по
Меню журнала
> Архив номеров > Рубрики > О журнале > Авторы > О журнале > Требования к статьям > Редакция и редакционный совет > Порядок рецензирования статей > Рецензирование за 24 часа – как это возможно? > Политика издания > Ретракция статей > Этические принципы > Политика открытого доступа > Оплата за публикации в открытом доступе > Публикация за 72 часа: что это? > Политика авторских прав и лицензий > Политика цифрового хранения публикации > Политика идентификации статей > Политика проверки на плагиат
Журналы индексируются
Реквизиты журнала

Публикация за 72 часа - теперь это реальность!
При необходимости издательство предоставляет авторам услугу сверхсрочной полноценной публикации. Уже через 72 часа статья появляется в числе опубликованных на сайте издательства с DOI и номерами страниц.
По первому требованию предоставляем все подтверждающие публикацию документы!
ГЛАВНАЯ > Вернуться к содержанию
Кибернетика и программирование
Правильная ссылка на статью:

Анализ шума приемного тракта ЯМР-релаксометра
Раннев Евгений Валерьевич

ассистент, кафедра Информационно-вычислительных систем, Поволжский государственный технологический университет

424000, Россия, республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3

Rannev Evgenii Valer'evich

Assistant, Department of Information and Computing Systems, Volga State University of Technology

424000, Rossiya, respublika Mariy El, g. Yoshkar-Ola, pl. Lenina, 3

evgeny.rannev@gmail.com
Мясников Владимир Иванович

кандидат технических наук

доцент, кафедра Информационно-вычислительных систем, Поволжский государственный технологический университет

424000, Россия, республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3

Myasnikov Vladimir Ivanovich

PhD in Technical Science

Associate Professor, Department of Information and Computing Systems, Volga State University of Technology

424000, Rossiya, respublika Mariy El, g. Yoshkar-Ola, pl. Lenina, 3

v.mjasnikov@mail.ru

Аннотация.

Традиционно, в импульсной ЯМР-спектроскопии сигналы регистрируются путем вычитания из них опорной частоты, близкой к ларморовой частоте ядра, оцифровки и дальнейшей числовой обработки. В современной ЯМР-аппаратуре тракт приемника состоит из преселектора, квадратурного детектора, нормирующего усилителя, фильтра низких частот и аналого-цифрового преобразователя. Недостатком такого приемника является длина аналогового тракта, поскольку при прохождении сигнала через каждый модуль, на него накладываются дополнительные шумы. Тепловой шум возникает при флуктуациях электронов в проводниках, имеющих определенную температуру. Такие флуктуации имеют спектральные составляющие, находящиеся в той же полосе частот, что и полезные сигналы, тем самым затрудняя их обработку. Спектр такого шума однороден на всех частотах. В данной статье проводится анализ природы шума приемного тракта релаксометра ядерного магнитного резонанса и оцениваются его характеристики, предлагается замена аналоговой части приемного тракта на цифровой квадратурный детектор и теоретически рассчитывается выгода от исключения нескольких источников шума.

Ключевые слова: ядерный магнитный резонанс, релаксометр, квадратурный детектор, сигнал, шум, цифровой приемник, детектор огибающей, коэффициент шума, помехи, приемный тракт

УДК:

621.396.621.57

DOI:

10.7256/2306-4196.2014.6.13302

Дата направления в редакцию:

14-10-2014


Дата рецензирования:

15-10-2014


Дата публикации:

16-11-2014


Abstract.

Traditionally, in pulsed NMR spectroscopy signals are registered by subtracting from it the reference frequency which is near to the Larmor frequency of the nucleus, followed by digitization and further processing. In modern NMR apparatus the receiving channel consists of preselector, quadrature detector, normalizing amplifier, low pass filter and analog-to-digital converter. The disadvantage of such a receiver is the length of the analog section, since each module adds additional noises. Thermal noise occurs on fluctuations of electrons in conductors having a particular temperature. Such fluctuations have spectral components that are in the same frequency band with useful signals.  This article analyzes the nature of the noise of the receiving channel of nuclear magnetic resonance relaxometer and evaluates its characteristics. Authors suggest replacement of the analog part of receiving channel with the digital quadrature detector and theoretically calculate the benefit from the exclusion of several noise sources.

Keywords:

nuclear magnetic resonance, relaxometer, quadrature detector, signal, noise, digital receiver, envelope detector, noise factor, interference, receiving channel

Введение

Традиционно, в импульсной ЯМР-спектроскопии сигналы регистрируются путем вычитания из них опорной частоты, близкой к ларморовой частоте ядра, оцифровки и дальнейшей числовой обработки.

В современной ЯМР-аппаратуре тракт приемника состоит из преселектора, квадратурного детектора, нормирующего усилителя, фильтра низких частот и аналого-цифрового преобразователя (рис.1).

Недостатком такого приемника является длина аналогового тракта, поскольку при прохождении сигнала через каждый модуль, на него накладываются дополнительные шумы [1-6].

Анализ шума приемного тракта

Как известно, на входе любой системы всегда присутствует связанный с сигналом шум. Основным источником помех в электронных системах является тепловой шум, энергия которого возрастает с увеличением температуры. Тепловой шум возникает при флуктуациях электронов в проводниках, имеющих определенную температуру. Такие флуктуации имеют спектральные составляющие, находящиеся в той же полосе частот, что и полезные сигналы, тем самым затрудняя их обработку.

6

Рис. 1. Структурная схема приемника промышленного ЯМР-анализатора

Спектр такого шума однороден на всех частотах. Также существуют и другие явления, генерирующие случайный шум, например, дробовый шум, шум генерации и рекомбинации. Несмотря на их многообразие, они имеют одно свойство, общее с тепловым шумом – однородный спектр, равномерно распределенный в широкой полосе частот (до 5000 ГГц). Поэтому, будем рассматривать сумму шумовых составляющих как тепловой шум.

Сигнал и шум вместе проходят через систему и поэтому синхронно ослабляются или усиливаются каждым из каскадов. В большинстве случаев по значению абсолютного уровня мощности шума сложно оценить качество системы. Для этой цели удобнее пользоваться отношением мощностей сигнала и шума. Отношение сигнал/шум (S/N – signal to noise ratio) на выходе системы является параметром первостепенной важности для оценки качества системы.

Отличие между соотношением сигнал/шум на выходе и на входе заключается в том, что каждый каскад системы вносит свои собственные шумы, поэтому отношение сигнал/шум постепенно ухудшается при прохождении сигнала от входа до выхода системы. Вклад в шум, вносимый системой, количественно характеризуется коэффициентом шума (1):

7 (1)

где (S/N)вх – отношение сигнал/шум на входе системы; (S/N)вых – отношение сигнал/шум на выходе системы.

Чем меньше численное значение коэффициента шума, тем меньший вклад вносит система в снижение отношения сигнал/шум. Коэффициент шума всегда F ≥ 1. Идеальному нешумящему тракту соответствует F = 1 (0 дБ). Коэффициент шума может быть выражен как в безразмерных величинах, так и в децибелах, в зависимости от того, в чем выражены отношения сигнал/шум.

Эффективной шумовой температурой называется температура внутреннего сопротивления эквивалентного источника шума, которая приводит к появлению на нем такой же мощности шума, как и создаваемой промежуточным звеном системы [7].

Коэффициент шума и эффективная шумовая температура Te связаны следующим выражением [7] (2):

`T_(e) = T_(0)(F + 1)` (2)

где T0 – нормальная температура, выраженная в градусах Кельвина.

Преобразовав выражение (2), получим формулу для определения коэффициента шума через известную эффективную шумовую температуру (3):

`F = T_(e)/T_(0) + 1` (3)

Для оценки качества дальнейших преобразований, рассчитаем максимальный коэффициент шума, вносимого в общий шум приемного тракта ЯМР блоком, состоящим из нормирующего усилителя, квадратурного детектора и ФНЧ (рис. 1). Коэффициент усиления всего каскада принимаем равным 1, поскольку функциональные изменения для шума и полезного сигнала одинаковы. Нормальная температура является постоянной величиной и принимается равной 290°К. Максимальная эффективная шумовая температура приемника была определена исходя из максимальной температуры эксплуатации: Te = 330°К. Подставив данные значения в формулу (3), получаем (4):

`F_(max) = 330/290 + 1 = 2,1379` (4)

71

По результатам фактических измерений соотношений сигнала к шуму различных образцов двухфазных систем было определено среднее значение соотношения сигнал/шум классического приемника равное ~200 ед., цифрового приемника – ~300 ед (5).

72 (5)

Рассчитаем коэффициент шума цифрового приемника, исходя из полученных данных (6):

73 (6)

Поскольку, считаем, что сигнал/шум на входе приемника в обоих случаях одинаков, то (7):

74 (7)

Следовательно (8):

75 (8)

Подставив экспериментально полученные значения в формулу, получим (9):

76 (9)

Библиография
1.
Дероум Э. Современные методы ЯМР для химических исследований. Пер. с англ. / Э. Дероум – М.: Мир. – 1992. – 403 с.
2.
Рудой Э.Н. Выделение огибающей звуковых сигналов / Э.Н. Рудой // Ма-териалы Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение-DSPA». – 2003. – 250 с.
3.
Раннев Е.В. Анализ методов обработки данных ЯМР-анализаторов низко-го разрешения / Е.В. Раннев // Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе: сборник материалов конференции: в 2 ч. – Ч.2. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2008. – c.210-213.
4.
Раннев Е.В. Модель системы полного анализа сигналов ЯМР низкого раз-решения / Е.В. Раннев // Сборник статей XI Международной научно-технической конференции МНИЦ ПГСХА «Информационно-вычислительные технологии и их приложения». – Пенза: РИО ПГСХА, 2009. – С.226-228.
5.
Мясников В.И. Синтез акустической модели затрубного пространства нефтедобывающей скважины [Текст] / В. И. Мясников, А. В. Смирнов // Вестник Марийского государственного технического университета. Сер.: Радиотех-нические и инфокоммуникационные системы.-2007.-№ 1(1).-С. 86-89.
6.
Раннев Е.В., Мясников В.И. Система регистрации сигналов ядерного маг-нитного резонанса низкого разрешения / Е.В. Раннев, В.И. Мясников: полезная модель Рос. Федерация №100292: заявл. 12.07.2010; опубл. 10.12.2010.
7.
Read R. The essence of communications theory. – Prentice Hall Europe, – 1998., pp. 57-59.
References (transliterated)
1.
Deroum E. Sovremennye metody YaMR dlya khimicheskikh issledovanii. Per. s angl. / E. Deroum – M.: Mir. – 1992. – 403 s.
2.
Rudoi E.N. Vydelenie ogibayushchei zvukovykh signalov / E.N. Rudoi // Ma-terialy Mezhdunarodnoi konferentsii «Tsifrovaya obrabotka signalov i ee primenenie-DSPA». – 2003. – 250 s.
3.
Rannev E.V. Analiz metodov obrabotki dannykh YaMR-analizatorov nizko-go razresheniya / E.V. Rannev // Informatsionnye tekhnologii v professional'noi deyatel'nosti i nauchnoi rabote: sbornik materialov konferentsii: v 2 ch. – Ch.2. – Ioshkar-Ola: MarGTU, 2008. – c.210-213.
4.
Rannev E.V. Model' sistemy polnogo analiza signalov YaMR nizkogo raz-resheniya / E.V. Rannev // Sbornik statei XI Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii MNITs PGSKhA «Informatsionno-vychislitel'nye tekhnologii i ikh prilozheniya». – Penza: RIO PGSKhA, 2009. – S.226-228.
5.
Myasnikov V.I. Sintez akusticheskoi modeli zatrubnogo prostranstva neftedobyvayushchei skvazhiny [Tekst] / V. I. Myasnikov, A. V. Smirnov // Vestnik Mariiskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Ser.: Radiotekh-nicheskie i infokommunikatsionnye sistemy.-2007.-№ 1(1).-S. 86-89.
6.
Rannev E.V., Myasnikov V.I. Sistema registratsii signalov yadernogo mag-nitnogo rezonansa nizkogo razresheniya / E.V. Rannev, V.I. Myasnikov: poleznaya model' Ros. Federatsiya №100292: zayavl. 12.07.2010; opubl. 10.12.2010.
7.
Read R. The essence of communications theory. – Prentice Hall Europe, – 1998., pp. 57-59.
Ссылка на эту статью

Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также попробовать найти похожие статьи


Другие сайты издательства:
Официальный сайт издательства NotaBene / Aurora Group s.r.o.
Сайт исторического журнала "History Illustrated"