于固定的聲束角度，導(dǎo)向項(xiàng)為常量。對(duì)于其他幾何形狀的陣列，例如本公開中提出的彎曲陣列，可能出現(xiàn)一個(gè)與聲束角度和陣列幾何形狀有關(guān)的靜態(tài)延時(shí)量。不論如何，靜態(tài)項(xiàng)都可以獨(dú)立控制，對(duì)動(dòng)態(tài)跳變發(fā)生器沒有影響。
在動(dòng)態(tài)聚焦中使用了兩個(gè)時(shí)鐘，顯然，第一個(gè)時(shí)鐘是周期為△tφ的樣本時(shí)鐘，它代表著結(jié)構(gòu)的延時(shí)分辨率(也即延時(shí)量的跳變將使聲波通過結(jié)構(gòu)的時(shí)間改變一個(gè)樣本)。第二個(gè)時(shí)鐘是一個(gè)固定的距離時(shí)鐘，為了簡(jiǎn)單其周期τR被選擇得是樣本時(shí)鐘的2的若干冪次倍(例如16倍)。τR代表更新前后兩焦點(diǎn)之間的時(shí)間(距離)。它應(yīng)該足夠地短以保持接收孔徑能正確地聚焦。
距離可以用距離時(shí)鐘表達(dá)成2R=VSnτR。將此代入式(21)并略去導(dǎo)向項(xiàng)得到tfocus=x2cos2θVS2nτR.-----------(22)]]>把tfocus用樣本時(shí)鐘表示tfocus=kfocus△tφ，有kfocus=x2cos2θVS2nτRΔtφ=Γn,-------(23)]]>其中Γ=x2cos2θVS2τRΔtφ-----------(24)]]>當(dāng)以樣本時(shí)鐘為參考時(shí)它是一個(gè)常量，n是一個(gè)整數(shù)，代表從零距離(R=0)算起的樣本時(shí)鐘周期數(shù)。當(dāng)傳感器把一個(gè)脈沖發(fā)送到組織內(nèi)時(shí)，中央單元使接通以準(zhǔn)備接收回波。由于推導(dǎo)式21時(shí)所采用的拋物線近似僅對(duì)F／數(shù)大于或等于約2．0的情況成立，所以隨著脈沖深入組織傳播，更多的單元將根據(jù)恒定F／數(shù)準(zhǔn)則(F／數(shù)=R／2|x|)依次接通。接通各個(gè)也可以采用另外的策略。例如每個(gè)通道在一個(gè)獨(dú)立的距離Ro(Ro=VSnoτR/2)]]>下接通，使得kturnon=Γno=φ,--------(25)]]>其中下標(biāo)rurnon為“接通”之意，no是以距離時(shí)鐘數(shù)目表征的接通計(jì)數(shù)，Φ是接通時(shí)的樣本延時(shí)量。
等式25和23分別代表接通時(shí)和其后每個(gè)距離下的以樣本時(shí)鐘數(shù)表達(dá)的所有聚焦延時(shí)量。由于延時(shí)的改變只能是時(shí)鐘周期的整數(shù)倍，所以當(dāng)接通延時(shí)量(kturnon)與當(dāng)前延時(shí)量(kfocus)之間的差值為一個(gè)整數(shù)(即kturnon-kfocus=j，j為一個(gè)整數(shù))時(shí)，延時(shí)量必須改變(跳變)一個(gè)△tφ增量。將此用公式明顯寫出為Γno-Γno+Δn=j⇒ΓnoΔn=(no+Δn),----(26)]]>其中n=no+△n，△n是接通以來的距離時(shí)鐘周期數(shù)。注意到Γ／no=Φ，式26變成0=jno+j△n-φ△n (27)注意到△n是一個(gè)從n=no開始計(jì)數(shù)器的值，j是一個(gè)累計(jì)作為距離函數(shù)的跳變次數(shù)的計(jì)數(shù)器的值，所以可以構(gòu)筑一個(gè)簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)器30來求解這個(gè)方程。每隔一個(gè)距離時(shí)鐘周期，△n將增加1；每當(dāng)式27右端為負(fù)時(shí)，也即每當(dāng)延時(shí)量改變(跳變)時(shí)，j將增加1，下面將給出并圖示于圖39中算法在保持式27右端接近于零同時(shí)解出了該方程。在每個(gè)距離時(shí)鐘期間需要幾個(gè)定點(diǎn)算法操作，不過由于距離鐘頻小于樣本鐘頻，所以這不是一個(gè)問題。
跳變時(shí)鐘算法安裝Φ，no初始化A=no+1-Φ△n=1j=1循環(huán)如果A≤0，則A=A+／△n+noj=j+1(增大延時(shí)=跳變)結(jié)束A=A+j-Φ△n=△n+1由于以下兩個(gè)關(guān)鍵特征，該跳變時(shí)鐘算法與GE的專利方法是不同的
1〕no=2Ro／(VSτR)是設(shè)定系統(tǒng)F／數(shù)的唯一常量。所以可以采用任意的算法而不僅是恒定F／數(shù)算法來接通陣列。
2〕現(xiàn)在對(duì)于任何操作模態(tài)來說樣本時(shí)鐘(△tφ)與距離時(shí)鐘(τR)的比都是一個(gè)常量。這意味著可以對(duì)每個(gè)通道局部地驅(qū)動(dòng)距離時(shí)鐘(即不需要在系統(tǒng)上配置可變距離時(shí)鐘)。
在時(shí)鐘比值保證已經(jīng)過了no=|x|cosθVSΔtφτR]]>個(gè)距離時(shí)鐘周期之前，F(xiàn)／數(shù)已被適當(dāng)?shù)脑O(shè)定了。我們分開了這兩個(gè)因素(no和時(shí)鐘比值)，使得每個(gè)因素都能獨(dú)立地設(shè)定。其后果是在所有計(jì)算中都必須包含Φ，但不再需要復(fù)雜的距離時(shí)鐘發(fā)生電路(以提供對(duì)時(shí)鐘比值的適當(dāng)選擇)。
美國(guó)專利NO．111，695的第二項(xiàng)權(quán)利要求指出“通道時(shí)間延時(shí)被調(diào)節(jié)得正比于no2／n，其中no是距離時(shí)鐘指數(shù)n的起始值”。這正是與我們的系統(tǒng)有區(qū)別的地方。在我們的系統(tǒng)中時(shí)間延時(shí)被調(diào)節(jié)成正比于Γn=x2cos2θVS2nτRΔtφ,]]>但no可以直接根據(jù)單元在陣列中的位置和所希望的F／數(shù)找出no= 4|x|(f／number)/(VSτR)
用于這種跳變時(shí)鐘發(fā)生器的變量和常量是在每個(gè)聲束開始時(shí)從外部來源安裝的。較精確地說，這些量是在形成接收束時(shí)安裝到芯片中的，并在下一個(gè)接收循環(huán)開始之前被存儲(chǔ)在暫存器中。
Ⅴ．多聲束成束在許多應(yīng)用中需要在每個(gè)發(fā)射循環(huán)中有幾個(gè)同時(shí)的接收束。這使得能在同樣的時(shí)間中探測(cè)較大的視場(chǎng)(多聲束)，從而提高了幀頻。這對(duì)于有色液流的多普勒成像特別有用，因?yàn)槠渲斜仨氈貜?fù)地用同一個(gè)聲束探測(cè)，才能得到對(duì)血管中血流的精確估值。由于如Ⅳ．4節(jié)所述，△∑輸入端處的預(yù)調(diào)制器的信號(hào)的初始相位取決于施加給該信號(hào)的總延時(shí)量，所以該預(yù)調(diào)制器將使多聲束成束器復(fù)雜化。(由于不論聲束角為何延時(shí)量都按距離倒數(shù)改變，所以動(dòng)態(tài)延時(shí)改變及其造成的預(yù)調(diào)制器相位改變并不是問題。造成問題的是對(duì)不同的聲束需有不同的固定延時(shí))。于是每個(gè)同時(shí)工作的成束器都需要有它自己的一組預(yù)調(diào)制器，△∑調(diào)制器，動(dòng)態(tài)延時(shí)線和靜態(tài)延時(shí)線。如同在普通B掃描成像或聲納應(yīng)用中可能出現(xiàn)的情況那樣，如果沒有使用預(yù)調(diào)制器，則只需要一組新的靜態(tài)延時(shí)來給出不同的導(dǎo)向延時(shí)。
為了實(shí)現(xiàn)多聲束操作(產(chǎn)生多個(gè)接收束)，可以在每個(gè)通道的水平轉(zhuǎn)換器上再連接第四個(gè)傳感器單元。圖33的左側(cè)示出一種可以用于帶有二維傳感器陣列的普通成像模態(tài)的8EL(豎向)×8AZ(水平)成束芯片。該圖的右側(cè)示出，第四豎向行中的所有水平通道都被連接到了第一級(jí)成束器上。這使得在水平方位上能同時(shí)合成出多個(gè)(最多8個(gè))接收束。由于所有的成束都只利用單個(gè)豎向行進(jìn)行，所以該動(dòng)態(tài)延時(shí)只能提供水平聚焦和導(dǎo)向的延時(shí)。如果該動(dòng)態(tài)延時(shí)能適合于連接在該第一成束級(jí)上的子孔經(jīng)中所需的導(dǎo)向延時(shí)，則二維彎曲陣列，平面相位陣列、或平面線性陣列都能這樣使用，靜態(tài)延時(shí)級(jí)在最后求和之前為每個(gè)聲束提供附加的水平導(dǎo)向成份，從圖34可以看出，在這種多聲束模態(tài)中，每個(gè)部分聲束和都可以與由另一個(gè)芯片產(chǎn)生的另一個(gè)部分聲束和相加。這將使芯片的I／O(輸入／輸出)復(fù)雜化，這是因?yàn)楝F(xiàn)在對(duì)每個(gè)聲束必需同時(shí)引入所有的部分聲束數(shù)據(jù)，而以前只有一個(gè)部分聲束數(shù)據(jù)流需要相加?？梢詫?duì)最后一組加法器轉(zhuǎn)接，使它們能正確地執(zhí)行每個(gè)部分聲束求和。
雖然這種方法使我們產(chǎn)生了多個(gè)接收束，但發(fā)射束仍只有一個(gè)。這個(gè)發(fā)射束應(yīng)比普通發(fā)射束稍寬一些，以給多個(gè)接收束所復(fù)蓋的感興趣區(qū)域提供能量。為了增加發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度，可以與普通成像模態(tài)相同用整個(gè)二維陣列來產(chǎn)生有固定焦點(diǎn)的發(fā)射束。在接收時(shí)，水平轉(zhuǎn)換器將接入接收豎向行。由于小尺寸的傳感器單元如同一個(gè)全方位接收器，所以這種產(chǎn)生多聲束的方法有嚴(yán)重的豎向接收束彌散。雖然固定的豎向聚焦在一定程度上緩解了這一問題，但仍可能造成遠(yuǎn)場(chǎng)圖像的降質(zhì)。如果只需要少數(shù)幾個(gè)，例如2個(gè)并行的聲束。則在接收時(shí)可以用一個(gè)4EL×8AZ的陣列以相似的布局和同樣的硬件來接收，這將得到較好的豎向成束性能。還容易看到其他一些可能的布局。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，另一種實(shí)現(xiàn)多聲束的方法(圖40)是配置幾個(gè)共用同樣模擬前端部的完全并行的成束器。如果高壓驅(qū)動(dòng)器和模擬多路復(fù)用器被集成在一個(gè)不同于信號(hào)處理電路的芯片上，則可以有無限個(gè)數(shù)的這種成束器共用模擬部件并在接收時(shí)連接到整個(gè)二維陣列上，以產(chǎn)生無限個(gè)數(shù)的聲束。這一潛力對(duì)于聲應(yīng)用來說是十分有用的。
Ⅵ．一維陣列根據(jù)以上討論應(yīng)可明顯看到，這里所提出的成束器可以與任意形狀的一維陣列結(jié)合使用。只要總延時(shí)量對(duì)某個(gè)應(yīng)用已經(jīng)足夠，則任何一維陣列都可以連接到這種成束器上。
Ⅶ．另外的延時(shí)級(jí)平相位陣列通過對(duì)聲束導(dǎo)向使其通過一個(gè)90°的扇區(qū)而不是通過使有效孔徑逐步掃過一個(gè)較大的陣列，來實(shí)現(xiàn)對(duì)感興趣區(qū)域的掃描。相位陣列成像的大導(dǎo)向延時(shí)量可以被分解，使得每個(gè)成束芯片上的靜態(tài)延時(shí)線在芯片的子孔徑內(nèi)剛好具有足夠的導(dǎo)向范圍。第二個(gè)靜態(tài)延時(shí)量可以加到輸出的部分聲束和數(shù)據(jù)上，使一個(gè)芯片的部分聲束和相對(duì)于另一個(gè)聲束和發(fā)生偏置。在一些情形中以往技術(shù)已對(duì)每個(gè)通道采用了這一技術(shù)完成總的延時(shí)，但本成束器在施加在導(dǎo)向延時(shí)量之前已先計(jì)算了部分聲束。
Ⅷ．共模噪聲抑制我們的系統(tǒng)有幾種方法來減小EMI(電磁感應(yīng))噪聲影響，本節(jié)將討論基于每個(gè)通道和基于系統(tǒng)的共模噪聲抑制。
Ⅷ．1差動(dòng)驅(qū)動(dòng)／接收如前面所討論并圖示于一些附圖中的，這里所描述的系統(tǒng)在包括對(duì)壓電傳感的連接在內(nèi)的整個(gè)模擬前端部中都采用了差動(dòng)驅(qū)動(dòng)和接收電路。差分運(yùn)算放大器僅放大那種不是為正負(fù)極輸入信號(hào)所共有的信號(hào)。于是共模噪聲可被差分處理明顯地減小。
Ⅷ．2極化和極性交變另一種共模噪聲抑制技術(shù)利用了對(duì)陣列的相干求和。通過來改變對(duì)傳感器單元連接的極性和其后在相干求和之前使信號(hào)正負(fù)號(hào)反轉(zhuǎn)，即可在求和值中抵消共模噪聲成份。皮爾(J．E．Piel)等人的美國(guó)專利NO．4，984，465討論了這樣一種方法，它利用具有在相繼通道交替反轉(zhuǎn)的線圈的變壓器在系統(tǒng)水平上完成了共模噪聲抑制。這種方法消除了因?qū)鞲衅鞯倪B接點(diǎn)的互連和模擬處理而被反向耦合到各個(gè)通道中的共模噪聲。然而傳感器自身也是一個(gè)共模噪聲的可能來源，而這種共模噪聲是不能通過交替改變其連接的極性來消除的。
史密斯(L．S．Smith)，也是美國(guó)專利NO．4，984，465的發(fā)明人之一，后來提出了一種消除由傳感器耦合到系統(tǒng)中的共模噪聲的方法。因?yàn)閴弘娞沾墒且环N阻抗比較高的材料，因此當(dāng)有外部電磁塊時(shí)它將是一個(gè)噪聲源。在美國(guó)專利NO．5，062，429中，史密斯等人建議交替方式對(duì)陣列上的傳感器陶瓷進(jìn)行極化。這不僅可以達(dá)到與前述相同的共模抑制，而且也消除了傳感單元耦合到系統(tǒng)中的噪聲成份。但若考慮到預(yù)先制作的傳感器陣列必須被加熱到超過材料的居里溫度以及對(duì)每個(gè)單元需加上十分高的偏置電壓，所以要實(shí)現(xiàn)這種陣列的交替極化是困難的。這種方法所帶束的許多困難中的兩個(gè)困難是出現(xiàn)電弧和加工的不規(guī)則性。我們提出的替代方法是，把許多水平行組裝成一個(gè)陣列，其中每個(gè)水平行都有相同的極化。因此，可以用預(yù)先極化了的高質(zhì)量、高均勻性材料來制作極性為正或者為負(fù)的各個(gè)一維水平陣列，然而，把這些水平陣列在豎直方向上堆疊在一起。并使得各豎直通道的極性交替變化。這樣得到的二維陣列將在水平方向上有均勻極性，在豎直方向上極性交替改變。將其一行對(duì)一行地連接到模擬前端部上就可保證超聲信號(hào)在整個(gè)陣列上被相干求和，而共模擬噪聲則被抵消。
上述共模擬抑制技術(shù)中的一種技術(shù)所需的倒相器很簡(jiǎn)單，只要使最后模擬處理級(jí)的兩個(gè)差動(dòng)輸入的極性反轉(zhuǎn)即可?；蛘?，也可以用預(yù)調(diào)制信號(hào)來反轉(zhuǎn)需要反轉(zhuǎn)極性的通道的信號(hào)。最后，還可以是通過改變△∑調(diào)制輸出(一個(gè)數(shù)字值)的正負(fù)來反轉(zhuǎn)信號(hào)。這種反轉(zhuǎn)進(jìn)行復(fù)合愈晚，抑制共模擬噪聲源的機(jī)會(huì)將愈多。例如，由LNA、TGC、或△∑調(diào)制器所引到信號(hào)中的時(shí)鐘噪聲可能在最后的重建中被排除，這是因?yàn)檫@些噪聲源在不同的通道中可能被相消地疊加。
本公開所描述的過采樣成束器試圖實(shí)現(xiàn)一種低功率，緊湊型的成束系統(tǒng)，該系統(tǒng)只含有少量的集成電路芯片，并且能組裝在一個(gè)可手持的傳感器外殼內(nèi)。其處理電路的簡(jiǎn)單性對(duì)于這一大膽的包裝范例來說是理想的。這種實(shí)施的結(jié)果是能夠支持十分大的二維陣列，因其中處理各個(gè)通道信號(hào)的芯片互相只分開幾個(gè)厘米遠(yuǎn)。利用微加工柔性電纜互連和多芯片模塊組裝技術(shù)有可能得到一個(gè)可以裝進(jìn)一付撲克牌大小的傳感器外殼內(nèi)的緊湊型系統(tǒng)。只需要極少數(shù)量的高速數(shù)字電纜把成束數(shù)據(jù)傳送給主處理器作進(jìn)一步圖像處理。最終這一通信將可通過RF或光纖連接來實(shí)現(xiàn)。
已經(jīng)說明了根據(jù)本發(fā)明的形成超聲圖像的方法和設(shè)備的具體實(shí)施例，該說明是闡明本發(fā)明的產(chǎn)生和利用方式。應(yīng)該理解，對(duì)于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們來說，顯然可以對(duì)本發(fā)明及其各個(gè)特點(diǎn)作出有其他改變和修改，所以本發(fā)明并不局限于所說明的那些具體實(shí)施例。因此，期望本發(fā)明將涵括落在這里所公開的聲明權(quán)利的基本原理的真正精神和范疇內(nèi)的任何以及所有修改、改變或等價(jià)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種減小成像系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)延時(shí)數(shù)字樣本流中的失真的方法，該方法包括以下步驟以高于該成像系統(tǒng)的輸入模擬信號(hào)的奈奎斯特(Nyguist)頻率的頻率對(duì)該輸入模擬信號(hào)進(jìn)行△∑調(diào)制，以產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字樣本流，以及在保持該系統(tǒng)的一個(gè)△∑調(diào)制器與一個(gè)解調(diào)制器之間的同步性的同時(shí)，改變樣本流的長(zhǎng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行△∑調(diào)制的步驟還包括調(diào)節(jié)調(diào)制器內(nèi)的反饋大小。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中改變樣本流的長(zhǎng)度的步驟還包括刪除該樣本流中的一個(gè)樣本。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中調(diào)節(jié)反饋大小的步驟還包括為被刪除樣本提供一個(gè)零反饋。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中改變樣本流的長(zhǎng)度的步驟還包括把另一個(gè)樣本插入到樣本流中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中把另一個(gè)樣本插入到樣本流中的步驟還包括重復(fù)樣本流的一個(gè)樣本。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中調(diào)節(jié)反饋大小的步驟還包括為重復(fù)的樣本提供一個(gè)反饋乘數(shù)2。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中改變樣本流長(zhǎng)度的步驟還包括將另一個(gè)樣本插入到該樣本流中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中把另一個(gè)樣本插入到樣本流中的步驟還包括調(diào)節(jié)延時(shí)樣本的數(shù)字值。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中調(diào)節(jié)延時(shí)樣本的數(shù)字值的步驟還包括把一個(gè)原始樣本分成兩半以產(chǎn)生一對(duì)對(duì)分樣本并以這對(duì)分樣本替換原始樣本。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中調(diào)節(jié)延時(shí)樣本的數(shù)字值的步驟還包括把一個(gè)零樣本插入到該樣本流中，其中零樣本的值是該數(shù)字本流值的高值與低值之間的中間值。
12.用于減小一個(gè)成像系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)延時(shí)數(shù)字樣本流中的失真的設(shè)備，該設(shè)備包括用于以高于該成像系統(tǒng)的輸入模擬信號(hào)的奈奎斯特頻率的頻率對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行△∑調(diào)制以產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字樣本流的裝置；以及用于在保持該系統(tǒng)的△∑調(diào)制裝置與一個(gè)解調(diào)器之間的同步性的同時(shí)改變樣本流的長(zhǎng)度的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的設(shè)備，其中用于對(duì)樣本流進(jìn)行△∑調(diào)制的裝置還包括用于調(diào)節(jié)反饋大小的裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備，其中用于改變樣本流的長(zhǎng)度的裝置還包括用于刪除樣本流中的一個(gè)樣本的裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中用于調(diào)節(jié)反饋大小的裝置還包括用于為被刪除樣本施加一個(gè)其值位于高值與低值正中間的反饋大小的裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備，其中用于調(diào)節(jié)樣本流的長(zhǎng)度的裝置還包括用于把另一個(gè)樣本插入到樣本流中的裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的設(shè)備，其中用于把另一個(gè)樣本插入到樣本注臺(tái)的裝置還包括用于重復(fù)樣本流的一個(gè)樣本的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的設(shè)備，其中用于調(diào)節(jié)反饋大小的裝置還包括用于為重復(fù)樣本的反饋大小加倍的裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求12的設(shè)備，其中用于改變樣本流的長(zhǎng)度的裝置還包括用于把另一個(gè)樣本插入到樣本流中的裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的設(shè)備，其中用于把另一個(gè)樣本插入到樣本流中的裝置還包括用于調(diào)節(jié)延時(shí)樣本的數(shù)字值的裝置。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的設(shè)備，其中用于調(diào)節(jié)延時(shí)樣本的數(shù)字值的裝置還包括用于把一個(gè)原始樣本分成兩半以產(chǎn)生一對(duì)對(duì)分樣本并用這對(duì)對(duì)分樣本替換原始樣本的裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的設(shè)備，其中用于調(diào)節(jié)延時(shí)樣本的數(shù)字值的裝置還包括用于把一個(gè)零樣本插入到樣本流中的裝置，其中零樣本具有數(shù)字樣本流的高值與低值之間的中間值。
23.用于減小一個(gè)成像系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)延時(shí)數(shù)字樣本流中的失真的設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)△∑調(diào)制器，用于以高于該成像系統(tǒng)的輸入模擬信號(hào)的奈奎斯特頻率的頻率對(duì)該輸入模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，以產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字樣本流；以及一個(gè)樣本流控制器，用于在保持該系統(tǒng)的用于△∑調(diào)制的裝置與一個(gè)解調(diào)器之間的同步性的同時(shí)改變樣本流的長(zhǎng)度以使該樣本流的一部分延時(shí)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的設(shè)備，其中用于對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的△∑調(diào)制還包括一個(gè)反饋控制器。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，其中用于改變樣本流長(zhǎng)度的樣本流控制器還包括一個(gè)第一可編程移位寄存器，它能從樣本流中刪除一個(gè)樣本。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的設(shè)備，其中反饋控制器還包括一個(gè)算法單元，它能為被刪除樣本提供一個(gè)其大小位于其正常高值與低值正中間的反饋。
27.根據(jù)權(quán)利要求24的設(shè)備，其中用于調(diào)節(jié)樣本流長(zhǎng)度的樣本流控制器還包括一個(gè)第二可編程移位寄存器，它能把另一個(gè)樣本插入到樣本流中。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的設(shè)備，其中用于把另一個(gè)樣本插入到樣本流中的樣本流控制器還包括一個(gè)存儲(chǔ)器，它與第二可編程移位寄存器一起能夠重復(fù)樣本流的一個(gè)樣本。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的設(shè)備，其中用于調(diào)節(jié)反饋大小的反饋控制器還包括一個(gè)反饋加倍器，它能為被重復(fù)樣本提供2倍的反饋大小。
30.根據(jù)權(quán)利要求23的設(shè)備，其中用于調(diào)節(jié)信號(hào)流長(zhǎng)度的樣本流控制器還包括一個(gè)第二可編程移位寄存器，它能把另一樣本插入到樣本流中；還包括一個(gè)除法器，它能把一個(gè)原始樣本分成兩半以產(chǎn)生一對(duì)對(duì)分樣本，并把這對(duì)對(duì)分樣本替換原始樣本和插入的樣本。
31.根據(jù)權(quán)利要求27的設(shè)備，其中用于把另一個(gè)樣本插入到樣本流中的裝置還包括用于把一個(gè)零樣本插入到樣本流中的裝置。
32.一種在一個(gè)超聲成像系統(tǒng)中產(chǎn)生一個(gè)超聲圖像的方法，該方法包括以下步驟提取一個(gè)△∑調(diào)制的發(fā)射信號(hào)流；對(duì)發(fā)射信號(hào)流中的至少一些樣本進(jìn)行延時(shí)，以形成一個(gè)被導(dǎo)向的聲束；把該至少一些樣本轉(zhuǎn)換成一個(gè)模擬樣本流；緩存該模擬樣本流并以緩存的模擬樣本流去驅(qū)動(dòng)多個(gè)傳感器單元；探測(cè)發(fā)射信號(hào)流的末尾；轉(zhuǎn)接多個(gè)多路復(fù)用器以接收來自這些傳感單元的多個(gè)返回模擬信號(hào)流；對(duì)返回模擬信號(hào)流進(jìn)行△∑調(diào)制，以形成多個(gè)數(shù)字信號(hào)流；動(dòng)態(tài)地延時(shí)這些數(shù)字信號(hào)流；對(duì)延時(shí)的數(shù)字信號(hào)流求和；對(duì)被動(dòng)態(tài)延時(shí)的數(shù)字信號(hào)流取基頻率帶和濾波。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行△∑調(diào)制的步驟還包括調(diào)節(jié)調(diào)制器中的反饋大小。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的方法，其中改變樣本流長(zhǎng)度的步驟還包括刪除樣本流中的一個(gè)樣本。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，其中調(diào)節(jié)反饋大小的步驟還包括為被刪除樣本提供零反饋。
36.根據(jù)權(quán)利要求33的方法，其中改變樣本流長(zhǎng)度的步驟還包括把另一個(gè)樣本插入到樣本流中。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中把另一個(gè)樣本插入到樣本流中的步驟還包括重復(fù)樣本流的一個(gè)樣本。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中調(diào)節(jié)反饋大小的步驟還包括為重復(fù)樣本提供一個(gè)反饋乘數(shù)2。
39.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中動(dòng)態(tài)地延時(shí)樣本流的步驟還包括把另一個(gè)樣本插入到樣本流中。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中把另一個(gè)樣本插入到樣本流中的步驟還包括調(diào)節(jié)延時(shí)樣本的數(shù)字值。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的方法，其中調(diào)節(jié)延時(shí)樣本的數(shù)字值的步驟還包括把一個(gè)原始樣本分成兩半以產(chǎn)生一對(duì)對(duì)分樣本并用這對(duì)對(duì)分樣本替換原始樣本。
42.根據(jù)權(quán)利要求40的方法，其中把另一樣本插入到樣本流中的步驟還包括把一個(gè)零樣本插入到樣本流中。
43.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，它還包括對(duì)發(fā)射樣本流進(jìn)行低通濾波。
44.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，它還包括對(duì)返回模擬信號(hào)的取決于距離的衰減進(jìn)行時(shí)間增益補(bǔ)償。
45.用于在一個(gè)超聲成像系統(tǒng)中產(chǎn)生一個(gè)超聲圖像的設(shè)備，該設(shè)備包括用于存儲(chǔ)和提取被△∑調(diào)制的發(fā)射信號(hào)流的裝置；用于對(duì)發(fā)射信號(hào)流中至少一些樣本進(jìn)行延時(shí)以形成一個(gè)被靜態(tài)聚焦和導(dǎo)向的發(fā)射束以及對(duì)來自△∑調(diào)制器的多個(gè)數(shù)字信號(hào)流的至少一些樣本進(jìn)行延時(shí)以形成一個(gè)被動(dòng)態(tài)聚焦和導(dǎo)向的接收束的裝置；用于探測(cè)發(fā)射信號(hào)流的末尾的裝置；用于轉(zhuǎn)換傳感器以接收來自該傳感器多個(gè)返回模擬信號(hào)流的裝置；用于對(duì)模擬信號(hào)流進(jìn)行△∑調(diào)制以形成在延時(shí)裝置中被動(dòng)態(tài)地延時(shí)的數(shù)字信號(hào)流；用于在響應(yīng)于數(shù)字信號(hào)流的動(dòng)態(tài)延時(shí)量的每次改變時(shí)保持△∑調(diào)制器與一個(gè)△∑解調(diào)器之間的同步性裝置；用于對(duì)被調(diào)制和延時(shí)的數(shù)字信號(hào)流的一組相應(yīng)樣本進(jìn)行求和的裝置；以及用于對(duì)經(jīng)求和數(shù)字信號(hào)流進(jìn)行取基頻率和濾波的裝置。
46.根據(jù)權(quán)利要求45的設(shè)備，其中用于產(chǎn)生一個(gè)超聲圖像的裝置還包括一個(gè)手持式探頭。
47.根據(jù)權(quán)利要求45的設(shè)備，其中用于對(duì)輸入模擬信號(hào)流進(jìn)行△∑調(diào)制的裝置還包括用于調(diào)節(jié)調(diào)制器中的反饋大小的裝置。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的設(shè)備，其中用于動(dòng)態(tài)地延時(shí)數(shù)字信號(hào)流的裝置還包括用于重復(fù)數(shù)字樣本流的一個(gè)樣本的裝置。
49.根據(jù)權(quán)利要求48的設(shè)備，其中用于改變△∑調(diào)制器的反饋大小的裝置還包括用于為重復(fù)比特使反饋大小加倍的裝置。
50.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中改變樣本流長(zhǎng)度的步驟還包括刪除樣本流的一個(gè)樣本。
51.根據(jù)權(quán)利要求50的方法，其中調(diào)節(jié)反饋大小的步驟還包括為被刪除樣本提供零反饋。
52.根據(jù)權(quán)利要求45的設(shè)備，其中用于動(dòng)態(tài)延時(shí)數(shù)字信號(hào)流的裝置還包括用于把一個(gè)零樣本插入到數(shù)字樣本流中的裝置。
53.根據(jù)權(quán)利要求45的設(shè)備，其中用于動(dòng)態(tài)延時(shí)數(shù)字信號(hào)流的裝置還包括用于把數(shù)字樣本流的一個(gè)原始樣本分成兩半并把樣本的一半放置在原始樣本的位置處及把另一半放置在與原始樣本位置相鄰的一個(gè)新生成位置處的裝置。
54.根據(jù)權(quán)利要求45的設(shè)備，它還包括用于對(duì)發(fā)射樣本流進(jìn)行低通濾波的裝置。
55.根據(jù)權(quán)利要求45的設(shè)備，它還包括用于對(duì)返回模擬信號(hào)流的取決于距離的衰減進(jìn)行時(shí)間增益補(bǔ)償?shù)难b置。
56.用于在一個(gè)超聲成像系統(tǒng)中產(chǎn)生一個(gè)超聲圖像的設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)一個(gè)△∑調(diào)制發(fā)射信號(hào)流；一個(gè)可編程寄存器，用于延時(shí)發(fā)射信號(hào)流的至少一些樣本以形成一個(gè)被靜態(tài)聚焦和導(dǎo)向的發(fā)射束以及延時(shí)返回?cái)?shù)字信號(hào)流的至少一些樣本以形成一個(gè)被動(dòng)態(tài)聚焦和導(dǎo)向的接收束；一個(gè)計(jì)數(shù)器，用于探測(cè)發(fā)射信號(hào)流的末尾；一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于把發(fā)射信號(hào)流轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)流；一個(gè)切換開關(guān)，用于切換一個(gè)傳感器以接收返回的模擬信號(hào)流；一個(gè)△∑調(diào)制器，用于對(duì)返回模擬信號(hào)流進(jìn)行△∑調(diào)制以形成在延時(shí)裝置中被動(dòng)態(tài)延時(shí)的數(shù)字信號(hào)流；一個(gè)加法器網(wǎng)絡(luò)，用于對(duì)各數(shù)字信號(hào)流求和；一個(gè)混頻器，用于把經(jīng)求和的數(shù)字信號(hào)流解調(diào)到基頻帶上；以及一個(gè)低通濾波器，用于對(duì)基頻帶信號(hào)進(jìn)行低通濾波以除去△∑量化噪聲。
57.根據(jù)權(quán)利要求56的用于產(chǎn)生一個(gè)超聲圖像的設(shè)備，它還包括一個(gè)手持式探頭。
58.根據(jù)權(quán)利要求56的設(shè)備，其中用于動(dòng)態(tài)延時(shí)數(shù)字信號(hào)流的可編程寄存器還包括一個(gè)除法電路，它能把數(shù)字比特流的一個(gè)原始樣本的數(shù)字值分成兩半，并把第一個(gè)一半的樣本放置在原始樣本的位置處，把第二個(gè)一半的樣本放置在鄰接原始樣本位置的一個(gè)新生成的樣本位置上。
59.根據(jù)權(quán)利要求56的設(shè)備，其中用于延時(shí)至少一些樣本的可編程寄存器還包括一個(gè)電路，它能對(duì)數(shù)字值重新編碼和插入零樣本。
60.根據(jù)權(quán)利要求56的設(shè)備，它還包括一個(gè)低通濾波器，能對(duì)發(fā)射樣本流進(jìn)行低通濾波。
61.根據(jù)權(quán)利要求56的設(shè)備，它還包括一個(gè)時(shí)間增益補(bǔ)償器，它的時(shí)間增益能補(bǔ)償返回模擬信號(hào)的取決于距離的衰減。
62.用于在一個(gè)超聲成像系統(tǒng)中產(chǎn)生一個(gè)超聲圖像的設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)△∑調(diào)制發(fā)射信號(hào)流；一個(gè)可編程寄存器，用于延時(shí)發(fā)射信號(hào)流的至少一些樣本以形成一個(gè)被靜態(tài)聚焦和導(dǎo)向的發(fā)射束，以及用于延時(shí)返回?cái)?shù)字信號(hào)流的至少一些樣本以形成一個(gè)被動(dòng)態(tài)聚焦和導(dǎo)向的接收束；一個(gè)計(jì)數(shù)器，用于探測(cè)發(fā)射信號(hào)流的末尾；一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于把延時(shí)的信號(hào)流轉(zhuǎn)換成一個(gè)模擬信號(hào)流；一個(gè)緩存器，用于緩存器模擬信號(hào)流并驅(qū)動(dòng)一部分的傳感器陣列；一個(gè)切換開關(guān)，用于切換一個(gè)傳感器以接收一個(gè)返回模擬信號(hào)流；一個(gè)△∑調(diào)制器，用于對(duì)返回模擬信號(hào)流進(jìn)行△∑調(diào)制以形成可編程移位器中被動(dòng)態(tài)延時(shí)的數(shù)字信號(hào)流；一個(gè)多路復(fù)用器，用于對(duì)數(shù)字信號(hào)流動(dòng)態(tài)延時(shí)量的每次改變來改變△∑調(diào)制器的反饋大??；一個(gè)加法器網(wǎng)絡(luò)，用于對(duì)各數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流進(jìn)行求和；一個(gè)混頻器，用于解調(diào)經(jīng)求和的信號(hào)流；以及一個(gè)濾波器，用于對(duì)混頻的信號(hào)流進(jìn)行低通濾波。
63.根據(jù)權(quán)利要求62的產(chǎn)生一個(gè)超聲圖像的設(shè)備，它還包括一個(gè)手持式探頭。
66.根據(jù)權(quán)利要求62的設(shè)備，其中用于動(dòng)態(tài)延時(shí)數(shù)字信號(hào)流的可編程寄存器還包括一個(gè)移位控制器，用于當(dāng)必須改變延時(shí)量時(shí)通過刪除數(shù)字樣本流的一個(gè)樣本來減小數(shù)字信號(hào)流的長(zhǎng)度。
67.根據(jù)權(quán)利要求66的設(shè)備，其中用于改變△∑調(diào)制器反饋大小的多路復(fù)用器還包括一個(gè)模擬電壓取中器，用于為被刪除樣本提供具有其他有效反饋值的中間值的反饋大小。
68.一種改善一個(gè)基于△∑動(dòng)態(tài)延時(shí)的成束器的系統(tǒng)噪聲性能的方法，這種成束器能從一個(gè)傳感陣列的多個(gè)傳感器接收多個(gè)模擬信號(hào)流并提供一個(gè)對(duì)應(yīng)于一個(gè)取決于距傳感器陣列的距離的信號(hào)強(qiáng)度的振幅調(diào)制輸出信號(hào)，該方法包括以下步驟通過用一個(gè)其基頻大于零赫茲但小于接收模擬信號(hào)流的載波中的頻率的兩倍的周期信號(hào)與多個(gè)模擬輸入信號(hào)流中的每個(gè)信號(hào)流進(jìn)行混頻，把多個(gè)模擬信號(hào)流下轉(zhuǎn)換到多個(gè)處理通道上；使每個(gè)混頻的信號(hào)流在一個(gè)△∑調(diào)制器中數(shù)字化；在一組獨(dú)立的延時(shí)線中動(dòng)態(tài)地延時(shí)數(shù)字化信號(hào)流中的一組相應(yīng)的樣本，以便為這組相應(yīng)樣本中的每個(gè)樣本補(bǔ)償樣本源的幾何出發(fā)點(diǎn)相對(duì)于一個(gè)希望的動(dòng)態(tài)的接收焦點(diǎn)的距離；根據(jù)施加在多個(gè)處理通道中每個(gè)通道的樣本流上的總延時(shí)量，動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)該通道上的周期信號(hào)的相位；對(duì)該組相應(yīng)的延時(shí)樣本求和；以及對(duì)經(jīng)求和的樣本流進(jìn)行取基頻帶和低通濾波以產(chǎn)生一個(gè)其振幅對(duì)應(yīng)于取決于距離的所形成聲束的信號(hào)強(qiáng)度的輸出信號(hào)。
69.根據(jù)權(quán)利要求68的方法，它還包括下述步驟根據(jù)多個(gè)模擬信號(hào)流中的每個(gè)模擬信號(hào)流的每個(gè)模擬信號(hào)距傳感器的距離，對(duì)每個(gè)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間增益補(bǔ)償。
70.根據(jù)權(quán)利要求68的方法，其中使每個(gè)混頻信號(hào)流在△∑調(diào)制器中數(shù)字化的步驟還包括以高于信號(hào)流奈奎斯特頻率的頻率對(duì)混頻信號(hào)流采樣。
71.一種可編程電荷耦合器件的互補(bǔ)延時(shí)器件，它包括一個(gè)第一延時(shí)級(jí)，它具有一個(gè)沿著通過第一延時(shí)級(jí)的一個(gè)第一路徑的第一延時(shí)量和一個(gè)沿著通過第一延時(shí)級(jí)的一個(gè)第二路徑的第二延時(shí)量；一個(gè)第二延時(shí)級(jí)，它具有一個(gè)沿著通過第二延時(shí)級(jí)的一個(gè)第一路徑的第三延時(shí)量和一個(gè)沿著通過第二延時(shí)級(jí)的一個(gè)第二路徑的第二延時(shí)量，以及一個(gè)耦合在第一與第二延時(shí)級(jí)之間的交叉器件，它具有一個(gè)第一位置和一個(gè)第二位置，當(dāng)它處于第一位置時(shí)，將形成一個(gè)從第一延時(shí)級(jí)的第一路徑通向第二延時(shí)級(jí)的第一路徑的第一導(dǎo)通路徑以及一個(gè)從第一延時(shí)級(jí)的第二路徑通向第二延時(shí)級(jí)的第二路徑的第二通路徑；當(dāng)它處于第二位置時(shí)，將形成一個(gè)從第一延時(shí)級(jí)的第一路徑通向第二延遲級(jí)的第二路徑的第一導(dǎo)通路徑以及一個(gè)從第一延遲級(jí)的第二路徑通向第二延時(shí)級(jí)的第一路徑的第二導(dǎo)通路徑。
72.根據(jù)權(quán)利要求71的可編程電荷耦合器件的互補(bǔ)延時(shí)器件，它還包括一個(gè)對(duì)應(yīng)于通過第一延時(shí)級(jí)的第一和第二路徑的共同輸入端。
73.根據(jù)權(quán)利要求71的可編程電荷耦合器件的互補(bǔ)延時(shí)器件，其中對(duì)應(yīng)于通過第一延時(shí)級(jí)的第一和第二路徑的共同輸入端還包括一個(gè)器件輸入端。
74.根據(jù)權(quán)利要求71的可編程電荷耦合器件的互補(bǔ)延時(shí)器件，其中第一延時(shí)量基本上等于第二延時(shí)量的兩倍。
75.根據(jù)權(quán)利要求71的可編程電荷耦合器件的互補(bǔ)延時(shí)器件，其中第三延時(shí)量基本上等于第一延時(shí)量的兩倍。
76.根據(jù)權(quán)利要求71的可編程電荷耦合器件的互補(bǔ)延時(shí)器件，它還包括多個(gè)附加的延時(shí)級(jí)和交叉器件，其中每個(gè)附加延時(shí)級(jí)的第一路徑的延時(shí)量基本上等于前一延時(shí)級(jí)的第一路徑的延時(shí)量的兩部，而第二路徑的延時(shí)量基本上等于前一延時(shí)級(jí)的第二路徑的延時(shí)量。
77.根據(jù)權(quán)利要求71的互補(bǔ)延時(shí)器件，其中電荷耦合器件是一個(gè)數(shù)字存儲(chǔ)裝置。
78.一種收集空間信息的方法，該方法包括以下步驟從一個(gè)存儲(chǔ)器為一個(gè)傳感器陣列的一組選出的通道提取一個(gè)過采樣△∑調(diào)制序列；在一個(gè)發(fā)射／接收延時(shí)寄存器中對(duì)選出的通道組的每個(gè)通道的序列進(jìn)行延時(shí)以對(duì)一個(gè)發(fā)射超聲束導(dǎo)向；對(duì)△∑調(diào)制序列的樣本進(jìn)行計(jì)數(shù)以探測(cè)發(fā)射序列的末尾；在選出的通道組的每個(gè)通道的發(fā)射序列的末尾檢測(cè)一個(gè)反射信號(hào)；對(duì)每個(gè)通道的探測(cè)信號(hào)進(jìn)行△∑調(diào)制；在發(fā)射／接收延時(shí)寄存器中對(duì)來自被調(diào)制探測(cè)信號(hào)的通道中的一組相應(yīng)△∑調(diào)制樣本進(jìn)行動(dòng)態(tài)延時(shí)；對(duì)這組相應(yīng)△∑調(diào)制值求和以提供一個(gè)其振幅對(duì)應(yīng)于一個(gè)作為距離的函數(shù)形成的聲束的信號(hào)強(qiáng)度的輸出信號(hào)。
79.根據(jù)權(quán)利要求78的收集空間信息的方法，其中在發(fā)射／接收延時(shí)寄存器中對(duì)接收信號(hào)成束的步驟還包括利用發(fā)射／接收延時(shí)寄存器中的一系列延時(shí)及求和級(jí)來對(duì)豎向和水平傳感器陣列單元部份地成束。
80.根據(jù)權(quán)利要求78的收集空間信息的方法，它還包括對(duì)探測(cè)到的反射信號(hào)進(jìn)行預(yù)調(diào)制。
81.根據(jù)權(quán)利要求78的收集空間信息的方法，它還包括對(duì)探測(cè)到的反射信號(hào)進(jìn)行時(shí)間增益補(bǔ)償?shù)牟襟E。
82.根據(jù)權(quán)利要求78的收集空間信息的方法，它還包括用過采樣△∑調(diào)制序列去差動(dòng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)超聲傳感器陣列的一組信號(hào)放大器的步驟。
83.根據(jù)權(quán)利要求78的收集空間信息的方法，它還包括交替地改變一組傳感器陣列單元極性以減小共模噪聲。
84.根據(jù)權(quán)利要求78的收集空間信息的方法，它還包括用一個(gè)△∑調(diào)制器對(duì)成束器的求和輸出進(jìn)行重新調(diào)制。
85.根據(jù)權(quán)利要求78的收集空間信息的方法，它還包括探測(cè)一個(gè)二維陣列上的反射信號(hào)。
86.根據(jù)權(quán)利要求78的收集空間信息的方法，它還包括利用一個(gè)筒式移位器動(dòng)態(tài)地延時(shí)△∑調(diào)制的信號(hào)。
87.根據(jù)權(quán)利要求78的收集空間信息的方法，它還包括調(diào)節(jié)延時(shí)周期和重復(fù)進(jìn)行探測(cè)、△∑調(diào)制、動(dòng)態(tài)延時(shí)、以及求和的步驟。
88.用于收集空間信息的設(shè)備，該設(shè)備包括用于從一個(gè)存儲(chǔ)器為一個(gè)傳感器陣列的一組選出的通道提取一個(gè)過采樣△∑調(diào)制序列的裝置；用于在一個(gè)發(fā)射／接收延時(shí)寄存器對(duì)這組選出的通道中的每個(gè)通道的序列進(jìn)行延時(shí)以對(duì)發(fā)射超聲束導(dǎo)向的裝置；用于對(duì)△∑調(diào)制序列的樣本進(jìn)行計(jì)數(shù)以探測(cè)發(fā)射序列的末尾的裝置；用于在這組選出的通道中的每個(gè)通道的發(fā)射序列的末尾探測(cè)反射信號(hào)的裝置；用于對(duì)每個(gè)通道的探測(cè)信號(hào)進(jìn)行△∑調(diào)制的裝置；用于在發(fā)射／接收延時(shí)寄存器對(duì)來自被調(diào)制探測(cè)信號(hào)的通道中的一組相應(yīng)△∑調(diào)制樣本進(jìn)行動(dòng)態(tài)延時(shí)的裝置；以及用于對(duì)一組相應(yīng)△∑調(diào)制調(diào)制值進(jìn)行求和以提供一個(gè)其振幅對(duì)應(yīng)于一個(gè)作為距離的函數(shù)形成的聲束的信號(hào)強(qiáng)度的輸出信號(hào)的裝置。
89.根據(jù)權(quán)利要求88的用于收集空間信息的設(shè)備，其中用于在發(fā)射／接收延時(shí)寄存器中對(duì)接收信號(hào)成束的裝置還包括用于利用發(fā)射／接收延時(shí)寄存器中的一系列延時(shí)及求和級(jí)對(duì)豎向和水平傳感陣列單元部分地成束的裝置。
90.根據(jù)權(quán)利要求88的用于收集空間信息的設(shè)備，它還包括用于對(duì)探測(cè)到的反射信號(hào)進(jìn)行預(yù)調(diào)制的裝置。
91.根據(jù)權(quán)利要求88的用于收集空間信息的設(shè)備，它還包括用于對(duì)探測(cè)到的反射信號(hào)進(jìn)行時(shí)間增補(bǔ)益補(bǔ)償?shù)难b置。
92.根據(jù)權(quán)利要求88的用于收集空間信息的設(shè)備，它還包括用于用過采樣△∑調(diào)制序列去差動(dòng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)超聲傳感器陣列的一組信號(hào)放大器的裝置。
93.根據(jù)權(quán)利要求88的用于收集空間信息的設(shè)備，它還包括用于交替地改變一組傳感器陣列單元的極性來減小共模噪聲的裝置。
94.根據(jù)權(quán)利要求88的用于收集空間信息的設(shè)備，它還包括用于利用一個(gè)△∑調(diào)制器對(duì)成束器的求和輸出進(jìn)行重新調(diào)制的裝置。
95.根據(jù)權(quán)利要求88的用于收集空間信息的設(shè)備，它還包括用于探測(cè)二維陣列上的反射信號(hào)的裝置。
96.根據(jù)權(quán)利要求88的用于收集空間信息的設(shè)備，它還包括用于利用一個(gè)筒式移位器去動(dòng)態(tài)延時(shí)△∑調(diào)制信號(hào)的裝置。
97.根據(jù)權(quán)利要求88的用于收集空間信息的設(shè)備，它還包括用于調(diào)節(jié)延時(shí)周期和形成一個(gè)不同方向的聲束的裝置。
98.根據(jù)權(quán)利要求88的用于收集空間信息的設(shè)備，它還包括一個(gè)模擬多路復(fù)用器，用于在控測(cè)裝置與△∑調(diào)制裝置之間耦合探測(cè)到的反射信號(hào)。
99.根據(jù)權(quán)利要求88的用于收集空間信息的設(shè)備，它還包括多個(gè)耦合在模擬多路復(fù)用器與△∑調(diào)制裝置之間的預(yù)調(diào)制器。
100.根據(jù)權(quán)利要求88的用于收集空間信息的設(shè)備，它還包括一個(gè)共用的模擬放大電路，用于支持多個(gè)預(yù)調(diào)制器。
全文摘要
提供了一種用于減小一個(gè)成像系統(tǒng)中的一個(gè)被動(dòng)態(tài)延時(shí)的數(shù)字樣本流的失真的方法和設(shè)備,該方法包括以大于輸入模擬信號(hào)的奈奎斯特頻率的頻率對(duì)成像系統(tǒng)的一個(gè)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行△∑調(diào)制以產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字樣本流的步驟以及在保持系統(tǒng)的一個(gè)△∑調(diào)制器與一個(gè)解調(diào)器之間的同步性的同時(shí)改變樣本流的長(zhǎng)度以使樣本流的一部分延時(shí)的步驟。
文檔編號(hào)H03M3/02GK1279844SQ9881130
公開日2001年1月10日 申請(qǐng)日期1998年10月6日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月6日
發(fā)明者斯蒂文·R·弗里曼, 馬修·奧唐奈, 托馬斯·E·林嫩布林克, 馬克·A·莫林, 馬歇爾·K·魁克, 查里斯·S·德西萊茨 申請(qǐng)人:趣點(diǎn)公司, 密執(zhí)安大學(xué)董事會(huì)