Le più recenti generazioni di ricevitori e trasmettitori ad ultrasuoni, come il MAX2082, sono stati ottimizzati per avere elevate performance in termini di SNR. Tutto questo è stato possibile grazie agli sviluppi tecnologici su aspetti come il low-power, la conversione ADC ad alta risoluzione e l'avvento degli amplificatori a guadagno variabile (VGA) con basso rumore in uscita. Ma avere a disposizione queste tecnologie non basta, bisogna anche saperle utilizzare correttamente. Risulta necessario che gli sviluppatori comprendano come impostare in questi dispositivi i parametri di guadagno, range dinamico, filtraggio, detection e mapping dei dati ricevuti. In questo articolo parliamo proprio di questo aspetto, in maniera tale da agevolare le operazioni per chi si trova ad affrontare per la prima volta questo tipo di problema.
Introduzione
Negli ultimi anni le performance in termini di SNR per i ricevitori ad ultrasuoni sono notevolmente migliorate. Questo grazie all'utilizzo di ADC low-power con risoluzione che passa da 10 a 12 bit e all'utilizzo di VGA (Variable Gain Amplifier) a basso rumore in uscita che riescono ad ottimizzare il segnale per la conversione ADC. L'avvento di questi nuovi ricevitori ad elevato SNR è stato ben recepito dal mercato, grazie a questi dispositivi le immagini ottenute in modalità "B-Mode harmonic" e in "pulsed-mode" per le ecografie sono notevolmente migliorate.
Per utilizzare al meglio questi nuovi ricevitori ad ultrasuoni è però necessario capire bene come impostare i vari parametri per far si che rendano al meglio, altrimenti tutti i vantaggi ottenibili vengono vanificati. In particolare si parla di parametri come guadagno, range dinamico, filtraggio, detection e mapping con compressione del segnale.
Calcolo del guadagno in ricezione
In figura 1 viene mostrato il tipico schema a blocchi in sequenza per un ricevitore ultrasonico. Si possono vedere un amplificatore a basso rumore (LNA) , un VGA, un filtro anti-alias (AAF) e l'ADC. L'LNA bufferizza il segnale in ingresso e fornisce un guadagno necessario per sormontare il rumore degli stadi successivi. In un ricevitore correttamente progettato le performance in termini di rumore dell'LNA determinando in maniera massiccia le performance di tutto il ricevitore. Lo stadio VGA fornisce il necessario controllo del guadagno variabile nel tempo, per mappare l'ampiezza del segnale d'ingresso in un range limitato sul quale lavora l'ADC. Il blocco di AAF fornisce il necessario filtraggio per garantire che il rumore fuori banda venga escluso e non corrompa le performance del ricevitore.
Figura 1: Tipico diagramma a blocchi per un ricevitore ad ultrasuoni
La figura 1 mostra che i valori massimi e minimi di guadagno per il ricevitore sono 44.7dB e 5.9dB rispettivamente. il problema ora è come selezionare i valori opportuni. Il valore minimo di guadagno del ricevitore deve essere scelto in modo che il più ampio segnale LNA di input non porti l'ADC in saturazione quando le distanze di trasmissione sono brevi. Con il ricevitore MAX2082, il massimo segnale di ingresso ha ampiezza pari a 330mV picco -picco con un guadagno impostato di 18.5dB. il massimo range di ingresso dell'ADC è 1.5V picco-picco. di conseguenza il minimo guadagno di ricezione non deve essere maggiore di 20 × log(1,5/0,33) ossia circa 13.2dB. Per il MAX2082 avevamo visto che il minimo valore di guadagno è effettivamente 5.9dB, perciò abbiamo almeno altri 7.3dB di margine. Il guadagno massimo di ricezione deve essere scelto per assicurare che il contributo combinato di rumore in uscita dal VGA e dal circuito di ADC non corrompa in maniera importante la figura di rumore. Perché questo non accada, il rumore in uscita dal ricevitore al massimo guadagno deve essere almeno 10dB maggiore del rumore combinato generato dalle sorgenti. Il valore di 10dB deriva da regola pratica generalmente adottata in questi casi. quando questa condizione risulta vera il contributo di rumore di VGA, AAF e ADC riduce la figura di rumore tipicamente meno di 0.25dB, considerato solitamente un valore accettabile. In figura 2 viene mostrato il rumore in uscita dal MAX2082 rispetto al guadagno.
Figura 2: Rumore complessivo in uscita rispetto al guadagno per MAX2082.
Dalla figura 2 si vede che il rumore di fondo nel MAX2082 a basso guadagno si attesta intorno ai 50nV/√Rt. Questo rumore è quello combinato di ADC, VGA e AAF. In un ricevitore correttamente progettato l'ADC deve dominare questo rumore. Infatti nel MAX2082, l'ADC ha un valore di fondo del rumore di circa 42nV/√Rt, questo significa che il contributo sul rumore della circuiteria che precede l'ADC è veramente piccolo, visto che il totale si attesta sui 50nV/√Rt. Assumendo un impedenza sorgente del trasduttore di 200Ω e altrettanti 200Ω di impedenza di terminazione per il ricevitore, il valore del rumore in ingresso è circa 1.0nV/√Rt. Quindi, di conseguenza, il massimo guadagno di ricezione deve essere almeno 20 × log (50/1) + 10dB, ossia circa 44dB. Anche in questo caso il guadagno del MAX2082 è stato scelto di 44.7dB con un margine di 0.7dB. Ritornando alla figura 2 si può vedere come il rumore misurato al massimo guadagno è circa 190nV/√Rt che è circa 11dB oltre i 50nV/√Rt ottenibili a guadagno minimo.
Per approfondire ulteriormente il concetto, in figura 3 viene mostrata la mappa del guadagno di ricezione per il MAX2082.
Figura 3: Mappa di guadagno del MAX2082
In questo esempio va precisato che si assume un guadagno LNA di 18.5dB, questo in base ad una regola pratica che fa si che questo valore sia il più utilizzato. Infatti questo valore di guadagno fornisce un sufficiente range del segnale in ingresso all'LNA e una buona figura di rumore. In molti casi, un guadagno superiore tende a ridurre il range del segnale che può andare in ingresso all'LNA, restringendo in questo caso la possibilità di ricezione da vicino (dove l'ampiezza del segnale è più grande) e con un miglioramento minimo sulla figura di rumore. Un incremento del guadagno dell'LNA di 6dB, riduce l'ampiezza del segnale d'ingresso di un fattore 2. Al contrario se il guadagno viene ridotto aumenta il range del segnale in ingresso ma si penalizza la robustezza al rumore.
Effetti negativi legati ad un guadagno di ricezione elevato
Per un ricevitore tipo equipaggiato con ADC a 12 bit, come il MAX2082, incrementare il guadagno massimo oltre 44.7dB non è necessario. In corrispondenza di questo guadagno complessivo la figura di rumore è piuttosto buona, aumentare ulteriormente il guadagno non fa aumentare la sensibilità del ricevitore o il margine di rumore in maniera apprezzabile.
Dovrebbe essere immediato capire perché ricevitori a basso SNR richiedono un guadagno maggiore. L'ADC ha un livello di rumore di fondo elevato, assumendo che il massimo range in ingresso sia il medesimo, quindi un guadagno maggiore è necessario per avere una figura di rumore equivalente. Ossia, tradotto in un esempio numerico, se un ricevitore ha un SNR di 10dB inferiore rispetto ad un altro, significa che approssimativamente necessiterà di un guadagno complessivo maggiore di 10dB per avere la stessa figura di rumore. Se un utente decide di migrare da un ricevitore a basso SNR verso uno a SNR più elevato, allora può ottenere le stesse performance di robustezza al rumore con un guadagno minore.
Se si utilizza un ricevitore con ADC a 12 bit ad elevato SNR, il guadagno può essere inferiore rispetto ad un ricevitore a 10 bit a basso SNR. La domanda ora è perché non incrementare il guadagno massimo o il range di guadagno del ricevitore a 12 bit per equiparare quello del ricevitore a 10 bit? In questo caso si minimizzerebbero i problemi di sistema nel passaggio da un ricevitore all'altro. La risposta coinvolge le limitazioni progettuali del VGA. Aumentare il guadagno del VGA significa anche aumentare il rumore in uscita da questo, mentre un buon design prevede che il rumore in uscita dal VGA per guadagni medio bassi sia molto inferiore al rumore dell'ADC. Questo permette che complessivamente, sempre a guadagni medi e bassi, il SNR del ricevitore coincida con il SNR dell'ADC, che fondamentalmente è quello che vogliamo mantenere. Se aumentiamo il guadagno del VGA, aumentiamo anche il rumore in uscita e questo va a peggiorare il SNR complessivo del ricevitore.
Progetto del sistema
Una delle cose più importanti è che il sistema di ricezione ultrasonico sia modificato per adattarsi all'incremento del SNR dei nuovi dispositivi. Solitamente un sistema completo di ricezione al fine di aumentare la capacità di ricezione e minimizzare rumore di fondo e interferenze utilizza un filtraggio spaziale conosciuto come Beamforming. Per questo motivo quando si parla di SNR dei nuovi dispositivi dobbiamo considerare anche quelli che realizzano il filtraggio digitale di beamforming, i filtri digitali, i detectori e la mappa di compressione. In figura 4 è riportato lo schema a blocchi di un ricevitore ultrasonico completo
Figura 4: Struttura semplificata di un filtro beamformer a n-canali
Se il digital beamformer, i filtri i detectori e la circuiteria di compressione non hanno un range dinamico sufficiente (ossia sufficiente risoluzione in bit), oppure la mappa di compressione del segnale individuato non è correttamente impostata, allora il miglioramento di SNR dei nuovi ricevitori non può essere realizzato. In aggiunta questi ulteriori blocchi se ottimizzati per i vecchi ricevitori a basso SNR, potrebbero non apportare miglioramenti se utilizzati con i nuovi ricevitori ad elevato SNR, proprio perché potrebbero non avere sufficiente guadagno o dinamica del segnale. Si consideri ad esempio il sistema a 64 canali di figura 5. Nell'esempio si assume di utilizzare i MAX2082 come transceiver. Il grafico del SNR rispetto al guadagno di un singolo canale di ricezione è mostrato sulla destra di figura 5. Da questo grafico si vede che per guadagni medio-bassi il SNR è di circa 68dBFS. Come da aspettative il SNR degrada se il guadagno aumenta, ne abbiamo già parlato in precedenza.
Figura 5: Analisi del rumore con minimo guadagno VGA per un ricevitore ultrasonico a 64 canali.
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per curiosità non avresti delle immagini comparative che mostrino la differenza che il diverso guadagno comporta sull’immagine finale a parità di tutti i restanti parametri? Articolo interessante, almeno per un radiologo appasionato di elettronica come me 🙂
Purtroppo non ho immagini comparative sul risultato finale di una implementazione effettuata con questo tipo di ricevitori ultrasonici ad elevato SNR, Come ho scritto l’argomento è molto complesso e i vari produttori di dispositivi vanno poi ad utilizzare tecniche di filtraggio particolareggiate. In ogni caso ti posso assicurare che l’effetto di un miglioramento dell’SNR dovrebbe comportare una maggiore nitidezza dell’immagine dovuta alla riduzione della puntinatura (tipico effetto del rumore di fondo) e all’aumento del contrasto. Sono molto contento che tu abbia trovato l’articolo interessante!