謝 彬,林藝文,周桂榮
(1.汕頭超聲儀器研究所有限公司,廣東 汕頭 515041;2.汕頭大學(xué)電子信息工程系,廣東 汕頭 515063)
基于GC5016的超聲回波信號(hào)解調(diào)及動(dòng)態(tài)濾波設(shè)計(jì)
謝 彬1,林藝文2,周桂榮1
(1.汕頭超聲儀器研究所有限公司,廣東 汕頭 515041;2.汕頭大學(xué)電子信息工程系,廣東 汕頭 515063)
采用了一種用數(shù)字上/下變頻器GC5016實(shí)現(xiàn)超聲回波信號(hào)的解調(diào)和動(dòng)態(tài)濾波處理的方法.使用通常用于調(diào)制和解調(diào)的芯片GC5016,將超聲回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)濾波處理在信號(hào)解調(diào)的同時(shí)完成,降低了對(duì)FPGA乘法器資源的占用.
GC5016;超聲回波;動(dòng)態(tài)濾波;解調(diào);信號(hào)處理
為提高超聲回波信號(hào)的信噪比和圖像質(zhì)量,適應(yīng)不同診斷模式下對(duì)顯示圖像的不同要求,各種新的數(shù)字信號(hào)處理方法不斷地應(yīng)用到超聲診斷設(shè)備中,這提高了對(duì)設(shè)備信號(hào)處理能力的要求.DSP器件固然是一種很好的用于信號(hào)處理的芯片,但在現(xiàn)代全數(shù)字超聲診斷設(shè)備中,F(xiàn)PGA以其強(qiáng)大的并行處理能力、高集成度、高性能及方便的可編程性,得到了更廣泛的應(yīng)用.采用DSP+FPGA的數(shù)字硬件系統(tǒng)結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn),兼顧了速度和靈活性,正愈來(lái)愈得到人們重視[1].
本文的設(shè)計(jì)使用數(shù)字上/下變頻器GC5016,實(shí)現(xiàn)超聲回波信號(hào)的解調(diào)和動(dòng)態(tài)濾波兩項(xiàng)底層信號(hào)處理,滿足了底層大數(shù)據(jù)量的快速處理.配合FPGA使用,減少了對(duì)FPGA硬件乘法器資源的占用.
GC5016是美國(guó)TI(Texas Instruments)公司的一款4通道寬帶數(shù)字上下變頻器,其最大工作時(shí)鐘頻率可以達(dá)到160 MHz.本設(shè)計(jì)將其用于下變頻模式.在這種模式下,其最大可支持4通道160 MSPS或者2通道320 MSPS的數(shù)據(jù)輸入率(雙倍速率模式).
圖1是GC5016在下變頻模式下的結(jié)構(gòu)框圖[2].其CIC(Cascade Integrator Comb)濾波器是固定的5階濾波器,但其抽取率可變.PFIR(Programmable Finite Impulse Response)濾波器則包含16個(gè)單元,每單元16個(gè)系數(shù)存儲(chǔ),可存儲(chǔ)256個(gè)系數(shù),最大支持512 taps(對(duì)稱的FIR濾波器系數(shù))的FIR濾波器[2].
圖1 GC5016的下變頻模式結(jié)構(gòu)框圖
超聲診斷系統(tǒng)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.其中的數(shù)字信號(hào)處理模塊屬于底層信號(hào)處理,目前比較常見(jiàn)的是采用FPGA硬件實(shí)現(xiàn),也有采用DSP或者DSP+FPGA組合的,但相對(duì)較少.
數(shù)字信號(hào)處理部分主要包含動(dòng)態(tài)濾波、解調(diào)(或者包絡(luò)檢波)、TGC(Time Gain Control)、對(duì)數(shù)放大以及一些平滑和相關(guān)處理.另外,在彩超中,數(shù)字信號(hào)處理還包括彩色血流計(jì)算、壁濾波等.
圖2 超聲診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
大量的研究和實(shí)驗(yàn)表明,組織的衰減不僅與被探測(cè)介質(zhì)的深度有關(guān),還與超聲波的頻率有關(guān),頻率越高,介質(zhì)對(duì)超聲波能量的衰減就越大[3].人體軟組織對(duì)超聲的衰減與頻率大致成線性關(guān)系.
超聲探頭發(fā)射的超聲波頻譜具有一定的帶寬,所以接收的回波信號(hào)也具有一定的帶寬.寬頻帶中的高頻成分能夠有效地提高近場(chǎng)的成像分辨率,而低頻成分能夠有效地對(duì)較深處組織進(jìn)行成像.但是,隨頻率增加的衰減對(duì)發(fā)射脈沖的頻譜不利,高頻分量比低頻分量衰減得更多,致使回波信號(hào)頻譜的中心頻率將隨著超聲脈沖向深處傳播而下移,可參見(jiàn)文獻(xiàn)[4]的圖5.3.59.
因此,在接收電路中,需要一個(gè)帶通的匹配濾波器對(duì)接收信號(hào)限帶,以獲得最佳的信噪比(SNR).這個(gè)限帶過(guò)程就是動(dòng)態(tài)濾波,它一般是波束合成后信號(hào)處理的第一步.之所以叫動(dòng)態(tài),是因?yàn)樗枰S著接收信號(hào)所對(duì)應(yīng)的深度變化,不斷向下調(diào)整其通頻帶的中心頻率,同時(shí),還需要不斷減小其通頻帶的帶寬.這從文獻(xiàn)[4]中的圖5.3.59可以清楚地得到.
理論及實(shí)踐均表明:沒(méi)有動(dòng)態(tài)濾波器,SNR的惡化與探測(cè)深度的下降會(huì)損害設(shè)備的實(shí)用性;有了動(dòng)態(tài)濾波器,在深部,SNR及圖像可視性得到改善,在淺部,可以保持高的觀測(cè)頻率,使分辨力及圖像細(xì)微度得到改善,結(jié)果圖像的總體質(zhì)量得到了提高[4].
解調(diào)用于將接收到的高頻回波信號(hào)變換到基頻信號(hào).波束合成后的數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)解調(diào)后變?yōu)镮、Q兩路信號(hào),再將I、Q信號(hào)求平方和后開(kāi)方,得到可以用于顯示的B型視頻信號(hào).當(dāng)然,在顯示前還需要進(jìn)行其它的信號(hào)處理.
在傳統(tǒng)的黑白B超中,從高頻回波信號(hào)到視頻信號(hào)的變換過(guò)程一般采用包絡(luò)檢波的方法,即對(duì)高頻回波信號(hào)取絕對(duì)值后,再經(jīng)過(guò)低通濾波取包絡(luò),得到可以用于顯示的B型視頻信號(hào).其結(jié)果與通過(guò)解調(diào)得到的視頻信號(hào)是一樣的.但是在彩色血流圖(Color Flow Image, CFI)和脈沖多普勒(Pulse Wave Doppler, PWD)頻譜中, 需要用高頻回波信號(hào)經(jīng)解調(diào)后的基頻信號(hào)來(lái)處理.因此,在彩超的電路設(shè)計(jì)中,我們可以只設(shè)計(jì)解調(diào)電路,而節(jié)省掉包絡(luò)檢波電路.
在黑白B超中,動(dòng)態(tài)濾波是為了限帶和提高信噪比而必須用的.而在彩超中,動(dòng)態(tài)濾波只用于對(duì)B型顯示的數(shù)據(jù)做處理,對(duì)CFI和PWD的數(shù)據(jù)不能使用動(dòng)態(tài)濾波處理.GC5016有4個(gè)數(shù)據(jù)通道,可以將不同類型的信號(hào)處理用不同的通道分開(kāi).本文只討論B型數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)濾波和解調(diào)處理.
對(duì)于B型數(shù)據(jù)的處理,傳統(tǒng)方法一般是動(dòng)態(tài)濾波后再檢波(這里的檢波用解調(diào)實(shí)現(xiàn)),本設(shè)計(jì)將動(dòng)態(tài)濾波器更改為由解調(diào)后的低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn).帶通濾波器的頻響特性曲線經(jīng)過(guò)“解調(diào)”——即將其中心頻率通過(guò)頻譜搬移到0頻,則帶通濾波器變?yōu)榈屯V波器.由于其截止頻率的要求比解調(diào)后用的低通濾波器要嚴(yán)格得多,因此原解調(diào)后的低通濾波可以省略.根據(jù)2.2節(jié)中所述的動(dòng)態(tài)濾波器的特性,更改后的低通濾波器,其截止頻率要隨著對(duì)應(yīng)信號(hào)深度的增加而減小.此外,動(dòng)態(tài)濾波器的中心頻率是需要不斷下移的,因此更改設(shè)計(jì)后的解調(diào)本振頻率也相應(yīng)要不斷減小.
圖3為本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的硬件框圖,即在圖2的數(shù)字波束合成和數(shù)字信號(hào)處理兩個(gè)FPGA中間增加了一個(gè)GC5016芯片.其中,波束合成到GC5016、GC5016到信號(hào)處理的兩個(gè)箭頭表示回波數(shù)據(jù)流向,信號(hào)處理到GC5016的箭頭表示GC5016的控制信號(hào)和配置數(shù)據(jù)流向.本設(shè)計(jì)中,由于配置GC5016的邏輯設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單,使用的資源也很少,所以將這部分邏輯設(shè)計(jì)放在信號(hào)處理FPGA中實(shí)現(xiàn).當(dāng)然,GC5016也可以使用其它的FPGA、CPLD或者單片機(jī)等芯片進(jìn)行配置.
圖3 硬件實(shí)現(xiàn)框圖
GC5016要完成的主要功能就是變頻率解調(diào)和變截止頻率低通濾波(這是對(duì)B型數(shù)據(jù)的處理通道而言的,其它通道本文不做討論).這就需要配置GC5016的FPGA能隨著接收回波的深度,實(shí)時(shí)地改變GC5016的B型數(shù)據(jù)通道的解調(diào)頻率(通過(guò)實(shí)時(shí)改寫(xiě)配置完成).同時(shí),GC5016也需要隨著接收回波深度的改變,使用不同截止頻率的低通濾波器來(lái)完成混頻后的低通濾波.
3.3.1 變頻率解調(diào)
傳統(tǒng)超聲診斷儀的圖像,是以線為單位的,每一次發(fā)射接收,都得到一線的數(shù)據(jù),一幅圖像由不同線位置的線數(shù)據(jù)拼接而成.一線先后接收到的數(shù)據(jù),表示由近到遠(yuǎn)不同距離上的信息.
本系統(tǒng)的回波數(shù)據(jù)采樣率為40 MHz,即波束合成后的數(shù)據(jù)率為40 MSPS,GC5016輸入時(shí)鐘160 MHz,CIC濾波器的抽取率為2,PFIR濾波器的抽取率為2,數(shù)據(jù)采用IQ交替輸出的模式,輸出頻率為80 MHz,故輸出數(shù)據(jù)率仍為40 MSPS(一個(gè)I和一個(gè)Q才表示一個(gè)數(shù)據(jù)).
每線數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)數(shù)由公式(1)計(jì)算:
其中,N是線數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)數(shù),D是線所表示的深度,F(xiàn)s為系統(tǒng)采樣頻率(即40 MHz),c為聲波在人體內(nèi)傳播的平均速度(一般取1 540 m/s).因此,如果按照掃描顯示深度24 cm來(lái)計(jì)算,一線的最大樣點(diǎn)數(shù)為12 467,系統(tǒng)設(shè)計(jì)取最大的線采樣點(diǎn)數(shù)為12 288.如果圖像格式為512線×512點(diǎn),則線數(shù)據(jù)最大顯示抽取率為12 288/512=24;如果最小顯示抽取率取2,則對(duì)應(yīng)的顯示圖像的實(shí)際深度約為2 cm.
根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),在24cm左右的顯示深度,回波信號(hào)的中心頻率會(huì)下移30%左右,這從文獻(xiàn)[4]中的圖5.3.59可以得到驗(yàn)證.該圖中,發(fā)射信號(hào)的中心頻率為3.5 MHz,而24 cm處回波的中心頻率約為2.5 MHz.實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),一般認(rèn)為信號(hào)對(duì)應(yīng)的深度每增加1 cm,回波信號(hào)的中心頻率下移1.25%.因此,在設(shè)計(jì)GC5016的解調(diào)頻率時(shí),從收到線頭信號(hào)(每一線數(shù)據(jù)的開(kāi)始)開(kāi)始,以發(fā)射頻率解調(diào),每計(jì)數(shù)到512個(gè)數(shù)據(jù)樣點(diǎn)(對(duì)應(yīng)約1 cm),就改寫(xiě)一次GC5016的解調(diào)頻率,使解調(diào)頻率減小發(fā)射頻率的1.25%.理論上,解調(diào)頻率的下移步數(shù)越多步距越小就越好,但實(shí)際上這會(huì)對(duì)GC5016的正常工作帶來(lái)影響,因此,本設(shè)計(jì)使用的步距為512個(gè)采樣點(diǎn)調(diào)整一次頻率.
在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),已經(jīng)完成了對(duì)GC5016的整體配置,使用時(shí)只需更改其解調(diào)頻率.參考GC5016的器件資料,根據(jù)對(duì)其進(jìn)行配置的寫(xiě)時(shí)序圖和控制信號(hào)建立、保持的時(shí)間要求,完成一次寫(xiě)操作的最小周期為45 ns,本設(shè)計(jì)進(jìn)行一次寫(xiě)操作使用60 ns(在信號(hào)處理FPGA內(nèi)使用一個(gè)200 MHz的時(shí)鐘計(jì)數(shù)).GC5016內(nèi)部每個(gè)通道的解調(diào)頻率寄存器為3個(gè)16 bit的寄存器,固定GC5016的當(dāng)前頁(yè)地址為B型數(shù)據(jù)通道的地址,改變其解調(diào)頻率只需要進(jìn)行3次寫(xiě)操作,需要180 ns.于是,這180 ns時(shí)間的后120 ns內(nèi),解調(diào)頻率是錯(cuò)誤的(在第一個(gè)寫(xiě)操作完成之前,即前60 ns,頻率還是正確的),約為5個(gè)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)樣點(diǎn).在最大深度顯示時(shí),數(shù)據(jù)抽取率為24,即在圖像中連續(xù)的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)樣點(diǎn)最多只顯示1個(gè);而在最小深度顯示時(shí),數(shù)據(jù)抽取率為2,在一線512點(diǎn)顯示數(shù)據(jù)中,中間會(huì)顯示3個(gè)連續(xù)的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)樣點(diǎn).這些錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)樣點(diǎn)在經(jīng)過(guò)前后數(shù)據(jù)點(diǎn)的平滑和相關(guān)處理后,從系統(tǒng)最后的實(shí)際圖像來(lái)看,幾乎沒(méi)有任何影響.
3.3.2 變截止頻率低通濾波
與頻率下移相似,低通濾波器截止頻率的下移,理論上也是步數(shù)越多步距越小越好,但這實(shí)現(xiàn)起來(lái)很復(fù)雜,需要大量的存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)濾波系數(shù).傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)濾波設(shè)計(jì),多使用12或16 taps的FIR帶通濾波器.使用32 taps的帶通濾波器已經(jīng)可以獲得很好的信噪比和滿足遠(yuǎn)近場(chǎng)的要求了[5].本設(shè)計(jì)使用系數(shù)對(duì)稱的32 taps低通濾波器,只需要使用16個(gè)系數(shù)存儲(chǔ)單元.GC5016支持每個(gè)通道存儲(chǔ)多組FIR濾波器系數(shù),于是整個(gè)通道可以存儲(chǔ)16組由大到小的不同截止頻率的低通濾波器系數(shù).
16組FIR低通濾波系數(shù)是與一個(gè)發(fā)射頻率不同深度處的回波相對(duì)應(yīng)的,與最大深度時(shí)的24步變頻配合,采取前緊后松的方法,前8步變頻,每一步變頻更換一組濾波系數(shù),后16步變頻,每變2步更換一組濾波器系數(shù).濾波器系數(shù)在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)就以默認(rèn)值下載配置到GC5016中.使用時(shí),如果調(diào)整了發(fā)射頻率,需要對(duì)GC5016重新進(jìn)行配置,就要重新下載16組與該頻率對(duì)應(yīng)的系數(shù).
FIR低通濾波器的設(shè)計(jì)使用Matlab軟件輔助完成.系數(shù)量化為16 bit后,儲(chǔ)存為GC5016配置軟件cmd5016能夠識(shí)別的系數(shù)文件格式.在設(shè)計(jì)FIR低通濾波器時(shí),要綜合考慮它前面的CIC濾波器頻響特性,所設(shè)計(jì)的FIR濾波器需要對(duì)其進(jìn)行校正和補(bǔ)償,使CIC濾波器和FIR濾波器級(jí)聯(lián)后滿足濾波要求[6].
本實(shí)驗(yàn)主要為驗(yàn)證變頻解調(diào)及變頻點(diǎn)處的數(shù)據(jù)連續(xù)性.在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)發(fā)生器,輸出頻率為5.25 MHz的正弦波.從5 MHz開(kāi)始變頻解調(diào),配合以變截止頻率濾波.另外,設(shè)計(jì)了線同步信號(hào),來(lái)標(biāo)識(shí)一線的開(kāi)始.實(shí)驗(yàn)波形如圖4所示.圖中顯示的數(shù)據(jù)樣點(diǎn)未經(jīng)過(guò)3.3.1節(jié)中所說(shuō)的顯示抽取.
圖4(a)中,上面的1-0-1-0-1波形標(biāo)識(shí)的是線同步信號(hào)、上升沿標(biāo)識(shí)一線的開(kāi)始、波形中的0值時(shí)間段、在實(shí)際的B超設(shè)計(jì)中用于傳輸下一線的各種參數(shù).由于線同步信號(hào)是與波束合成后的數(shù)據(jù)樣點(diǎn)同步的,解調(diào)的過(guò)程造成了數(shù)據(jù)的延時(shí),所以實(shí)際使用中,還需要將線同步信號(hào)同步延時(shí).從信號(hào)的幅度來(lái)看,隨著解調(diào)頻率的減小,解調(diào)后的信號(hào)頻率變大,同時(shí)低通濾波器的截止頻率也在減小,所以信號(hào)是在衰減的.
將圖4(a)右邊兩豎虛線內(nèi)的波形放大,得到圖4(b)的波形.這里表示的是線尾與線頭的連接處.實(shí)際處理時(shí),一線數(shù)據(jù)完成以后,下一線開(kāi)始之前,將輸入數(shù)據(jù)清零,以免線尾的數(shù)據(jù)殘留在濾波器移位寄存器中,對(duì)線頭數(shù)據(jù)造成影響,因此中間有一段0值.GC5016的輸出采用IQ交替輸出模式,輸出數(shù)據(jù)包絡(luò)為相位差為90°的兩個(gè)類正弦波.由圖中可以看出,線頭以5 MHz解調(diào),得到250 kHz的數(shù)據(jù)頻率,隨著解調(diào)的頻率不斷減小,得到的信號(hào)頻率就越來(lái)越高,線頭線尾的波形周期差別明顯.
圖4(c)是從圖4(b)中右邊虛線的左邊截出的一個(gè)周期波形的放大,即線頭開(kāi)始的第2個(gè)周期.圖4(d)是從圖4(b)中左邊虛線的右邊截出的兩個(gè)周期波形的放大,即線尾的最后兩個(gè)周期.這兩段波形中都包含一個(gè)變頻點(diǎn),如3.3.1節(jié)所述,應(yīng)該含有4~5個(gè)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)樣點(diǎn),但從實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)波形來(lái)看,其平滑性和連續(xù)性都很好.在實(shí)際系統(tǒng)中,經(jīng)過(guò)顯示抽取后的連續(xù)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)樣點(diǎn)更少,再經(jīng)過(guò)后面的前后數(shù)據(jù)樣點(diǎn)平滑和相關(guān)處理,對(duì)實(shí)際圖像幾乎沒(méi)有影響.實(shí)際結(jié)果也證明,該設(shè)計(jì)能滿足系統(tǒng)的運(yùn)行要求.
圖4 實(shí)驗(yàn)波形
本文所考慮的回波帶寬仍有不完善的地方,但在中低端的超聲診斷設(shè)備中,這樣的處理已經(jīng)可以滿足實(shí)際使用和儀器的性價(jià)比要求.要設(shè)計(jì)更高端的設(shè)備,獲得更好的回波信號(hào)信噪比,還需要更多地考慮探頭本身的頻響特性以及發(fā)射脈沖的頻譜.發(fā)射脈沖數(shù)越多,發(fā)射信號(hào)的頻譜帶寬就越窄.例如,探頭頻響特性的中心頻率為5 MHz,可發(fā)射的帶寬范圍3 MHz~7 MHz,以3.5 MHz發(fā)射時(shí),發(fā)射信號(hào)頻譜帶寬范圍2.5 MHz~4.5 MHz(發(fā)射脈沖數(shù)為2時(shí),信號(hào)帶寬約為發(fā)射頻率的60%).在本設(shè)計(jì)中,認(rèn)為回波信號(hào)從0深度開(kāi)始在2.5 MHz~4.5 MHz的頻譜范圍內(nèi),變頻解調(diào)從3.5 MHz開(kāi)始不斷減小解調(diào)頻率.但更周全的考慮應(yīng)該是,認(rèn)為回波信號(hào)從0深度開(kāi)始是在3 MHz~4.5 MHz的頻譜范圍內(nèi),因此,變頻解調(diào)是不是應(yīng)該從3.75 MHz開(kāi)始?這是一個(gè)需要結(jié)合探頭的頻響特性和發(fā)射脈沖數(shù)量的更深層次研究的復(fù)雜課題.
目前,Xilinx和Altera兩家主流FPGA廠商生產(chǎn)的器件,性能強(qiáng)大、乘法器和Block RAM資源較多的高端器件價(jià)格十分昂貴,而中低端通用器件的乘法器資源在實(shí)際設(shè)計(jì)中又往往不夠.GC5016的4個(gè)獨(dú)立通道,可以使需要用不同方法處理的同源數(shù)據(jù)從各自的通道進(jìn)行處理,把這部分解調(diào)和濾波處理從FPGA分離出來(lái)后,節(jié)省了大量的使用FPGA處理所需要的硬件乘法器資源.隨著Xilinx Spartan-6系列和Altera Cyclone IV系列中端器件的即將量產(chǎn)上市,它們的乘法器資源數(shù)量比老一代產(chǎn)品有很大的提高,對(duì)今后低成本下的硬件信號(hào)處理設(shè)計(jì)有很大的幫助.
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Abstract:A method is designed to demodulate and filter the ultrasound echo signals,based on the digital up/down converter GC5016.The signal processing of dynamical filtering is implemented together with the demodulation by GC5016,which is usually used for modulation and demodulation.It decreases the usage of multiplier resources in FPGA.
Key words:GC5016; ultrasound echo signal; demodulation; dynamic filter; signal processing
Design of Demodulation and Dynamic Filter for Ultrasound Echo Signal Based on GC5016
XIE Bin1, LIN Yi-wen2, ZHOU Gui-rong1
(1.Institute of Ultrasound Instruments, Ultrasound Instruments Corporation, Shantou 515041, Guangdong, China;2.Department of Electronics and Information, Shantou University, Shantou 515063, Guangdong, China)
TN 911.72
A
1001-4217(2010)02-0056-08
2010-03-05
謝彬(1980-),男,廣東汕頭人,工程師.研究方向:數(shù)字信號(hào)處理及其FPGA實(shí)現(xiàn).E-mail:xb@siui.com