CN103969477A - 一种信号发生器及其应用方法、系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种信号发生器及其应用方法、系统，所述信号发生器包括：时钟源、分频器、低通滤波器、功率合成器；所述时钟源，用于输出时钟信号；所述分频器，用于将所述时钟源输出的所述时钟信号分成两路时钟信号；所述低通滤波器，用于将所述两路时钟信号分别转换成低相位噪声信号；功率合成器，用于将所述两路低相位噪声信号合成一路。采用本发明的技术方案，通过将时钟信号经过简单的分频、滤波、合成环节处理，可以输出低相位噪声的测试信号。

Description

一种信号发生器及其应用方法、系统

技术领域

本发明涉及医疗器械电子噪声检测领域，具体的涉及一种信号发生器及其应用方法、系统。

背景技术

通常医疗诊断超声系统模拟前端电路、时钟电路引入的电子噪声水平决定了系统的灵敏度。模拟前端由探头电缆402、探头座403、收发开关（TRSW）414、低噪声放大器（LNA）404、压控衰减器（VCA）406、功率放大器（GA）408和低通滤波器（LPF）409等7个环节组成，图3所示。时钟电路由系统时钟源415、时钟分频分配电路器414组成，图3所示。在超声系统工作过程中，由于电子热运动、电压变化等原因，电路产生的电子噪声强度决定了超声系统对最小回波信号的检测能力，即接收灵敏度。就一般而言，热噪声和ADC的量化噪声等元器件固有噪声不可避免的存在，当其它噪声比这两种噪声功率小时，对系统接收灵敏度无影响，反之降低接收灵敏度。因而，准确测量系统的噪声强度，实现有的放矢地优化电路设计，对于提高超声系统的接收灵敏度尤为关键。

常用的测量噪声方法，是使用商用信号发生器产生的双频正弦波作为测试信号，注入到模拟前端的某个环节，然后对模数转换器采集的数据进行频谱分析，得到模拟前端电路、时钟电路的噪声功率总和。例如，在图6中使用商用信号发生器501，向探头座403注入双频正弦测试信号，从ADC 403采集数据中可以分析出除了探头电缆402以外的模拟前端电路、时钟电路噪声功率总和。由于商用信号发生器501输出信号相位噪声较高的原因，通常只用于检测超声系统中的较强噪声，例如开关电源噪声，难以用于弱噪声的检测，例如低噪声放大器底噪、评估时钟电路稳定指标对采集数据噪声的影响等低噪声测量。

商用信号发生器相位噪声高是由于其受通用设计目标所限制，需要根据用户设定对时钟源101产生的信号进行调制、波形控制、功率控制等处理，导致输出信号106的相位噪声比时钟源差了许多。图7、8是两种典型的商用信号发生器原理框图，测试时钟源101输出的低相位噪声时钟信号作为ASIC或FPGA芯片102的同步信号，对模数转换芯片（DAC）103进行同步，DAC输出模拟信号经过功率放大器（OP）104和低通滤波后即信号发生器输出信号，该方法通常被称为直接数字频率合成（DDS）。图2中，测试时钟源101输出低相位噪声时钟信号经分配器后输出给ASIC芯片102，同时作为锁相环（PLL）202的参考时钟。PLL输出信号经过功率放大器（OP）104和低通滤波后即信号发生器输出信号。显然，图7、8所列出的方法由于测试时钟源输出的时钟信号经历了较复杂的数字处理环节102和功率放大104环节，最终信号发生器输出信号的相位噪声远高于时钟源的相位噪声。商用信号发生器的相位噪声通常差于-110dBC/Hz20kHz，例如某知名品牌的高端信号发生器输出100MHz正弦信号的相位噪声-96dbc/1Hz20kHz，这一相位噪声指标远差于许多普通晶振的-130dBC/Hz1kHz。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种信号发生器及其应用方法、系统，通过将时钟信号经过简单的分频、滤波、合成环节处理，可以输出低相位噪声的测试信号。

一种信号发生器，包括：时钟源、分频器、低通滤波器、功率合成器；

所述时钟源，用于输出时钟信号；

所述分频器，用于将所述时钟源输出的所述时钟信号分成两路时钟信号；

所述低通滤波器，用于将所述两路时钟信号分别转换成低相位噪声信号；

功率合成器，用于将所述两路低相位噪声信号合成一路。

一种如上所述的信号发生器用于超声系统噪声测试的方法，所述方法为通过对系统待测噪声的各级电路逐级断开的方式，将所述信号发生器接入所述断开后的电路的输入端，获取并计算系统各级电路的噪声。

一种具有如上所述的信号发生器的超声系统，所述系统包括：收发开关（TRSW）、低噪声放大器（LNA）、信号发生器，多路选择器、系统控制信号；

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

1、由于时钟信号经过简单的分频、滤波、合成环节处理，因此可以输出低相位噪声的测试信号，从而有效解决了商用信号发生器输出测试信号相位噪声高，不能用于测量超声系统的模拟前端、时钟电路等低噪声元件的噪声问题。且所述信号发生器产生的测试信号可以满足超声系统等类似系统的测试要求。

2、由于该信号发生器采用的电路简单、体积小，因此具有成本低廉的优点。

3、由于整个信号发生器只有时钟源、分频器是有源器件，现有的芯片技术可以使二者相位噪声极低，其余无源器件不对输出信号的相位噪声产生影响，因此能使得信号发生器输出的测试信号相位噪声更低。

4、由于可以通过对时钟分频器的分频参数调整，因此可以产生两路各种不同频率的时钟信号的组合。

5、由于通过对系统待测噪声的各级电路逐级断开的方式，将所述信号发生器接入所述断开后的电路的输入端，因此可以获取并计算系统各级电路的噪声。

6、由于本发明的信号发生器电路简单，体积小，因此可以很容易被集成到被测超声系统，从而可以使用被测系统的电源供电，这可以使信号发生器输出的测试信号与被测系统直接共用同一信号参考地，切断地环路噪声产生根源，不需要额外采取地环路噪声滤除措施。

7、由于系统输出的测试控制信号对多路选择器控制，从信号发生器输出的低相位噪声测试信号和收发开关TRSW 输入的信号中选择其一输入到低噪声放大器（LNA），即超声接收通道。在进行接收通道噪声、一致性的自动测量时，选择信号发生器输出信号作为LNA 输入。测试信号经过LNA、衰减器(VCA)、功率放大器(GA)和低通滤波器(LPF)等4个环节，进入ADC 采集，采集信号经FPGA 、USB/PCIe接口，输入到计算机，在计算机中对采集数据进行分析，因此可以获得接收通道噪声、一致性信息。

附图说明

图1，本发明的信号发生器的结构框图。

图2，本发明的低相位噪声测试信号发生器原理框图；

图3，医疗诊断超声系统模拟、数字接收前端功能框图；

图4，利用发明的低相位噪声发生器产生的信号测试超声系统框图；

图5，利用发明的低相位噪声发生器产生的信号自动测试接收通道框图；

图6，商用信号发生器原理框图（DDS）；

图7，商用信号发生器原理框图（PLL）；

图8，利用商用信号发生器产生的信号测试超声系统框图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的说明书附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种信号发生器及其应用方法，通过将时钟源输出的时钟信号，经过分频、滤波、功率合成后作为系统的测试信号，该信号发生器经过简单的分频、滤波、合成环节处理，因此可以输出低相位噪声的测试信号。

该信号发生器可以应用于各种对测试信号频率准确度要求较低，且对测试信号的相位噪声要求较低的系统的噪声测试。比如超声系统等等。

实施例一、

以用于医疗诊断超声系统噪声测试为例，说明本发明的技术方案。

现有的超声系统模拟前端，其通频带约2~20MHz，带内增益平坦，对测试信号频率的准确度要求较低，且通常只需要对3、5、7、9、11、13、15、17MHz等几个频点的进行测试，就可以涵盖整个通频带检测，不需要使用频率准确、连续的一系列测试信号。许多普通晶振的相位噪声为-130dBC/Hz1kHz，为了对噪声进行检测，因此要求测试信号的相位噪声要低于-130dBC/Hz1kHz。

参见图1、2，所述信号发生器包括：时钟源101、分频器102、低通滤波器103、功率合成器104。

时钟源101，用于输出时钟信号，所述时钟源通常为晶振。

分频器102，用于将所述时钟源输出的所述时钟信号分成两路时钟信号。

由于信号发生器需要产生双频正弦波作为测试信号，即测试信号需要两种频率相近的信号，这里分成两路就是为了得到两种频率信号，例如3MHz和5MHz，再将这两路滤波、合成，就得到用于测试的一路信号，而这路信号由两路单频信号合成。

低通滤波器103，用于将所述两路时钟信号分别转换成低相位噪声信号。

由于时钟信号经分频器分成两路时钟信号，因此需要两个低通滤波器分别对两路时钟信号进行滤波。

功率合成器105，用于将所述两路低相位噪声信号合成一路。

综上所述，所述时钟源101输出的时钟信号进入分频器102，产生两路频率接近的时钟信号，分别经过低通滤波器103得到低相位噪声正弦信号，最后经过功率合成器104将两路正弦信号合成一路输出作为超声系统的测试信号。由于时钟信号经过简单的分频、滤波、合成环节处理，因此可以输出低相位噪声的测试信号，从而有效解决了商用信号发生器输出测试信号相位噪声高，不能用于测量超声系统的模拟前端、时钟电路等低噪声元件的噪声问题，且所述信号发生器产生的测试信号可以满足超声系统等类似系统的噪声测试要求。

同时，因为该信号发生器采用的电路简单，体积小，因此具有成本低廉的优点。

在一些实施例中，所述低通滤波器103和功率合成器104分别为无源低通滤波器和无源功率合成器。由于整个信号发生器只有时钟源101、分频器102是有源器件，现有的芯片技术可以使二者相位噪声极低，其余无源器件不对输出信号的相位噪声产生影响，因此能使得信号发生器输出的测试信号相位噪声更低。

在一些实施例中，通过对分频器102的分频参数调整，可以产生两路各种不同频率的时钟信号的组合。因为超声系统的带宽通常是1~10MHz，一种测试信号（如3MHz和4MHz），不能涵盖整个带宽的测试。因而需要不同频率组合的测试信号。不同频率输出是为了得到不同频率组合的测试信号。

实施例二、

提供如实施例一所述的信号发生器应用于超声系统噪声测试的方法。

医疗诊断超声系统模拟前端电路、时钟电路引入的电子噪声水平决定了系统的灵敏度，即超声系统的噪声测试只需要针对模拟前端电路和时钟电路的噪声进行测试。

如图3所述，超声系统模拟前端由探头电缆402、探头座403、收发开关（TRSW）414、低噪声放大器（LNA）404、压控衰减器（VCA）406、功率放大器（GA）408和低通滤波器（LPF）409等7个环节组成。时钟电路由系统时钟源415、时钟分频分配电路器416组成。

所述噪声测试方法为：通过对系统待测噪声的各级电路逐级断开的方式，将所述信号发生器接入所述断开后的电路的输入端，获取并计算系统各级电路的噪声。

所述各级待测噪声电路在本实施例所述超声系统中主要包括：时钟电路、模拟前端及模拟前端各组成元件。

所述逐级断开可以选用各种断开方式，只要最终可以获得需要的各级电路的噪声的测量结果即可。

例如，可以先断开探头电缆402与探头座403的连接，将信号发生器601接入到探头座，这样可以获取模拟前端和时钟电路的噪声总和。再断开探头座403与收发开关（TRSW）414之前的连接，可以获取除探头座之外的模拟前端和时钟电路的噪声总和，通过前一次获得的噪声总和减去去掉探头座后的噪声总和就可以计算出模拟电路中的探头座的噪声。

例如，如图6所示，将低通滤波器(LPF) 409与ADC 413断开，将两者断开是为了消除前者（LPF）对测量结果的影响。此时，信号发生器601输出的信号替代了LPF的输出。计算机采集到的信号噪声是信号发生器601、时钟电路（图中省略）、ADC噪声的总和，其中信号发生器601输出的信号噪声可以单独测量，是已经知道的。

信号发生器601向ADC输入测试信号303。ADC采集信号经FPGA 412、USB/PCIe接口411，输入到计算机410。通过计算机采集信号噪声减去已知的信号发生器601噪声，等于时钟电路、ADC 413量化噪声功率之和，进而可以得到系统时钟信号相位噪声对采集数据影响等指标。

再例如，信号发生器601测试整个模拟前端的噪声，具体的如下：

首先，断开探头电缆402与探头座403的连接，信号发生器601从探头座注入测试信号303。信号经过探头座403、收发开关(TRSW)414、低噪声放大器(LNA)404、衰减器(VCA)406、功率放大器(GA)408和低通滤波器(LPF)409等7个环节，进入ADC 413采集，采集信号经FPGA 412、USB/PCIe接口411，输入到计算机410。在计算机中对采集数据进行频谱分析，可以获得模拟前端、时钟电路414、ADC 413噪声功率之和。

在上述获得时钟电路、ADC噪声功率的基础上，可以得到模拟前端的噪声功率。

采用上述方法逐级断开测量，可以获得模拟前端的各级电路噪声功率。

优选的，在进行模拟前端噪声测试的时候，将模拟前端的增益设成最大。由于噪声可以看成是微弱的信号，增益是放大倍数，放大倍数增大后，便于对小信号的观察。

在一些实施例中，如果模拟前端与超声系统其它元件如ADC集成在一片芯片中，当需要测试时钟电路时，可以将模拟前端增益设成最低，测试信号从探头座注入，计算机中对采集数据进行频谱分析得到的噪声功率可以近似看成是时钟电路、ADC噪声功率之和。然后将模拟前端增益设成最大，可近似达到测试模拟时钟噪声的目标。

在一些实施例中，所述信号发生器可以集成到被测超声系统，使用被测系统的电源供电。

由于本发明的信号发生器电路简单，体积小，因此可以很容易被集成到被测超声系统，从而可以使用被测系统的电源供电，这可以使信号发生器输出的测试信号与被测系统直接共用同一信号参考地，切断地环路噪声产生根源，不需要额外采取地环路噪声滤除措施。然而通常的商用信号发生器使用市电，其测试信号输入到被测系统时，通常会有地环路噪声混入被测系统，容易造成测量结果错误。因而，商用信号发生器需要工程师在电磁环境噪声极低的条件下测试或采取复杂的地环路噪声滤除措施。

实施例三、

提供具有如实施例一所述的信号发生器的超声诊断系统，所述系统可实现系统接收通道噪声、一致性的测量。

如图5所示，所述超声诊断系统包括：收发开关（TRSW）414、低噪声放大器（LNA）404、信号发生器，多路选择器、系统控制信号等等。

超声回波通过TRSW 414进入多路选择器701，信号发生器601输出测试信号也进入多路选择器701，多路选择器701根据控制信号702，选择TRSW 414或信号发生器601的测试信号作为输出信号。

我们常用的指标测量方法是：用一个已知的信号，输入到被测对象（或设备），通过分析被测对象输出的信号，而获得被测对象的技术指标。

在超声系统中，多路选择器其功能是：根据控制信号，从多路输入信号中选择一路输出。

具体过程为：系统输出的测试控制信号702对多路选择器701控制，从信号发生器601输出的低相位噪声测试信号和收发开关TRSW 414输入的信号中选择其一输入到低噪声放大器（LNA）404，即超声接收通道。在进行接收通道噪声、一致性的自动测量时，选择信号发生器601输出信号作为LNA 404输入。测试信号经过LNA、衰减器(VCA)406、功率放大器(GA)408和低通滤波器(LPF)409等4个环节，进入ADC 413采集，采集信号经FPGA 412、USB/PCIe接口411，输入到计算机410。在计算机中对采集数据进行分析，。获得接收通道噪声、一致性信息。所述分析方法属于公知技术，在此不再赘述。将该信号用于通道校准，可以提高超声系统的成像质量；将该信号用于系统硬件自检，可以准确定位故障，提高生产效率。

所述控制信号是超声系统根据工作状态产生的。例如：功能调试工程师，操作超声机器的键盘，机器内部的计算机响应键盘操作，输出该控制信号。

以上对本发明所提供的信号发生器及其应用方法、系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，因此，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种信号发生器，其特征在于，包括：时钟源、分频器、低通滤波器、功率合成器；

所述时钟源，用于输出时钟信号；

所述分频器，用于将所述时钟源输出的所述时钟信号分成两路时钟信号；

所述低通滤波器，用于将所述两路时钟信号分别转换成低相位噪声信号；

功率合成器，用于将所述两路低相位噪声信号合成一路。

2.根据权利要求1所述的信号发生器，其特征在于，所述低通滤波器和功率合成器分别为无源低通滤波器和无源功率合成器。

3.根据权利要求1或2所述的信号发生器，其特征在于，所述分频器通过对其分频参数调整，产生不同频率的时钟信号。

4.一种权利要求1所述的信号发生器用于超声系统噪声测试的方法，其特征在于，所述方法为通过对系统待测噪声的各级电路逐级断开的方式，将所述信号发生器接入所述断开后的电路的输入端，获取并计算系统各级电路的噪声。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述各级电路包括：时钟电路、模拟前端及模拟前端各组成元件。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，当所述待测噪声电路为模拟前端时，将所述模拟噪声前端增益设置成最大。

7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，当所述模拟前端与超声系统的其它电路元件集成，如需要测试所述时钟电路的噪声时，将所述模拟前端的增益设成最低。

8.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将所述信号发生器集成到超声系统，使用超声系统的电源供电。

9. 一种具有权利要求1所述的信号发生器的超声系统，其特征在于，所述系统包括：收发开关（TRSW）、低噪声放大器（LNA）、信号发生器，多路选择器、系统控制信号；

通过系统控制信号控制多路选择器从信号发生器输出的低相位噪声测试信号和TRSW输出的信号中选择其一输入到LNA。