所接收到的信號的巨大的動態范圍帶來了最嚴重的挑戰。前端電路必須同時具有很低的噪聲和承受大信號的能力——任何在通信的要求方面有經驗的人對此種需求都很熟悉。例如，如果電纜在特定頻率的損耗為2dB，則噪聲系數將衰減2dB。這就意味著電纜后的第一個放大器的噪聲系數必須比采用無損耗電纜時低2dB。可以避開這一問題的一個可能的辦法是把放大器放置在換能器手柄上。不過，這也會遇到嚴重的尺寸和功耗方面的限制；另外，需要對高壓瞬態脈沖進行防護的需求也使得這種解決方案難以實施。

另一個挑戰則是換能器元件和人體之間巨大的聲學阻抗失配。能量發射的高效率，離不開聲學阻抗的匹配層（類似于電阻抗匹配射頻電路）。這往往需要在手柄的換能器元件前敷設一兩層匹配層，這些材料后面接有一個透鏡，再后面是耦合乳膏。乳膏本身可以實現與人體的聲學接觸——因為空氣是一種很好的聲反射體。

接收電路所要解決的另一個重要的問題是從過載中快速恢復的能力。即使T/R開關的用途就是保護接收器不會承受很大的脈沖，這些脈沖通過開關的少量泄漏也足以讓前端電路過載。過載恢復能力欠佳將導致接收機“盲視”，直到恢復為止，這將直接影響到在距離皮膚多近的部位可以形成圖像。

超聲圖像是如何形成的——B模式

圖2示出了不同的掃描圖像是如何形成的。在所有4種掃描模式下，具有矩形邊界的掃描線所成的圖像是圖像的真實呈現，因為這是將在顯示監視器上出現的圖像。這里僅示出了單個換能器的機械移動（箭頭所指的方向）以方便對成像原理的理解，但是一個直線陣列在沒有機械移動的情況下也可以產生相同種類的圖像。在線掃描的例子中，換能元件沿著水平方向移動；對應于每條掃描線（圖像中所示的線），都會發送一個Tx脈沖，而來自于不同深度的各種反射信號被記錄下來，通過掃描方式轉換成視頻顯示。單個換能器在圖像采集過程中的移動方式，將決定圖像的形狀。這直接變換成線陣列換能器的形狀，也就是說，對于直線掃描而言，該陣列將是直線狀的，而對于弧形掃描而言，陣列將是凹面的。

圖2 單換能器圖像生成

從機械單換能器系統到電子系統所需要邁出的一步也可以通過考察圖2所示的直線掃描方式來輕松地予以解釋。如果單換能器單元被劃分為多個小塊，則如果一次激勵一個單元并紀錄來自于人體的反射信號的話，則還可以獲得如圖所示的矩形圖像，只是現在操作員不再需要移動換能器元件。從這一例子可以看出，弧形掃描可以由一個組成凹面形狀的線陣列來實現；扇形掃描將由呈凸面排列的線性陣列來實現。

雖然上述的實例解釋了B模式超聲圖像生成的基本原理，但一個現代系統一次不止使用一個單元來產生掃描線，因為它可以讓系統的孔徑發生改變。改變孔徑類似于改變光學系統中的焦點位置，這有助于產生更清晰的圖像。圖3示出了線性陣列和相控陣是如何做到這一點的；主要的差別在于在相控陣中，所有的單元都被同時用到，而在一個線陣列中，所有的陣列單元中只有一部分被用到。只用到較少的單元，其優點是節省了電子方面的硬件，但它增加了對給定的視場進行成像所需的時間。相控陣則不同，因為它采用了扇形分布，只需很少的換能器就可以對遠場進行大面積成像。這也就是相控陣換能器在心臟成像等應用領域的首選，在這些應用中，操作員必須能利用肋骨間的狹小空間來對尺寸大得多的心臟進行成像。

圖3 線性vs 相控陣成像

陣列中的激勵是沿著掃描線發出的，其方式由一組預計將同時到達某個焦點的延遲分布來決定的。這些脈沖（圖3）可以由陣列（填充陰影的圖形）上方垂直的時間線上的“彎曲”來表示——從陣列的表面往上對應著時間的增加。圖3所示的直線的步進陣列，將能向一組單元（孔徑）提供具有特定形狀的激勵，然后通過添加一個前面的元件并剔除一個后方的單元來讓孔徑發生步進移動。發生每一步時，一條掃描線（波束）是由同時到達的脈沖所形成的。在相控陣中，所有的換能器都同時激活。在上面所示出的例子中，暗線是對所示的脈沖方式所產生的反射數據進行成像的掃描線。

模擬vs 數字波束成形技術

在模擬波束成形（ABF）和數字波束成形（DBF）超聲系統，所接收到的、從沿著一條波束的特定焦點反射的脈沖信號將被按通道儲存起來，然后在時間上對準，并進行一致性求和，這可以提供空間的處理增益，因為各通道的噪聲是非相關的。圖像可以由如下的兩種方式之一來形成：經過模擬延遲線形成模擬電平序列，然后求和，并在求和后最終變換成數字形式（ABF）；或者，在盡可能接近換能元件的位置對模擬電壓電平進行采樣，將這些采樣值存入內存（FIFO），然后將它們通過數字化的處理求和（DBF）。

圖4和圖5示出了ABF和DBF系統的基本方框圖。兩種類型的系統都需要完美的通道間匹配。請注意，兩種實現方案都需要可變增益放大器（VGA），而且對于數字波束成形也始終都需要VGA，直到可以獲得動態范圍足夠高并且成本合理、功耗足夠低的ADC為止。請注意，ABF成像系統只需要一個高分辨率和高速的ADC即可，但一個DBF系統需要多個高速、高分辨率的ADC。有時在ABF系統中還需要一個對數放大器，以便在ADC接收信號之前壓縮動態范圍。