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优化系统设计提高超声接收机的SNR

上网日期: 2014年03月17日 ?? 作者: John Scampini ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:超声接收机? 信噪比? 增益? 滤波器?

为清晰起见,以图5所示典型的64通道系统为例。

简化64通道超声接收器系统在最小VGA增益下的噪声分析(电子工程专辑)
图5. 简化64通道超声接收器系统在最小VGA增益下的噪声分析。

本例中,我们假设使用的是MAX2082收发器。单接收通道的SNR与增益关系曲线如图5左侧所示。从曲线可知,中、低增益时SNR为大约68dBFS。正如预期的那样,增益提高时,SNR变差;放大后的接收器和变送器元件输入噪声大于ADC噪声。在图2所示MAX2082的输出噪声与增益关系曲线中也能看到这一点。

本例中的数字波束成形器延迟及求和接收器的数字输出,产生数字波束成形输出。在波束成形中求和ADC的输出时,通道数量每增加一倍,SNR将增加3dB。因此,对于64通道接收器,低增益下的波束成形输出的SNR将为68dB+(3dB×log2 (64))=86dBFS。波束成形器必须至少维持在该动态范围,所以输出应至少为16位,以对全部64路12位输出求和。波束成形器的输出通常使用与变送器带宽相匹配的滤波器进行滤波,然后进行检波。这些电路也必须维持必要的动态范围。然后需要将检波器的输出映射到可以使用的显示灰度的动态范围。图6所示为典型的检波器至灰度映射曲线。

检波器输出至灰度映射曲线表明了VGA为最小增益时的检波器噪声水平(电子工程专辑)
图6. 检波器输出至灰度映射曲线表明了VGA为最小增益时的检波器噪声水平。

对于正确的系统设计,存在一个临界设置:将最小灰度显示电平或黑色电平设置为恰好高于接收器为最小增益时的检波器输出本底噪声。将黑色电平设置为该点确保整个接收器的最大动态范围,以及接收器在中、低增益时的输出噪声在图像上不可见。

现在,我们考虑VGA处于最大增益时的情况,如图7所示。此时,单通道SNR为大约59dBFS,如图中的单通道SNR与增益关系曲线所示。因此,64通道波束成形器的输出SNR为77dBFS。所以,最大VGA增益下的波束成形器输出噪声比VGA为最小增益时高出大约11dB。

简化64通道超声接收器系统在最大VGA增益下的噪声分析(电子工程专辑)
图7. 简化64通道超声接收器系统在最大VGA增益下的噪声分析。

在图7所示的最大VGA增益条件下,相对于正确设置的压缩曲线,检波器噪底应如图8所示。此时,高增益下接近噪底的低电平信号应调整到B模式下清晰可见的电平。值得注意的是,对于低电平已检波信号,为使其清晰可见以及增强这些低电平信号的差分灰度,调整曲线应该相当陡峭。

 

检波器输出至灰度映射曲线表明了VGA为最大增益时的检波器噪声水平(电子工程专辑)
图8. 检波器输出至灰度映射曲线表明了VGA为最大增益时的检波器噪声水平。


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