Динамический диапазон приемника (Receiver Dynamic Range) с одной стороны определяет способность приемника обнаруживать слабый входной сигнал, больший уровня шума, с другой — обрабатывать сигналы большого уровня без искажения. Отношение максимального сигнала к минимальному сигналу на входе приемника и определяет динамический диапазон приемника:
Специфическую важность имеют следующие два параметра радиоприемного устройства: динамический диапазон, свободный от помех SFDR (Spurious Free Dynamic Range), и динамический диапазон по блокированию BDR (Blocking Dynamic Range).
Динамический диапазон, свободный от помех SFDR, основан на отношении между максимальным входным уровнем, для которого интермодуляционные продукты третьего порядка имеют уровень, меньший уровня шума, и минимальным различимым сигналом Smin.
Рисунок 1. Интермодуляционные продукты приемника третьего порядка, ограничивающие динамический диапазон приемника
Верхнюю границу динамического диапазона приемника по блокированию BDR определяет сигнал однодецибельной точки блокирования, нижнюю — Smin.
Рисунок 2. Иллюстрация определения динамического диапазона приемника по блокированию BDR
Максимальный коэффициент усиления функционально законченного тракта приемника определяется, исходя из максимально возможного внутриполосного блокирования Pбл. Это означает, что максимальный коэффициент усиления зависит от качества фильтрации перед каскадами основного усиления.
- "Проектирование радиоприемных устройств" под ред. А.П. Сиверса — М.: "Высшая школа" 1976 стр. 6
- Палшков В.В. "Радиоприемные устройства" — М.: "Радио и связь" 1984 стр. 32
- "Радиоприемные устройства" под ред. Жуковского — М.: "Сов. радио" 1989 стр. 8 — 10
- Измерение параметров средств цифровой радиосвязи
Вместе со статьей "Динамический диапазон приемника" читают:
Диапазон рабочих частот радиоприемных устройств В зависимости от значения принимаемой частоты схемные и конструктивные решения радиоприемников могут значительно различаться.
http://digteh.ru/WLL/DiapPrmFr.php
Чувствительность приемника Чувствительность приемника характеризует способность приемника принимать слабые сигналы.
http://digteh.ru/WLL/ChustvitPrm.php
Избирательность приемника по частоте Избирательность по соседнему каналу – это способность приемника принимать полезный сигнал на заданной частоте канала с заданной вероятностью ошибки
http://digteh.ru/WLL/ChastotIzbirat.php
Побочные каналы приема Интермодуляция, блокирование, однодецибельная точка компрессии, вот основные источники возникновения побочных каналов приема! Знать и уметь бороться с этими явлениями – задача любого технического специалиста.
http://digteh.ru/WLL/NelinPrm.php
Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 . 2019
Динамический диапазон приемника ограничен снизу шумами приемника, сверху — пределами линейной части характеристик его каскадов. Строгий расчет динамического диапазона требует изучения нелинейности характеристик каскадов, характер и величина которой зависят от схемы каскада, типа активного прибора, режима его работы и т.д. Оценку динамического диапазона рекомендуется произвести по упрошенной методике.
Амплитудную характеристику любого усилителя или смесителя можно аппроксимировать рядом:
где коэффициенты Къ Кг и т.д. характеризуют искажающие свойства каскада. При наличии на входе усилителя или смесителя двух сигналов (например, полезного сигнала с частотой/! и помехи с частото /2, близкой к/,) на выходе, кроме сигналов/, и/2, появляются гармоники этих сигналов, комбинационные частоты и постоянная составляющая. Их уровень непосредственно связан с нелинейностью усилителей и смесителей. Принципиально нелинейными являются такж варикапы, переключающие диоды и некоторые другие элементы, используемые в сигнальных цепях. Оценка нелинейности обычно производится двухсигнальным методом.
Динамический диапазон й — это выраженное в децибелах отношение уровня двух равных по величине входных сигналов к уровню создаваемой ими комбинационной помехи при условии равенства е уровня уровню собственных шумов приемника. Расчетная формула:
где Авх — уровень полезного сигнала на входе, при котором на выходе уровень комбинационной составляющей третьего порядка 2/! -/, равен уровню полезного сигнала на линейном продолжении амплитудной характеристики (см. рис. 3.3).
На рис. 3.7 приведены графики зависимости выходной мощности сигналов с частотами/! и 2/ -/2 от их мощности на входе. При превышении определенного уровня входных сигналов линейный рос выходных сигналов замедляется. Если продолжить линейную част графика полезного сигнала (пунктирная линия), то в точке пересечения А выходной уровень полезного сигнала равен уровню составляющей третьего порядка.
Координаты точки А характеризуют линейные свойства каскада, причем значение Двх на оси абсцисс соответствует входному уровн сигналов, а ЛВых на оси ординат — выходному.
Рис. 3.7. График зависимости выходной мощности полезного сигнала и комбинационной составляющей третьего порядка от уровня полезного сигнала при двухсигнальном методе исследования
В активных цепях значение Д вых больше Авх на коэффициент усиления каскада С, выраженный в децибелах:
В пассивных цепях, например в диодных смесителях, значение Двых меньше Двх на величину потерь в смесителе.
Зная положение точки А на графике, можно рассчитать уровень колебаний комбинационной частоты при любых входных сигналах:В если каскад работает при уровне выходного сигнала на ХдБ ниже значения Двых, то уровень комбинационных частот третьего порядка будет на ЗХдБ ниже значения Двых. Допустим, Двых = +30 дБм и / 5 ВЫХ =В = —10 дБм. Тогда Х= ДВыХ— Двых = — 1 40 дБ и уровень комбинационны частот третьего порядка будет на 3-40 = 120 дБ ниже значения Двых.
Для уменьшения уровня комбинационных искажений следует снижать уровни входных сигналов. Однако это допустимо лишь до тех пор, пока комбинационные колебания превышают уровень собственных шумов приемника. Динамический диапазон лучших современны приемников достигает 100. 120 дБ, что дает возможность принимат полезный сигнал при уровнях помех, превышающих его в 10..10 6 раз.
При оценке динамического диапазона расчет производится следующим образом. Оценивается мощность шума, приведенная к входу приемника:
где П — отношение полосы пропускания приемника к полосе 1 Гц, N — безразмерный коэффициент шума. Затем из табл. 3.2 выбираетс значение Лвых, соответствующее типу каскада, и рассчитывается Авх:
где Авх и Авых имеют размерность дБм, а (7 — коэффициент передачи каскада (по мощности), дБ. После этого пользуются расчетной формулой для й.
Динамический диапазон рентгеновских приемников определяют наибольшей величиной отношения интенсивностей в рентгеновском изображении, при котором на каждом из уровней еще различаются крупные детали 5% контраста.
Одним из основных примуществ цифровых рентгеновских приемников перед пленочными является их широкий динамический диапазон. В России многие годы сохраняется предложенная А. Клеммом методика определения динамического диапазона [1].
В соответствии с этой методикой динамический диапазон рентгеновских приемников определяют наибольшей величиной отношения интенсивностей в рентгеновском изображении, при котором на каждом из уровней еще различаются крупные детали 5% контраста. Стандартом № 01-22-04 ВНИИИМТ эта же методика распространена на приемники рентгеновского изображения рентгеновских диагностических аппаратов с цифровой регистрацией изображений [7].
В публикациях наблюдается большой разброс в динамическом диапазоне цифровых приемников, которые построены по одним и тем же принципам [2—5].Например, для сканирующих аппаратов указывается динамический диапазон от 100 до 1600 раз [2—5].
Такое резкое расхождение в динамических диапазонах на аппаратах одного класса, вероятно, связано с тем, что на аппаратах, показавших очень большой динамический диапазон, измерения производились с нарушением общепринятой стандартизированной методики.
Фактически стандартизированная методика характеризует градационную разрешающую способность приемника, только при
испытаниях вместо градационного клина с контрастом между ступенями Кп = 5% используют упрощенный тест, по которому определяют интенсивность между первой (1макс) и последней (1мин) видимой ступенью.Можно вычислить число различимых гратаций:
В стандарте ВНИИИМТ № 01-22-04 рекомендован тест, в котором фиксировано 4 динамических диапазона (Д = 50; 100; 200; 400), что в соответствии с (1) эквивалентно различению соответственно 80, 94, 109 и 123 градаций клина 5% контраста между ступенями.
Таким образом, широкий динамический диапазон свидетельствует о хорошей передаче полутонов как в мягких, так и в плотных тканях.
Учитывая указанный выше большой разброс данных литературы о динамическом диапазоне цифровых приемников, дадим
теоретическую оценку минимально необходимого и желательного динамического диапазона.
Необходимый динамический диапазон определяется параметрами формируемого теневого изображения на входе приемника:
его контрастом и средней интенсивностью. Оценим величину этого контраста при обследованиях органов пациента. В современных медицинских рентгеновских аппаратах используются напряжения на рентгеновской трубке от 40 до 150 кВ. При этом экспериментально установлено, что в зависимости от толщины пациента напряжение и фильтрация излучения выбираются в соответствии с соотношением дэ4,Х = 3,5—4 [1], где дэ4, — эффективный коэффициент линейного ослабления, X — толщина пациента. Тогда максимально возможный контраст входного изображения будет равен:
Здесь не учтено рассеянное объектом излучение, попадающее на приемник, которое снижает Д. Если учесть, что проникающая способность большинства медицинских объектов ограничена эквивалентной алюминиевой толщиной 40 мм, то динамический диапазон в 54 раза хорошо совпадает с экспериментальными результатами Э. Б. Козловского [6] для напряжения на рентгеновской трубке 99 кВ. Только в случаях, когда в рабочее поле приемника попадают шторки диафрагмы, проводятся исследования с применением контрастирующих веществ, и если в теле пациента имеются металлические предметы (пули, осколки и др.) контраст входного изображения может превышать указанную величину.
Динамический диапазон рентгенографических комплексов экран-пленка равен 30—40 [5] при строго фиксированной экспо-зиции, соответствующей середине характеристической кривой пленки. Поэтому пленка не может передать максимальный контраст входного изображения, что приводит к потере градаций в мягких или плотных тканях. Если эти градации существенны для диагноза,то необходимо делать дополнительные снимки. Так как для рентгенографического комплекта оптимальная экспозиционная доза строго фиксирована, то при передержке или недодержке экспозиции получаются брако-ванные снимки, что влечет за собой необходимость повторной съемки. Для исключения брака минимальное значение динамического диапазона для цифровых аппаратов целесообразно принять равным 100 раз, что, как видно из соотношения (2),приблизительно в 2 раза превышает максимальный контраст входного рентгеновского изображения большинства медицинских объектов.
За увеличение динамического диапазона цифровых приемников свыше 100 можно привести следующие доводы. В общей рентгенологии на пленочных аппаратах применяются рентгенографические комплекты с чувствительностью 100, 200, 400, 800, 1000 (по международной классификации), что соответствует экспозиционным дозам приблизительно от 1 мР до 100 мкР соответственно. Такой набор рентгенографических комплектов определяется разными требованиями к детальности снимков различных органов. Чем ниже чувствительность рентгенографического комплекта, тем выше его разрешающая способность и контрастная чувствительность и наоборот. Все вместе рентгенографические комплекты, каждый из которых имеет динами-ческий диапазон 30, перекрывают динамический диапозон , в 320 раз.
Чтобы перекрыть возможности пленочных аппаратов с полным набором рентгенографических комплектов, динамический
диапазон цифровых приемников должен превосходить суммарный диапазон рентгенографических комплектов, т. е. быть немного более 320. Это особенно важно для цифровых приемников, у которых имеется возможность обмена между чувствительностью и разрешающей способностью. Такую возможность имеют приемники, построенные по схеме экран — оптика — ПЗС — матрица.
Дальнейшее расширение динамического диапазона вряд ли целесообразно по двум причинам. Величину дозы, которая задает границу динамического диапазона снизу, определяют шумы. Эксперименты показывают, что различить крупную деталь 5% контра-ста на фоне шумов, включающих шум входного рентгеновского потока, шум рассеянного излучения и аддитивный шум приемника, можно с вероятностью, близкой к 1, если доза на входе приемника не менее 5 мкР.
Верхняя граница динамического диапазона определяется допустимой дозой на снимке. По общепринятым нормам она не может быть более 2 мР. Таким образом, динамический диапазон в 500 раз является предельной величиной.
Отметим, что часто верхняя граница динамического диапазона определяется не допустимой дозой, а сигналом насыщения са-
мого узкого звена, входящего в приемник изображения, что имеет место, например, в рентгенографических комплектах и цифровых приемниках на рентгеновских электронно-оптических преобразователях. Во всех классах цифровых приемников число уровней квантования аналогового сигнала не должно приводить к снижению градационной разрешающей способности аппарата.
Блинов Н. Н., Жуков Е. М., Козловский Э. Б., Мазуров А. И. Телевизионные методы обработки рентгеновских и гамма-изображений. – М Энергоиздат, 1982.
Блинов Н. Н. (мл.), Гуржиев А. Н., Зеликман М. И. и др. // Мед.техника. – 2004. – № 6. – С. 13-16.
Медицинская рентгенология: технические аспекты, клинические материалы, радиационная безопасность / Под ред. Р. В. Ставицкого. – М.:МНПИ, 2003.
Медицинская техника для лучевой диагностики: Справочник
