Massime prestazioni dai ricevitori a ultrasuoni

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Come ottenere le massime prestazioni dai ricevitori a ultrasuoni a elevato Snr attraverso l’ottimizzazione del progetto di sistema.

Negli ultimi anni le prestazioni in termini di Snr (Signal-to-Noise Ratio) ovvero di rapporto tra segnale e rumore dei ricevitori a ultrasuoni, hanno fatto registrare sensibili miglioramenti. Questa evoluzione è strettamente correlata all'introduzione di convertitori A/D a basso consumo che hanno permesso agli utilizzatori di migrare dai tradizionali dispositivi a 10 bit a convertitori con risoluzione di 12 bit e anche maggiore. Allo stesso tempo, sono stati progettati Vga (Variable Gain Amplifier) contraddistinti da basso rumore riferito all'uscita con il preciso scopo di sfruttare i vantaggi legati alla disponibilità di questi convertitori A/D. Il risultato dell'integrazione di questi nuovi convertitori A/D e Vga nei ricevitori a ultrasuoni è un sensibile miglioramento del rapporto segnale/rumore. L'avvento di questi nuovi ricevitori con elevato Snr è stato accolto con notevole soddisfazione in quanto ha permesso di sviluppare sistemi capaci di garantire prestazioni nettamente migliori in termini di imaging armonico in B mode e Doppler in modalità impulsata (pulsed-mode). Al fine di ottimizzare l'Snr è necessario variare il range di guadagno di questi nuovi ricevitori a ultrasuoni. Ciò può comportare l'insorgere di alcuni problemi per tutti quegli utenti abituati a sviluppare ricevitori di vecchia generazione, ovvero caratterizzati da valori più bassi del rapporto segnale/rumore. Obiettivo di questo articolo è spiegare le modalità utilizzate per determinare il guadagno del ricevitore ed evidenziare l'impatto negativo sul rapporto segnale/rumore del ricevitore quando si impostano valori troppo elevati del guadagno del ricevitore. Inoltre sono spiegate le modalità da seguire per ottimizzare il range dinamico del beamformer digitale, del filtro, del rilevatore e la mappatura del segnale di compressione. Una volta effettuate tutte queste operazioni, il sistema sarà in grado di ottimizzare le prestazioni dei ricevitori a elevato Snr, con un conseguente sensibile miglioramento delle prestazioni in termini di diagnostica.

Calcolo del guadagno del ricevitore a ultrasuoni

Un ricevitore a ultrasuoni a elevate prestazioni è composto da un Lna, un Vga, un filtro anti-alias e un convertitore A/D. L'Lna esegue la bufferizzazione (ovvero la memorizzazione temporanea) del segnale in ingresso e fornisce un guadagno sufficiente per contrastare in maniera efficace il rumore degli stadi seguenti. In un ricevitore progettato in maniera corretta le prestazioni di rumore dell'Lna determineranno in larga misura le prestazioni di rumore dell'intero ricevitore. Lo stadio Vga, dal canto suo, è responsabile del controllo del guadagno variabile nel tempo necessario per mappare l'ampio range dinamico del segnale di ingresso nel range dinamico, più limitato, del convertitore A/D. L'Aaf, invece, esegue l'indispensabile azione di filtraggio tesa ad assicurare che i segnali e i rumori fuori banda non diano luogo a fenomeni di aliasing nella banda del segnale provocando un deterioramento delle prestazioni del ricevitore. Come visibile in Fig. 1, i valori massimo e minimo del guadagno del ricevitore sono pari rispettivamente a 44,7 dB e 5,9 dB. A questo punto è interessante chiedersi quale modalità è stata seguita per la scelta di questi valori. Il valore minimo del guadagno del ricevitore è stato scelto in modo da assicurare che il segnale di ingresso dell'Lna della massima ampiezza consentita non saturi il convertitore A/D nel campo vicino (near-field). Nel caso del ricevitore integrato in MAX2082 di Maxim Integrated, l'ampiezza massima del segnale di ingresso è 330mVP-P con un guadagno dell'Lna pari a 18,5dB. Per quanto riguarda il convertitore A/D a 12 bit, invece, il range di ingresso massimo è pari a 1,5VP-P. Di conseguenza, il guadagno minimo del ricevitore non deve essere superiore a 20*log (1,5/0,33), ovvero circa 13,2dB. Nel caso di MAX2082 il valore minimo del guadagno è di 5,9dB, il che si traduce in un margine addizionale di 7,3dB. Il valore massimo del guadagno del ricevitore, invece, è stato selezionato in modo da assicurare che il contributo combinato del rumore di uscita dei vari circuiti che compongono la catena (Vga, Aaf e Adc) non deteriori in maniera significativa la figura di rumore del ricevitore stesso. Per assicurare che ciò non accada il rumore di uscita del ricevitore in corrispondenza del valore massimo di guadagno deve essere superiore in misura pari ad almeno 10dB rispetto al contributo del rumore combinato delle sorgenti appena menzionate. Il valore di 10 dB è generalmente accettato come "good practice". Quando questa condizione è soddisfatta, il contributo al rumore imputabile a Vga, Aaf e Adc ridurrà la figura di rumore del ricevitore a un valore inferiore a 0,25dB, valore generalmente considerato accettabile. Nella Fig. 2 è riportato il grafico del rumore di uscita del ricevitore MAX2082 in funzione del guadagno.
Osservando la Fig. 2 si può notare che il rumore di fondo del transceiver MAX2082 per bassi valori del guadagno è pari a circa 50nV/rtHz. Questo rumore è il contribuito al rumore di uscita del convertitore A/D a 12 bit, del Vga e del filtro Aaf. In un ricevitore progettato in modo corretto, il contributo più importante a questo rumore combinato è ascrivibile al convertitore A/D. Nel caso di MAX2082, il rumore di fondo del convertitore A/D è pari a circa 42nV/rtHz: in considerazione del fatto che il rumore di uscita totale è pari a 50 nV/rtHz, si evince che il contributo al rumore degli stadi precedenti il convertitore è estremamente ridotto. Ipotizzando un valore di impedenza della sorgente del trasduttore pari a 200Ω e un valore identico (200 Ω) perl'impedenza della terminazione per il ricevitore, il rumore riferito all'ingresso risulta essere uguale a circa 1,0 nV/rtHz. Di conseguenza, il valore massimo del guadagno del ricevitore deve essere almeno pari a 20 * log (50/1) + 10 dB, che equivale a circa 44 dB. Nel caso di MAX2082 è stato scelto un valore pari a 44,7 dB, in modo da soddisfare questo criterio con un margine di 0,7 dB. Osservando la Fig. 2 si può notare che il rumore misurato in corrispondenza del massimo guadagno è pari a circa 190nV/rtHz, superiore di circa 11dB al valore della tensione di rumore di 50nV/rtHz che si registra in corrispondenza del guadagno minimo. Per illustrare ancora meglio questo concetto, in Fig. 3 è riportata la mappa del guadagno in ricezione relativa a MAX2082. Nell'esempio appena riportato val la pena sottolineare che per l'Lna è stato ipotizzato un guadagno di 18,5 dB, valore a cui viene tipicamente impostato il guadagno di questo componente. Un tale valore garantisce un range di ingresso sufficiente per l'Lna e una figura di rumore adeguata. In molti casi, l'impostazione di un valore più elevato del guadagno dell'Lna si traduce in una diminuzione del range di ingresso dell'Lna e in una visualizzazione ristretta in campo vicino, a fronte di miglioramenti marginali della figura di rumore. Ad esempio, un incremento di 6 dB del guadagno dell'Lna comporterà una diminuzione del range di ingresso di un fattore pari a 2. Valori inferiori del guadagno dell'Lna se da un lato permettono di incrementare il range di ingresso disponibile, dall'altro penalizzano le prestazioni di rumore a livelli non accettabili.

Gli effetti negativi di un guadagno elevato
Nel caso di un ricevitore con un convertitore A/D a 12 bit, come quello integrato nel transceiver MAX2082, non è necessario aumentare il guadagno massimo a un valore superiore a 44,7dB. Con un livello del guadagno di questo tipo è possibile ottenere un'ottima figura di rumore. Un aumento del guadagno non comporterà incrementi significativi della sensibilità del ricevitore o della figura di rumore.
A questo punto dovrebbe essere chiaro il motivo per cui ricevitori con più bassi valori di Snr richiedono un valore del guadagno massimo più elevato. I convertitori A/D presenti in questi ricevitori sono caratterizzati da un rumore di fondo superiore a parità di range di ingresso massimo degli Adc. Di conseguenza è necessario un valore del guadagno del ricevitore superiore per garantire un valore ottimale della figura di rumore. In pratica un ricevitore con un rapporto tra segnale e rumore inferiore di 10dB richiederà un valore massimo del guadagno maggiore di 10dB per garantire le medesime prestazioni in termini di figura di rumore. Gli utenti che desiderano passare da ricevitori a basso Snr a ricevitori con Snr più elevato e guadagno massimo ridotto possono incontrare dei problemi nel caso in cui i sistemi non siano predisposti per supportare cambiamenti di questo tipo. Questa tema verrà affrontato più avanti nel corso dell'articolo. Ora è necessario comprendere il motivo per cui è necessario limitare il valore massimo del guadagno di un ricevitore a elevato Snr a 12 bit. È già stato dimostrato che nel caso di un ricevitore ad alto Snr a 12 bit non è necessario un guadagno massimo come quello che sarebbe richiesto da un ricevitore a basso Snr a 10 bit. La domanda resta comunque aperta: perché non aumentare il valore massimo del guadagno e il range del guadagno stesso di un ricevitore a 12 bit in modo da eguagliare quelli del ricevitore a 10 bit e minimizzare di conseguenza qualsiasi problema a livello di sistema quando si passa da un ricevitore a basso Snr a un analogo dispositivi ad alto Snr? La questione è senza dubbio pertinente e per fornire una risposta adeguata è necessario esaminare le limitazioni pratiche in fase di progetto legate al Vga. L'aumento del valore massimo del guadagno del Vga provoca un intrinseco incremento del rumore riferito all'uscita del Vga. In un ricevitore progettato in modo corretto il rumore di uscita del Vga per valori bassi e medi del guadagno dovrebbe essere di gran lunga inferiore rispetto al rumore del convertitore A/D. Nel caso si verifichi questa condizione, l'Snr del ricevitore per valori bassi o medi del guadagno sarà circa uguale all'Snr del convertitore A/D, come desiderato. Nel caso si cerchi di incrementare il valore massimo del guadagno del Vga, il rumore di uscita di quest'ultimo in corrispondenza di valori bassi e medi del guadagno inizia anch'esso ad aumentare. Nel momento in cui il rumore di uscita del Vga inizia ad avvicinarsi al livello del rumore del convertitore A/D, il rapporto segnale/rumore del ricevitore inizia a deteriorarsi. Un effetto di questo tipo è facilmente riscontrabile in alcuni ricevitori a ultrasuoni della concorrenza equipaggiati con amplificatori Pga (post-Vga Gain Amplifier) regolabili che consentono agli utenti di aumentare il guadagno di uscita massimo del Vga. Un attento esame dei grafici che riportano il rapporto segnale/rumore in funzione del guadagno di questi dispositivi evidenzia deterioramenti del rapporto tra segnale e rumore quando i Vga sono fatti funzionare impostando un valore elevato del guadagno del Pga. Di conseguenza l'utilizzo di questi amplificatori Pga comporta limitati vantaggi: essi contribuiscono a migliorare in maniera poco significativa la figura di rumore e hanno un impatto molto negativo sull'Snr del ricevitore.

Progettazione a livello di sistema

L'intero sistema a ultrasuoni deve essere ottimizzato per sfruttare i vantaggi derivati dall'aumento dell'Snr dei nuovi dispositivi, compresi quindi il beamformer digitale (somma e ritardo digitale), i filtri digitali, i rilevatori e la mappatura della compressione. Nel caso dello schema a blocchi semplificato del ricevitore a ultrasuoni, se il beamformer digitale, i filtri, i rilevatori e il circuito di compressione non hanno un range dinamico sufficiente (in altre parole un numero adeguato di bit) e/o la mappatura della compressione del segnale rilevato utilizzata per visualizzare i livelli di grigi non è impostata in modo adeguato, non è possibile sfruttare i miglioramenti dell'Snr di questi nuovi ricevitori. Inoltre l'ottimizzazione di questi blocchi critici condotta in funzione dei più datati ricevitori con Snr inferiore farà apparire questi nuovi ricevitori a elevato Snr inadeguati in termini di valore massimo del guadagno o di range di regolazione.
Per illustrare questo concetto si prenda in considerazione un tipico sistema a 64 canali. Per questo esempio è stato utilizzato il transceiver MAX2082. Consideriamo il rapporto segnale/rumore in funzione del guadagno di un singolo canale del ricevitore. Si evidenzia che in corrispondenza di valori bassi e medi del guadagno l'Snr è pari a circa 68dBFS. Come previsto questo rapporto si deteriora quanto il guadagno aumenta. Il rumore di ingresso amplificato del ricevitore e dell'elemento di trasduzione diventa maggiore del rumore del convertitore A/D. In questo esempio il beamformer digitale ritarda e somma le uscite digitali del ricevitore per produrre la corrispondente uscita digitale (beamformed). Quando viene eseguita la somma delle uscite dei convertitori A/D nel beamformer, l'Snr aumenterà di 3dB ogni volta che raddoppia il numero di canali. Di conseguenza, l'Snr dell'uscita del beamformer per un ricevitore a 64 canali sarà pari a circa 68dB + (3dB * log2 (64)) = 86dBFS per bassi valori del guadagno. Il beamformer deve mantenere come minimo questo range dinamico in modo che l'uscita sia almeno di 16 bit per poter sommare le uscite a 12 bit di tutti i 64 canali. L'uscita del beamformer è solitamente filtrata mediante un filtro adattato all'ampiezza di banda del trasduttore e quindi rilevato. Anche questi blocchi devono mantenere il range dinamico richiesto. L'uscita del rilevatore deve essere mappata nel range dinamico, limitato, della scala di grigi di visualizzazione disponibile. Per una corretta progettazione del sistema è necessario impostare il livello minimo della visualizzazione del grigio o il livello di nero appena al di sopra del rumore di fondo dell'uscita del rilevatore con i ricevitori nello stato di minimo guadagno. L'impostazione in questo punto del livello di nero garantisce che il massimo range dinamico dell'intero ricevitore è mantenuto e che il rumore di uscita dei ricevitori per valori bassi e medi del guadagno non sarà visibile nell'immagine. Si consideri adesso il caso in cui il valore del guadagno dei Vga è massimo. In questo caso l'Snr del singolo canale è pari a circa 59dBFS. L'Snr dell'uscita del beamformer a 64 canali è di conseguenza pari a 77 dBFS. Quindi il rumore di uscita del beamformer quando il guadagno del Vga assume il valore massimo è superiore di circa 11 dB rispetto al rumore di uscita del beamformer quando il valore di guadagno del Vga è minimo.
Quando il valore del guadagno del Vga è massimo il rumore di fondo del rilevatore dovrebbe avere un andamento del tipo di quello ottenuto in condizioni di curva di compressione correttamente impostata. In questo caso, in presenza di alti valori del guadagno i segnali di basso livello prossimi al rumore di fondo dovranno essere mappati in un livello chiaramente visibile nella visualizzazione in B-mode. È importante sottolineare che la curva di compressione dovrebbe essere piuttosto ripida per i segnali rilevati di basso livello per renderli visibili in modo chiaro e per migliorare la scala di grigi differenziale di questi segnali di basso livello. È facile comprendere da queste analisi la ragione per la quale si potrebbe ritenere che sia necessario un valore massimo del guadagno più alto quando si utilizza un ricevitore a elevato Snr nel caso beamformer, filtro, rilevatore e mappatura della scala di grigi sono stati ottimizzati per un ricevitore a 10 bit con Snr più basso. Quando si utilizza un ricevitore a basso Snr il rumore sull'uscita del rilevatore per bassi valori del guadagno di Vga sarà più alto. Di conseguenza è necessario impostare il livello di nero della curva di mappatura in scala di grigi a un valore più elevato in modo da assicurare che questo rumore non sarà visibile sul display. Se si sostituiscono i ricevitori con analoghi dispositivi a 12 bit con alto Snr i segnali di basso livello in corrispondenza del massimo valore di guadagno del Vga cadranno al di sotto del livello di nero della curva di compressione. In tal modo sembrerà che il guadagno dei ricevitori non sia sufficiente. A questo punto è bene sottolineare l'esistenza di un altro problema associato all'uso di ricevitori con Snr più elevato e al range Tgc (Time Gain Control - controllo di guadagno nel tempo) necessario del sistema. In un'immagine a ultrasuoni ottenute in B-mode, i controlli di guadagno nel tempo sono regolati in modo che tessuti dello stesso tipo siano caratterizzati da un livello di grigio uniforme, dal campo vicino a quello lontano dell'immagine. Al fine di garantire una scala di grigi uniforme il range di regolazione del guadagno del Tgc richiesto è dell'ordine di 50dB. Le analisi condotte in precedenza hanno evidenziato che il range di guadagno richiesto per un ricevitore a elevato Snr come quello presente nel transceiver MAX2082 è pari a circa 39 dB. È quindi evidente che questo range di regolazione del guadagno analogico non è sufficiente per fornire il range per il Tgc richiesto. Ne consegue che i sistemi con ricevitori a elevato Snr devono adottare tecniche di regolazione del guadagno digitali per fornire il range di regolazione del guadagno del Tgc aggiuntivo richiesto. Per questo motivo solitamente si fa ricorso a un attenuatore digitale controllato via software posto subito dopo il beamformer. Lo schema a blocchi del sistema con le relative mappe di guadagno analogico e digitale. Esso mostra l'utilizzo combinato delle regolazioni del guadagno del Vga del ricevitore analogico e del guadagno digitale per fornire un range di regolazione sufficiente. Per bassi valori del guadagno del Tcg la regolazione viene implementata per via digitale mediante un attenuatore digitale. In questo esempio il minimo valore di 12 dB del range di regolazione è stato ottenuto utilizzando questa tecnica. Nel caso di guadagni del Tgc superiori a 12 dB, la regolazione del guadagno è implementata mediante i Vga analogici presenti nei ricevitori.
Ricevitori a ultrasuoni a elevato Snr
Nel momento in cui sono disponibili ricevitori a ultrasuoni a elevato Snr, gli utenti devono accertarsi che i loro sistemi siano progettati in modo tale da poter sfruttare appieno le potenzialità di questi nuovi dispositivi. Il tentativo di adattare un progetto selezionando impostando valori elevati del guadagno per il Pga e l'Lna del ricevitore non permette di sfruttare i vantaggi offerti in termini di range di ingresso dell'Lna e di Snr di questi nuovi e sofisticati ricevitori. Gli utenti devono assicurarsi che il range dinamico del ricevitore venga mantenuto lungo l'intera percorso di elaborazione - beamforming digitale, filtraggio, rilevamento e compressione - e che i segnali siano mappati in maniera adeguata nel range di visualizzazione del livello di grigi. I progettisti devono altresì utilizzare una combinazione di tecniche di regolazione del guadagno analogiche e digitali per ottenere il range di regolazione di guadagno del Tgc necessario per far fronte al miglioramento dell'Snr dei ricevitori di nuova generazione.

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