一种超声回波信号的数字正交检波方法及FPGA实现

第21卷　第3期 2006年9月 西　南　科　技　大　学　学　报 Journal of South west University of Science and Technol ogy Vol .21No .3 Sep t .2006

　收稿日期:2006-01-06

　作者简介:曹　文(1974-),男,硕士,讲师,主要从事嵌入式系统与测控技术的研究与开发。E -mail:venvenc@ 。

一种超声回波信号的数字正交检波

方法及FPG A 实现

曹　文　刘春梅　胡　莉

(西南科技大学信息工程学院　四川绵阳　621010)

摘要:数字正交检波技术能够较好地提取信号的幅度和相位参数,保留信号包络中的所有信息。提出了将现场可编程门阵列(FPG A )运用在超声系统的波束形成器中实现超声回波信号的数字正交检波方法,并给出了主要模块在FPG A 内的具体实现和系统仿真结果。仿真和实际运用证明,该检波方法能够明显提高超声图像的空间分辨率和对比度。

关键词:数字正交检波　现场可编程门阵列(FPG A )　低通滤波器(LPF )

中图分类号:TP368.1 文献标识码:A 文章编号:1671-8755(2006)03-0056-05

D esi gn of D i g it a l I/Q D em odul a ti on System i n

Echoed Ultra son i c W aves Ba sed on FPGA

CAO W en,L I U Chun 2mei,HU L i

(School of Infor m a tion Eng ineering,S outhw est U niversity of Science and Technology,

M ianyang 621010,S ichuan,China )

Abstract:D igital I/Q de modulati on p icks up the a mp litude and phase of signal and re mains all the infor 2mati on intact under the signal envel ope .For this reas on,Field Pr ogra mmable Gate A rray (FPG A )is ap 2p lied in the wave bea m f or mer of the ultras onic syste m t o i m p le ment digital I/Q de modulati on of echoed ultras onic waves .Detailed i m p le mentati on and si m ulati on results were given of the main modules of FP 2G A.And the results show that this demodulating method i m p r oves the s patial res oluti on and contrast of the ultr os onic i m age .

Key words:D igital I/Q de modulati on;FPG A (Field Pr ogra mmable Gate A rray );LPF (Low Pass Fil 2ter ).

B 型超声成像系统通常需将探头回波信号的幅度提取出来,以便映射成相应的灰度供成像显示用。因此如何有效获得回波的幅度信息显得至关重要。如果采用回波信号(实信号)的包络检波输出,则会造成回波包络信号的相位信息及回波信号中的频谱信息丢失;而正交检波技术可以实现信号幅度和相位信息的提

取,同时还保留了信号复包络中的所有信息,从而能够获得更为丰富的图像信息[1]。

随着高速器件制造技术的提高和数字信号处理技术的发展,使得直接对低、中频信号进行采样处理(即数字正交包络检波技术)逐步代替传统的模拟正交解调成为可能,而且这项技术已经在雷达、声纳、移动通信等领域中得到了广泛应用。但是,将数字正交包络检波技术应用于超声成像在国内还比较少见,这里介绍了一种超声回波信号的数字解调方法,该方法已经通过FPG A 得以实现。

1　模拟正交检波及其缺陷

模拟正交检波原理如图1所示

。

在中频(I F )段利用模拟正交检波方法获得信号的同相分量(I n -phase Components )和正交分量(Quad 2rature Components ),两路信号经低通滤波后再进行A /D 变换即可获得信号的数字表示。这种方法由于两路乘法器和低通滤波器本身的一致性不好,很难保证正交两路具有精确的幅度一致性和相位正交性,从而引入了不希望有的镜频分量,致使I 、Q 通道间幅度不平衡,最大可达0.5dB ,相位正交误差达2～3度,而且零漂很大,稳定性也不太理想。

2　数字正交检波

参考文献[2-3],笔者设计了一种超声回波信号的数字解调方法。

超声探头是由多个短栅状压电晶片排列成直线组成线阵(阵元),由电子开关按照阵元的一定排列顺序(称为子阵)发射、接收声波供显示,在我们的设计中采用的是128阵元的超声探头。假设第k 个超声阵元接收到的回波信号为:

f k (t )=A (t )cos {ωo t +φ(t )}

(1) 其中A (t )、ωo 和φ(t )分别为回波信号幅度、载频频率和相位,均由A /D 采样后得到:

f k (nT s )=A (nT s )cos [ωo nT s +φ(nT s )]=A I (nT s )co s (ωo nT s )-A Q (nT s )sin (ωo nT s )

(2) 其中,A I (nT s )=A (nT s )cos

φ(nT s ),A Q (nT s )=A (nT s )sin φ(nT s ),T s =1/f s 是采样间隔,f s 为采样频率,A I (nT s )表示同相分量,A Q (nT s )表示正交分量,对f k (nT s )进行正交数字包络检波,如图2所示

。

图2中co s ωr nT s 和sin ωr nT s 分别是I 、Q 通道的本振信号,取ωr =ωo 。在工程应用中,采样频率必须满足

奈氏采样定理。如果取采样频率为载波频率的4倍时,可以发现I 、Q 通道本振信号的取值仅为1、0、-1三种,

75　第3期 曹　文,等:一种超声回波信号的数字正交检波方法及FPG A 实现