一种超声回波信号的数字正交检波方法及FPGA实现
正交相干检波方法及FPGA的实现
正交相干检波方法及FPGA的实现引言现代雷达普遍采用相参信号来进行处理，而如何获得高精度基带数字正交(I，Q)信号是整个系统信号处理成败的关键。
传统的做法是采用模拟相位检波器来得到I、Q信号，其正交性能一般为：幅度平衡在2％左右，相位正交误差在2°左右，即幅相误差引入的镜像功率在-34 dB左右。
这样的技术性能限制了信号处理器性能的提高。
为此，近年来提出了对低中频直接采样恢复I、Q信号的数字相位检波器。
随着高位、高速A／D的普遍应用，数字相位检波方法的实现已成为可能。
本文介绍了一种正交相干检波方法，并给出了其FPGA的实现方案。
1 基本原理1．1 中频信号分解的基本原理一个带通信号通常可表示为：其中，xI(t)、xQ(t)分别是s(t)的同相分量和正交分量。
ω0为载频，a (t)、φ(t)分别为包络和相位。
它们之间具有如下关系：所构成的复包络信号为，该信号包含了式(1)中的所有信息。
要对中频信号进行直接采样，首先要保证采样后的频谱不发生混叠。
根据基本的采样理论，即Nvquist采样定理要求以不低于信号最高频率两倍的采样速率对信号直接采样，才能保证所得到的离散采样值能够准确地确定信号。
然而，如果信号的频率分布在某一有限频带上，而且信号的最高频率fH远大于信号的带宽，那么，此时若仍按Nyquist采样率来采样，则其采样频率就会很高，以致难以实现，或是后续处理的速度不能满足要求。
因此，此时就要用到带通采样理论。
所谓带通采样定理，即设一个频率带限信号选x(t)，其频带限制在(fL，fH)内，此时，如果其采样速率满足：式中，n取能满足fs≥2(fH-fL)的最大正整数(O，1，2，)，则用fs进行等间隔采样所得到的信号采样值就能准确地确定原始信号。
式(4)中的fs用带通中心频率f0和频带宽度B可表示为：其中，，n为整数，且要求满足fs≥2B，B为信号带宽。
基于FPGA的超声信号数字正交解调器
3. 3 低通滤波器 低通滤波器作为解调器的核心 ,负责滤除混频后的倍频分 量 ,并保留基带信号。它的性能直接关系到正交解调的效果。 图 2 为超声回波信号的频谱变换图。系统选用中心频率 为 5 MHz ,带宽为 1 MHz 的换能器 ,激发的超声信号频谱如图 2 中图 a 所示。数字混频后 ,信号分解为一个中心频率 10 MHz 的倍频信号和一个中心频率 0 Hz 的基带信号。其信号 包络均为高斯形状 ,带宽 1 MHz ,如图 b 所示。因此设定滤波 器的通带截止频率为 3 MHz ,阻带截止频率为 7 MHz ,以滤除 10 MHz 的倍频分量和保留最高频率为 1 MHz 的基带信号。 图 c 中的虚线为理想低通滤波器的幅频响应。
1 引 言
医学超声内窥镜是内窥镜技术与超声传感技术、微机电技 术、现代计算机技术等高新技术不断发展、融合的产物 ,是当前 应用前景非常广阔的一种医疗仪器[1] 。超声内窥镜将微型超 声探头[2 ,3] 通过内窥镜的活检钳道插入消化道器官后 ,由微型 电机前置驱动超声换能器旋转 ,进行超声扫描 ,获得消化器官 管壁各个断层的组织学特征 ,这样能够较早的发现组织病变 , 提高内窥镜的诊断能力 ,其诊疗优势已为医学界所共识。 传统的超声成像系统 ,采用模拟电路实现超声信号的解 调 ,其电路复杂 ,图像信噪比相对较低。近年来 ,随着高速 A/ D 采样芯片的发展 ,数字超声成像技术已成为研究热点。但由于 国外对知识产权的保护 ,国内的数字超声成像技术发展缓慢。 本文利用现场可编程门阵列(FPGA) 设计了一种数字正交 解调器来提取超声回波信号的幅度 ,它采用内建 RAM 实现数 控振荡器 ,利用内嵌乘法器实现数字混频 ,借助滤波器 IP 核实 现低通滤波器 ,以及利用宏模块实现数学运算。电路集成度
基于FPGA的超声波信号处理研究
基于FPGA的超声波信号处理研究余云飞【摘要】From research on the structure of ultrasonic flaw detection system, the structural characteristics and basic principles of FIR filter was under analysis. In order to lessen the impact on detection accuracy from noise in the ultrasonic detecting process, FPGA was utilized to achieve the digital signal processing, and the distributed algorithm (DA) was to achieve the FIR filter. With the increase of the number of variables, the parallel algorithm came into use, and the resources that the FPGA hardware costs decreased. The results of simulation show that the noise was lowered remarkably, and the processing efficiency of the signal was improved.%从超声探伤系统结构入手,有限脉冲响应( FIR)数字滤波器的结构特点和基本原理得以分析.为了降低超声波检测过程中噪声对检测精度的影响,提出了利用FPGA来实现数字信号的处理,运用分布式算法(DA)来实现FIR滤波器.随着变量的位数增加,运用了并行式的分布算法,减少了FPGA硬件资源的耗费.仿真结果表明,消噪效果良好,信号的处理效率得到了提高.【期刊名称】《芜湖职业技术学院学报》【年(卷),期】2015(017)004【总页数】6页(P58-62,67)【关键词】FPGA;分布式算法;信号处理;FIR滤波器【作者】余云飞【作者单位】芜湖职业技术学院电气工程学院,安徽芜湖,241006【正文语种】中文【中图分类】TH878+2超声在工业上的应用主要是超声探伤和超声测距，而作为检测超声波的探伤仪，其中的数据处理是关键。
超声诊断仪动态滤波器中FPGA技术的研究-设计应用
超声诊断仪动态滤波器中FPGA技术的研究-设计应用随着微电子技术的发展，采用现场可编程门阵列FPGA进行数字信号处理得到了飞速发展，FPGA正在越来越多地代替ASIC和DSP 用作复杂数字信号处理的运算。
现场可编程门阵列FPGA（FieldProgrammableGateArray）是美国Xilinx公司于1984年首先开发的一种通用型用户可编程器件。
FPGA由可编程逻辑单元阵列、布线资源和可编程的I/O单元阵列构成，一个FPGA包含丰富的逻辑门、寄存器和I/O资源。
一片FPGA 芯片就可以实现数百片甚至更多个标准数字集成电路所实现的系统。
FPGA的结构灵活，其逻辑单元、可编程内部连线和I/O单元都可以由用户编程，可以实现任何逻辑功能，满足各种设计需求。
其速度快，功耗低，通用性强，特别适用于复杂系统的设计。
使用FPGA还可以实现动态配置、在线系统重构（可以在系统运行的不同时刻，按需要改变电路的功能，使系统具备多种空间相关或时间相关的任务）及硬件软化、软件硬化等功能。
医用超声诊断仪是将声纳原理和雷达技术相结合生产的为临床应用的医疗仪器。
其基本原理是高频超声脉冲波辐射到生物作内，由生物体内不同界面反射出不同波形并形成图像。
从而判断生物体内是否有病变。
超声诊断仪由起初的一维超声扫描显示，发展为二维甚置三维、四维的超声扫描和显示，大大增加了回波信息量，使生物体内的病灶清晰，易辨，因此，它将被越来越广泛地应用医用超声诊断仪。
为了让超声图像能够更加清晰，现代超声诊断仪对超声信号进行动态滤波。
动态滤波包含模拟动态滤波和数字动态滤波。
模拟动态滤波器要改变器件的参数，从而达到改变通频带中心频率的效果，方法简易，效果很好。
同时，控制信号是来自FPGA输送出的数字信号，经D/A转换所得，采用FPGA实现控制信号，实现了很高的精度，达到了预想的效果。
选用CycloneⅢEP3C16Q240C8在FPGA内实现数字电路，工作频率高，同时各个模块并行工作，能够很好的解决系统时序上的问题。
正交相干检波方法及FPGA的实现
正交相干检波方法及FPGA的实现引言现代雷达普遍采用相参信号来进行处理，而如何获得高精度基带数字正交(I，Q)信号是整个系统信号处理成败的关键。
传统的做法是采用模拟相位检波器来得到I、Q信号，其正交性能一般为：幅度平衡在2％左右，相位正交误差在2°左右，即幅相误差引入的镜像功率在-34 dB左右。
这样的技术性能限制了信号处理器性能的提高。
为此，近年来提出了对低中频直接采样恢复I、Q信号的数字相位检波器。
随着高位、高速A／D的普遍应用，数字相位检波方法的实现已成为可能。
本文介绍了一种正交相干检波方法，并给出了其FPGA的实现方案。
1 基本原理1．1 中频信号分解的基本原理一个带通信号通常可表示为：其中，xI(t)、xQ(t)分别是s(t)的同相分量和正交分量。
ω0为载频，a (t)、φ(t)分别为包络和相位。
它们之间具有如下关系：所构成的复包络信号为，该信号包含了式(1)中的所有信息。
要对中频信号进行直接采样，首先要保证采样后的频谱不发生混叠。
根据基本的采样理论，即Nvquist采样定理要求以不低于信号最高频率两倍的采样速率对信号直接采样，才能保证所得到的离散采样值能够准确地确定信号。
然而，如果信号的频率分布在某一有限频带上，而且信号的最高频率fH远大于信号的带宽，那么，此时若仍按Nyquist采样率来采样，则其采样频率就会很高，以致难以实现，或是后续处理的速度不能满足要求。
因此，此时就要用到带通采样理论。
所谓带通采样定理，即设一个频率带限信号选x(t)，其频带限制在(fL，fH)内，此时，如果其采样速率满足：式中，n取能满足fs≥2(fH-fL)的最大正整数(O，1，2，)，则用fs进行等间隔采样所得到的信号采样值就能准确地确定原始信号。
式(4)中的fs用带通中心频率f0和频带宽度B可表示为：其中，，n为整数，且要求满足。
一种超声回波信号的数字正交检波方法及FPGA实现
Ｍｉ ｙ ｎ ２ ０ ０ Ｓｃ ｕ ｎ ｈｎ ） ａ ａ ｇ６ １ １ ， ｉ ａ ，Ｃ ｉａ ｎ ｈ Ａ ｓ ａｔ Ｄ ｇ ａ Ｉ Ｑ ｄｍｏｕａｉ ｉ ｓ ｐｔｅ ｍ ｌｕ ｅａ ｄｐ ａｅｏ ｇａ ａ ｄｒｍａ ｓ ｌｔｅｉｆ － ｂ ｔ ｃ ： ｉｉ ｌ／ ｅ ｄ ｌｔ ｎｐｃ ｐｉ ｄ ｎ ｈ ｓ ｆ ｉ ｌ ｎ ｅ ｉ ｌｈ ｏ ｒ ｔ ｏ ｋｕ ｈ ａ ｔ ｓｎ ｎ ａ ｎ ｒ ｍ ｔ ｎｉｔ ｔ ｎ ｅ ｅｓ ｎｌ ｎ ｅ ｐ Ｆ ｒｔ ｓ ｅｓｎ Ｆｅ ｒｇａ ｍ ｂｅＧ ｔ Ａ ｒｙ（ Ｐ Ａ）ｉ ａ — ａｉ ｎａ ｄｒｔ ｉ ａ ｅ ｖｌ ｅ ｏ ｈ ａｏ ， ｉ ｄＰｏｒｍ ａ ｌ ａ ｔ ｏ ｃｕ ｈ ｇ ｏ ｉｒ ｌ ｅ ａ ＦＧ ｓ ｐ
ＦＣ Ｐ 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 问分辨率 和
对 比度 。 关键词 ： 数字正交检波
中 图分 类 号 ：Ｐ ６ ． Ｔ３８ １
现场可编程 门阵列（ Ｐ Ａ） 低通滤波器 （ Ｐ ） ＦＧ Ｌ Ｆ
文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ １— ７ ５ ２０ ） ３— ０ ６—０ １７ ８ ５ （ ０ ６ ０ ０ ５ ５
Ｄｅｉｎｏ ｇｔｌｔＱ ｍｏ ｕａｉｎ Ｓ ｓｅ ｉ ｓ ｆ ｉ ／ Ｄｅ ｄ ｌｔ ｙｔｍ ｎ ｇ Ｄｉ ａ Ｉ ｏ
Ｅｃ ｏ ｄ Ｕｌ ａ ｏ ｉ ａ ｅ ｓ ｄ ｏ ＰＧＡ ｈ ｅ ｔ ｓ ｎ ｃ Ｗ ｖ ｓ Ｂａ ｅ ｎ Ｆ ｒ
基于fpga控制的超声信号采集处理系统和方法与流程
基于fpga控制的超声信号采集处理系统和方法与流程
基于FPGA控制的超声信号采集处理系统和方法，其流程包括：
1.采集来自超声传感器的超声信号，并将其放大、转换和高速缓存。
2.采用数字波束合成器对多通道超声回波信号进行波束合成，并对
不同通道信号进行延时，使同一点的信号同相相加，同时对多个通道的回波信号进行空间域上的加窗，类似匹配滤波，以提高信号的信噪比。
3.对合成后的超声视频信号做一个帧相关的预处理，即图像帧与帧
之间对应象素灰度上的平滑处理。
4.采用FPGA实现读写控制时，为了避免同时对一个帧存进行读写
操作，需要设置读写互斥锁进行存储器状态切换。
以上是基于FPGA控制的超声信号采集处理系统和方法的主要步骤。
数字式正交包络检波算法实现
数字式正交包络检波算法实现郭瑞鹏;宫政;王海涛;徐君;仲光明【摘要】针对超声相控阵检测系统中的数据采集与处理模块,设计了数字式正交包络检波算法.通过取包络,在保留超声脉冲回波信号幅值信息的基础上,将射频信号转换为基带信号,降低了采样率,节约了存储空间.同时,将正交包络检波从模拟域转换至数字域,提高了包络检波的效率及精度,改善了整个检测系统的性能.%A digital orthogonal envelope detection algorithm for data acquisition and processing module of the ultrasonic phased array testing system is designed.By taking envelope,the amplitude information of ultrasonic pulse echo signal is kept.and the RF signal is converted to basebandsignal.Accordingly,the sampling rate and the system storage space can be reduced.At the same time.by converting the orthogonal envelope detection from analog domain to digital domain,the efficiency and precision of the envelope detection are improved,and the performance of the whole detection system is enhanced.【期刊名称】《无损检测》【年(卷),期】2016(038)012【总页数】4页(P6-8,14)【关键词】超声相控阵;正交包络检波;数字式【作者】郭瑞鹏;宫政;王海涛;徐君;仲光明【作者单位】南京航空航天大学自动化学院,南京211106;南京航空航天大学自动化学院,南京211106;南京航空航天大学自动化学院,南京211106;南京航空航天大学自动化学院,南京211106;南京航空航天大学自动化学院,南京211106【正文语种】中文【中图分类】TG115.28超声相控阵检测不同于传统的超声检测，它使用多阵元探头，将原有的单一晶体分割为许多独立的小晶体，每一个晶体的尺寸符合一定的波动条件[1]。
基于FPGA的超声波信号处理设计与实现
Ｄｅ ｉｎ ａ ｄ ｉ ｌｍｅ ｔｔｏ ｆｕｔａ ｏ ｉ ｒ ｃ ｓｉ ｇ ｓ ｈ ｍｅ ｂ ｓ ｄ ｏ Ｐ ｓｇ ｎ ｍｐ ｅ ｎ ａｉｎ ｏ ｌ ｓ ｎ ｃ ｐ ｏ ｅ ｓｎ ｃ ｅ ａ ｅ ｎ Ｆ ＧＡ ｒ
ｍｅ ． ｔ
Ｋ ｙ ｗｏ ｄ ｅ ｒ ｓ： ｕ ｔ ｓ ｎｃ； ａ ｅｅ ｔ ｇ； Ｐ ｌ ａ ｏ ｉ ｆ ｗ ｄ ｔｃ ｉ Ｆ ＧＡ ； ｃ ｏ ｐ ｏ ｅ ｓ ｒ ｌ ｎ ｅ ｈ ｒ ｃ ｓ
超声 波是指 频率 高 于人耳 听觉 上 限的一 种声 波 ， 它 的 频 率 范 围 从 ２ Ｈｚ起 ， 上 限 可 高 达 １ “ 。 由 于 超 ０ｋ 其 ０ Ｈｚ 声 波 具 有 方 向性 集 中 、 减 小 、 透 力 极 强 等 特 点 ， 以 衰 穿 所
２ Ｓａ ｅ ａ ｏ ｔ ｙｏ ｅ ｏｋｎ ｎ ｗｔｈ ｇＴ ｃ ｎｌ ， ｅ ｉ ｎｖｒｔ ｏ ｏｔ ａｄ Ｔ ｌ ｏ ｕ ｉ ｔ ｎ ， ． ｔｅ Ｋ ｙ Ｌｂ ｒ ｏ ｆＮ ｔ ｒｉｇ ａｄ Ｓ ｉ ｉ ｅｈ ｏ ｇ Ｂ ｉｎ Ｕ ｉｅ ｉ ｆＰ ｓ ｎ ｅ ｃｍｍ ｎ ａｉ ｓ ｔ ａｒ ｗ ｃｎ ｏ ｙ ｊｇ ｓｙ ｓ ｅ ｃ ｏ
统 的 模 块 化 设 计 。 据 实 验 测 试 及 统 计 数 据 得 出 ， 于 Ｆ Ｇ 芯 片 的 信 号 处 理 系 统 提 高 了 探 伤 检 测 的 根 基 ＰＡ
准 确 性 与 稳 定 性 ， 足 了探 伤 过 程 中 Ｂ超 显 示 的 实 时 性 要 求 。 满
关键 词 ： 声波 ；探 伤 ；Ｆ Ｇ 超 Ｐ Ａ；回 波处 理
２ ．北 京 邮 电 大 学 网 络 与 交 换 技 术 国 家 重 点 实 验 室 ， 京 １０ ７ ） 北 ０ ８ ６
基于FPGA的数字正交检波的实现
基于FPGA的数字正交检波的实现
靳鹏
【期刊名称】《电子世界》
【年(卷),期】2014(000)006
【摘要】阐述了数字正交检波的基本原理，设计完成了数字正交检波在FPGA中的实现，最后给出了测试结果，验证了设计的正确性。
%The basic principle of digital orthogonal demodulation is ter,it expounds the implementation of digital orthogonal demodulation in FPGA.Final y,the measurement is performed to verify the correctness of the design.
【总页数】2页(P78-78,79)
【作者】靳鹏
【作者单位】中国电子科技集团公司第二十研究所
【正文语种】中文
【相关文献】
1.基于FPGA的数字相敏检波算法实现 [J], 梁世盛;乔凤斌;张燕
2.基于多相滤波的正交采样零中频数字化接收及QPSK高速解调的FPGA实现 [J], 赵国栋;徐建良
3.基于FPGA的数字B超检波器设计与实现 [J], 彭勇;陈菲;高小明
4.一种超声回波信号的数字正交检波方法及FPGA实现 [J], 曹文;刘春梅;胡莉
5.基于FPGA的数字正交混频变换算法的实现 [J], 胡跃;张正鸿
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基于FPGA的数字正交检波的实现
基于FPGA的数字正交检波的实现作者：靳鹏来源：《电子世界》2014年第06期【摘要】阐述了数字正交检波的基本原理，设计完成了数字正交检波在FPGA中的实现，最后给出了测试结果，验证了设计的正确性。
【关键词】正交检波;FPGAImplementation of Digital Orthogonal Demodulation based on FPGAJin PengAbstract：The basic principle of digital orthogonal demodulation is ter，it expounds the implementation of digital orthogonal demodulation in FPGA.Finally，the measurement is performed to verify the correctness of the design.Keywords：Orthogonal Demodulation;FPGA随着软件无线电技术的发展，传统的模拟接收机已经被数字接收机所取代。
相对于模拟接收机中所使用的模拟正交检波，现在的数字接收机中普遍使用数字正交检波，直接对中频信号进行采样，将模拟中频信号转换为数字信号，之后在数字域对信号进行处理，得到两路正交的基带信号[1]。
这种方法相较于传统的模拟正交检波方法，具有非常高的精度和稳定性，并且可以提高系统的灵活性。
目前，数字正交检波主要是通过使用专用可编程芯片、DSP和FPGA 这三种方式来实现。
FPGA具有出色的并行处理能力，适用于相关运算和滤波等各种复杂的数字信号处理运算。
此外，FPGA的可编程性使其具有极大的灵活性，非常便于系统的功能扩充和升级，是目前被普遍采用的一种数字正交检波实现方法。
本文基于Altera公司的StratixⅢ系列中的EP3SE110F1152来实现对一中频窄带信号的数字正交检波及后续处理。
《基于FPGA的超声相控阵实时全聚焦系统的设计》
《基于FPGA的超声相控阵实时全聚焦系统的设计》一、引言随着现代医疗技术的飞速发展，超声相控阵成像技术已成为医学诊断的重要手段。
实时全聚焦系统作为超声相控阵成像技术的核心，其性能的优劣直接影响到诊断的准确性和效率。
传统的超声成像系统通常采用数字信号处理器（DSP）或通用处理器（CPU）进行数据处理，但这些系统在处理大量数据时存在处理速度和实时性方面的不足。
因此，本文提出了一种基于FPGA （现场可编程门阵列）的超声相控阵实时全聚焦系统设计，旨在提高系统的处理速度和实时性。
二、系统设计目标本系统的设计目标主要包括以下几个方面：1. 实现超声相控阵的实时全聚焦成像；2. 提高系统的处理速度和实时性；3. 降低系统功耗，提高系统稳定性；4. 具备可扩展性和灵活性，以适应不同需求。
三、系统设计原理本系统设计基于FPGA的并行处理能力和高速数据处理能力，通过相控阵技术实现超声图像的实时全聚焦。
系统主要包括超声信号采集、数据处理、图像显示三个部分。
其中，FPGA负责实现数据处理部分的逻辑设计。
四、系统架构设计本系统采用模块化设计，主要包括以下几个模块：1. 超声信号采集模块：负责采集超声探头发送的原始数据；2. 数据预处理模块：对原始数据进行去噪、滤波等预处理操作；3. 相控阵控制模块：根据全聚焦算法生成相控阵控制信号；4. 实时成像模块：根据控制信号对预处理后的数据进行实时全聚焦成像；5. 图像显示模块：将成像结果输出到显示器进行显示。
其中，FPGA作为核心处理器，通过硬件加速实现各模块之间的数据传输和处理，提高系统的处理速度和实时性。
五、关键技术及实现方法1. 相控阵算法设计：本系统采用全聚焦算法实现超声图像的实时成像。
通过优化算法，提高成像质量和处理速度。
2. FPGA逻辑设计：根据系统需求，设计FPGA的逻辑电路，实现各模块之间的数据传输和处理。
采用并行处理技术和流水线技术，提高数据处理速度。
3. 数据传输接口设计：设计高速、稳定的数据传输接口，实现超声信号的快速采集和传输。
基于FPGA超声波回波信号处理设计
（1）回波信号描述。
根据超声波回波特性，回波信号为式（2）。
（2）式中，s(t)为经过放大滤波电路处理的回波待测信号，a(t)为回波信号的包络函数，f为回波信号的频率，θ为回波信号的初始相位，n1(t)为经图1 回波检测算法的处理流程图式中，A为模拟电路放大的倍数，n采样数，最大值为N个采样数，b为ADC采样回波信号的初始相位（3）峰值滤波。
汽车所处环境比较复杂，在利用超声波测距技术中，接收的回波信号存在干扰信号，干扰信号中可能有不同于所发射频率的超声波信号。
模拟电路中的滤波并不能滤除这些信号，会降低回波检测精度。
采用峰值滤波器，用于增强所发射的频率信号，衰减其他频率信号。
峰值滤波器是一种特殊的带通滤波器，其通道很窄，常用于保留固定频率（4）根据式（4）得到二阶峰值滤波器结构图4。
本文设计的峰值滤波器参数：①峰值频率48kHz；②采样利用Matlab的Filter Design工具生成峰值滤波器函数，得到峰值滤波器的差分方程为式（5）。
（5）式中，s[n]为ADC采样值，p[n]为峰值滤波器的滤波值。
将ADC采样值输入到差分方程式（5）中，仿真峰值滤波器滤波情况如图5。
（4）互相关。
回波检测采用互相关算法，通过比较发射信号与接收信号的相似程度来捕捉回波信号，识别出回波信号的位置。
将发射信号离散化为式式中，a为发射信号幅值，fS为采样频率，发射频率，n采样数，最大值为N个采样点。
则在离散域的描述为式（8）。
所以将峰值滤波器的滤波值P(n)与发射信号T(n)进行N点的互相关运算，表示为式（9）。
式中，Cpt(n)互相关信号，N为采样点数。
将发射信号T(n)镜像翻转为式（10）。
则式（9）变成熟悉的卷积算法如式（11）。
互相关信号Cpt(n)表示发射信号T[n]与接收信号P(n)的相似程度，又噪声与发射信号T(n)不相为验证算法的可行性，将频率为32kHz干扰信号进行ADC采样，然后经过峰值频率为48kHz的峰值2 硬件电路实现（1）A/D采样模采用美国A n a l o devices公司的AD7484作为A/D采样芯片。
一种超声回波信号的脉冲压缩与正交解调处理方法及装置[发明专利]
![一种超声回波信号的脉冲压缩与正交解调处理方法及装置[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/d0b1297cff4733687e21af45b307e87101f6f8b3.png)
(10)申请公布号(43)申请公布日 (21)申请号 201410720045.6(22)申请日 2014.12.02A61B 8/00(2006.01)(71)申请人重庆博恩富克医疗设备有限公司地址401120 重庆市渝北区北部新区高新园黄山大道中段9号木星科技大厦一区五楼(72)发明人王平 蒋辉 于铁柱 唐英勇(74)专利代理机构北京弘权知识产权代理事务所(普通合伙) 11363代理人逯长明 许伟群(54)发明名称一种超声回波信号的脉冲压缩与正交解调处理方法及装置(57)摘要本发明实施例公开了一种超声回波信号的脉冲压缩与正交解调处理方法及装置，该方法包括：对接收的超声回波信号进行波束合成，获取合成信号；对所述合成信号进行频谱搬移，获取频谱搬移信号；对所述频谱搬移信号进行低通滤波，获取低频分量信号；对所述低频分量信号进行K倍降采样，获取降采样后信号，所述K 为大于2的整数；对所述降采样信号进行脉冲压缩和取模运算，获取用于成像的扫描线数据；采用本发明的方法及装置，可有效减小脉冲压缩环节的运算量，进而提高整个超声回波信号处理环节的运算效率。
(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书7页 附图3页(10)申请公布号CN 104523291 A (43)申请公布日2015.04.22C N 104523291A1.一种超声回波信号的脉冲压缩和正交解调处理方法，其特征在于，包括：对接收的超声回波信号进行波束合成，获取波束合成信号；对所述波束合成信号进行频谱搬移，获取频谱搬移信号；对所述频谱搬移后的信号进行低通滤波，获取有效的低频分量信号；对所述低频分量信号进行K倍降采样，获取采样信号,所述K为大于2的整数；对所述采样信号进行脉冲压缩，获取压缩信号；对所述脉冲压缩信号进行取模运算，获取用于成像的扫描线数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频谱搬移信号包括第一频谱搬移信号和第二频谱搬移信号，所述对波束合成信号进行频谱搬移，获取频谱搬移信号，包括：将所述波束合成信号r[n]分别与cos[2πf0n]和-sin[2πfn]相乘，以获取所述第一频谱搬移信号和第二频谱搬移信号；所述f为所述合成信号的中心频率，所述n为整数。
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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)03-0056-05D esi gn of D i g it a l I/Q D em odul a ti on System i nEchoed Ultra son i c W aves Ba sed on FPGACAO 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 )cosφ(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 这时混频不需要做复杂的三角函数乘法运算,可以大幅简化硬件结构。
I信号经低通滤波后,得到:I k=LPF(f k(nT s)×2cosωr nT s)=A I(nT s)cos(ωo-ωr)nT s-A Q(nT s)sin(ωo-ωr)nT s(3)同理可得:Q k=A I(nT s)sin(ωo-ωr)nT s+A Q(nT s)cos(ωo-ωr)nT s(4)则有:(I2k +Q2k)12=(A k(nT s)2+A Q(nT s)2)12=A(nT s)(5) 值得注意的是,在上述数学推导过程中,并不要求本振信号频率与载频频率完全一致,这一点对硬件实现非常有利。
另外,由于人体软组织对超声信号的衰减与频率大致成线性关系,故超声回波信号中高频分量比低频分量衰减得更多,致使回波信号的频谱中心频率随着超声脉冲在向深度传播时出现下移,即载频中心频率是变化的,从而克服了载波中心频率下移时产生的误差。
由于这里采用的是数字低通滤波器,滤波器系数可以设置成完全一致;两路信号在经低通滤波器时非理想滤波所引起的失真是一致的,对I、Q两路信号的幅度一致性和相位正交性不会产生影响,从而具有很好的负频谱对消功能,得到很高的精度。
3 正交检波的FPG A实现3.1 F I F O缓存的实现F I F O在系统中主要用来缓存计算的中间结果,作为一种基于RAM的器件,它需要有大量的存储空间,也就会用掉大量的寄存器。
当直接用数组的形式来描述F I F O结构时,综合后的结构都会非常庞大,资源利用率很低。
X I L I N X目前推出的新型现场可编程门阵列(FPG A)器件一般都提供了片内的RAM供直接使用,而不必使用寄存器来构成存储空间。
特别地,我们可以直接配置FPG A内部的BLOCKRAM资源实现F I F O缓存,以充分利用芯片的内部资源。
3.2 符号调整的实现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,那么输入信号只有与1和-1相乘两种有用结果,对1和-1进行选择需要进行符号调整,符号调整通过4-1选择器和补码生成器实现。
具体方法为:设计一个和F I F O读时钟同步的二进制计数器,用计数器的计数结果作为符号调整的选择输入控制端,我们以I信号为例给出主程序(用VHDL语言编写): Pr ocess(clk,count) Begin I f clk’event and clk=‘1’then Case count is when“00”=>data_i_d m<=‘0’&data_fif o_out; when“01”=>data_i_d m<=“000000000”; when“10”=>data_i_d m<=(‘1’&data_fif o_out xor“111111111”)+1; when“11”=>data_i_d m<=“000000000”; end case; end if; end p r ocess;3.3 滤波器的设计与实现滤波器是本系统设计的重点和难点。
首先利用Matlab的滤波器工具箱设计所需的滤波器,考虑到资源消耗和滤波的效果,这里采用窗函数法设计了一个25阶的F I R低通滤波器,其幅频响应如图3所示。
85 西 南 科 技 大 学 学 报 2006 Matlab 生成的滤波器系数均为小数,如果直接使用实数类型来表示滤波器系数,势必会造成硬件资源消耗过大,因此需要将系数进行量化处理,将系数由小数转换为整数。
具体的设计可根据量化精度和系统资源消耗两方面进行考虑,一般是先将系数同时扩大N 倍后作为滤波器的系数,然后在滤波器的最终输出端相应地缩小N 倍即可。
这里取N =214=16384,此时滤波器系数的量化误差为0.6×10-4,此时只要舍弃滤波器输出的低14位数据即可作为滤波器的最终输出信号。
另外,根据F I R 滤波器系数对称的特性,改变滤波器的结构,可以使乘法器的个数减半。