Problemy projektowe obrazowania w elektronice medycznej

Rys. 1. Współczynnik sygnału do szumu w funkcji szybkości próbkowania dla LTC2203

Aby zapewnić wysoki zakres dynamiczny cały system musi zostać zaprojektowany pod kątem jakości przetwarzania sygnału i wysokiej jakości przetwornik CCD musi być połączony z tak samo dobrym układem przetwarzania. W największym stopniu takie wymagania dotyczą działania przetwornika analogowo-cyfrowego i jego zakresu dynamicznego, który powinien tak zostać wybrany, aby zapewnić najlepszą jakość cyfryzacji obrazu.

Układ przetwornika analogowo-cyfrowego LTC 2203 firmy Linear Technology, to 16-bitowy konwerter pracujący z szybkością 25 Msps zapewniający współczynnik sygnału do szumu na poziomie 81,6dB, niskie zniekształcenia oraz wyposażony w szereg funkcji, które pomagają zredukować poziom niepożądanych efektów w obrazie, takich jak pasteryzacja obrazu lub ograniczony gradient (rys. 1). LTC 2203 wyróżnia się także niskim poborem mocy, zadowalając się jedynie 220mW energii zasilającej.

Cechy te pozwalają na użycie tego elementu w wymagających aplikacjach, gdzie konieczne jest uchwycenie nawet drobnych zmian w kolorystyce. Oprócz tego układu Linear Technology ma w ofercie kompatybilny pinowo układ LTC 2202 o rozdzielczości 16 bitów i szybkości konwersji 10 Msps. Niższa wydajność przełożyła się na niższy pobór mocy, który w przypadku tego układu wynosi tylko 140mW. Linear Technology oferuje także inne układy przetworników analogowo-cyfrowych o 16-bitowej dokładności przetwarzania i o różnych szybkościach działania, aż do 160 Msps.

Układy te zawierają dwie przydatne funkcje opracowane pod kątem aplikacji przetwarzania obrazu. Pierwszą jest wewnętrzny maskujący dithering sygnału analogowego zapewniający poprawę współczynnika sygnału do szumu (SNR) przy niskich poziomach sygnału oraz cyfrowy randomizer, redukujący wpływ szybkich zmian poziomu napięcia w cyfrowym sygnale wyjściowym z przetwornika przenoszących się na wejście. Kolejną rzeczą jest dopasowanie wyjścia czujnika do przetwornika.

Ponieważ typowe wyjście czujników obrazowych jest niesymetryczne, konieczne jest dodanie wzmacniacza operacyjnego, który dostarczy do przetwornika analogowocyfrowego wymagany na wejściu sygnał różnicowy. Przykładem może być tutaj używany w takich sytuacjach LTC6402 (rys. 2). Zapewnia on na wyjściu sygnał różnicowy, bez degradowania integralności sygnału wychodzącego z wewnętrznego drivera zawartego w elemencie CCD.

Funkcje optymalizacji przetwarzania

Rys. 2. Driver przetwornika LT6402 w typowej aplikacji

Nawet przy znakomitym stosunku sygnału do szumu na poziomie 81,6dB, LTC 2203 może zostać dodatkowo zoptymalizowany w celu poprawy zakresu dynamicznego przetwarzania i lepszej jakości obrazu. To dlatego, że poziom zakłóceń wpływających na działanie przetwornika jest determinowany przez termiczny szum wewnętrznych układów przetwornika, a nie wynika z kwantyzacji. Szum termiczny ogranicza niestety zakres dynamiczny układu, redukując efektywną liczbę bitów przetwarzania sygnału.

Dlatego, aby wykorzystać pełną 16-bitową skalę dynamiki przetwornika LTC2203, w praktyce konieczne jest próbkowanie wielu ramek. Po uśrednieniu sygnału z 30 ramek obrazu zapewniona będzie 16-bitowa wydajność przetwarzania, gdyż szum zostanie ograniczony do wartości mniejszej niż 1 LSB RMS. Dalsza poprawa parametrów szumowych może wymagać uśredniania sygnału nawet z 400 ramek obrazu. Niektóre przetworniki CCD mają wyjście o szybkości 100 ramek na sekundę, przez co uśrednienie 400 ramek obrazu w takim przypadku będzie wymagać 4 sekund akwizycji obrazu.

To dość długi okres, dlatego często wykorzystuje się przetwornik próbkujący z większą prędkością po to, aby pojedynczy piksel obrazu był nadpróbkowany i uśredniony w krótszym czasie, zapewniając jednocześnie obraz wysokiej rozdzielczości. Dlatego Linear Technology proponuje do tego celu wykorzystanie rodziny 16-bitowych przetworników A/C zapewniających szybkość próbkowania do 160 Msps.

W tym przypadku liczba cykli próbkowania pojedynczego piksela może zostać zwielokrotniona 6-krotnie w porównaniu do standardowego rozwiązania bazującego na szybkości próbkowania 25 Msps. Co więcej, przy nadpróbkowaniu efekty związane z ditheringiem oraz randomizacją sygnału wyjściowego stają się jeszcze bardziej efektywne.

Dithering i randomizacja

Rys. 3. Zasada działania wewnętrznego randomizera

Dithering w przetworniku analogowo-cyfrowym to proces poprawiający liniowość przetwarzania sygnału wejściowego. Dla małych wartości na wejściu podczas przetwarzania wykorzystywany jest tylko początkowy fragment charakterystyki przetwarzania przetwornika. Nawet drobne nieliniowości w tym obszarze mogą skutkować pojawieniem się widocznego efektu posteryzacji lub mory w obrazie. Dodanie ditheringu poprawia odcienie i jakość odwzorowania kolorów.

Uzyskuje się to przez dodanie do sygnału niskopoziomowego analogowego pseudoszumu, co skutkuje zmniejszeniem liczby błędów kwantyzacji i poprawą liniowości charakterystyki przejściowej dla małych sygnałów wejściowych. Osiąga się to wbudowując do wnętrza układu cyfrowy generator pseudolosowy, który steruje przetwornikiem C/A, a następnie analogowy sygnał pseudolosowy z tego przetwornika łączy się z wejściowym w przetworniku A/C wprowadzając do niego kontrolowaną pseudolosowość.

Taka operacja powoduje, że przetwornik A/C działa w szerszym zakresie swojego zakresu przetwarzania. Po konwersji dodana liczba pseudolosowa jest odejmowana z kodu wynikowego, aby usunąć wprowadzone zaburzenie. Proces ten realizowany jest wewnątrz układu scalonego w sposób niewidoczny z zewnątrz, a jego skutkiem jest znaczna poprawa liniowości dla sygnałów o niskiej amplitudzie i poszerzenie zakresu dynamicznego przy minimalnym pogorszeniu podłogi szumowej.

Innym sposobem na poszerzenie zakresu dynamiki przetwarzania przetwornika jest eliminacja przesłuchów od cyfrowego sygnału z wyjścia przetwornika, które przenoszą się na wejście. Źródłem przenikania są pasożytnicze pojemności i indukcyjności wewnątrz układu scalonego oraz mozaika połączeń na płytce drukowanej nigdy niezapewniająca idealnego rozpływu prądu w obwodach masy. Oczywiście dobre rozplanowanie ścieżek jest w stanie znacząco zredukować ten niekorzystny efekt, niemniej jednak nigdy całkowicie.

Jedno z rozwiązań opiera się na tym, aby ograniczyć wartość zmiany napięcia wyjściowego w sygnale cyfrowym przetwornika, co zmniejsza stopień przenikania na wejście. Drivery wyjściowe układu LTC 2203 wykonane w procesie CMOS mogą pracować przy napięciu zasilającym zaczynającym się już od 0,5V bez jakiegokolwiek pogorszenia parametrów związanych z szybkością transmisji. Jeśli to nie okaże się wystarczające, LTC 2203 zawiera opcjonalny cyfrowy randomizer, który koduje dane wyjściowe, wykorzystując najmniej znaczący bit LSB z 16-bitowego słowa wyjściowego.

Każdy bit słowa wyjściowego poddawany jest operacji XOR z linią LSB przed dalszą transmisją (rys. 3). W kolejnym bloku dokonywana jest analogiczna operacja odwrotna co przywraca sygnał oryginalny. W efekcie wykorzystania niskiego napięcia zasilającego dla driverów oraz randomizacji jest to w stanie ograniczyć niekorzystny efekt przenikania sygnału na wejście od 3 do 4 razy, prowadząc do zaniku mory oraz posteryzacji. LTC2203 oba układy, a więc ditheringu i randomizacji, ma wbudowane do wewnątrz scalonej struktury i nie wymaga dołączania żadnych elementów zewnętrznych.

Daje to możliwość zapewnienia wysokiej jakości przetwarzania obrazu z przetwornika CCD bez dodatkowych zabiegów układowych. Elastyczność 16- bitowych przetworników firmy Linear Technology daje konstruktorom medycznych systemów zobrazowania wolność i swobodę wykorzystania technik oversamplingu po to, aby ograniczyć szumy i poprawić jakość odwzorowania obrazu. LTC 2203 zapewnia 81,6dB SNR przy 25 Msps.

Pozwala to przy obróbce jednej ramki wyróżnić 5,8 mld kolorów w obrazie, a w przypadku pracy z uśrednianiem informacji z wielu ramek liczba ta może zostać jeszcze bardziej zwiększona. Oczywiście osiągniecie tak dobrych parametrów wymaga zapewnienia współpracy z przetwornikiem CCD o doskonałych właściwościach po to, aby oba elementy nie wpływały negatywnie na proces tworzenia obrazu cyfrowego.

Artykuł został udostępniony przez Farnell we współpracy z Linear Technology.

Farnell
www.farnell.com/pl