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]。
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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。