基于FPGA的编码超声发射系统的设计

　　1 编码发射技术原理

　　编码发射技术使用一连串脉冲序列激励宽带换能器,再接收一连串序列的回波,通过脉冲压缩得到分辨率与单脉冲一样的解码脉冲,其原理见图1[1]。在峰值声功率相同的条件下,由于编码发射与单脉冲发射相比提高了发射信号的平均声功率,采用适当的解码方法如匹配滤波,得到的解码脉冲能够提高系统的信噪比,成像质量更高。

　　由上图可知,编码发射成像系统与传统单脉冲回波成像系统的不同之处在于:发射电路采用编码发射;同时,为了满足与单脉冲发射一样的分辨率要求,接收电路中需要对回波信号进行脉冲压缩。本研究介绍了一种基于FPGA的编码超声发射电路以及回波提取放大电路,发射Golay互补序列对,用matlab对接收到的回波信号进行压缩分析。

 　　2 编码脉冲方式

　　Newhouse1974年提出了白噪编码的超声成像和多普勒测量系统[2]。在此后的近30年里,包括M序列、伪随机码、Golay码、Barker码和Chirp码等各种编码方法被用于编码超声发射的研究[3]。本设计采用Golay互补序列对和Barker码作为编码发射码型,来验证电路的合理性。编码发射采用二相码结构,编码发射二相码与发射波形见图2。

　　Golay码是一组二值自相关的互补序列对,Golay互补序列对定义[4]:二元互补序列为一对长度相等且由两元素构成的序列,且在任何给定间隔下,一个序列中的相同元素对的个数等于另一个序列中的相异元素对的个数。数学语言描述如下:设

　　有一对长度相同的有限二相序列A={an},anI(+1,-1),nI0,1,2,,,N-1和B={bn},bnI(+1,-1),nI0,1,2....,N-1其非周期自相关函数分别为:

　　则称序列A、B为互补序列对。图3为Golay码回波压缩叠加原理示意图[5]。

　　FPGA产生与需要编码发射对应的DAC转换所需要的不同数字编码序列。数模转换和前置放大都是用于波束形成,模数转换把数字编码序列变为模拟编码发射输出,前置放大负责放大数模转换输出的编码发射信号,后级放大用于进一步放大编码发射信号使其能够直接驱动探头。电路中采用的FPGA为Xilinx公司的spartan3系列的XC3S400[7],数模转换芯片为DAC5652,前置放大芯片为THS4502,后级放大芯片为THS3091。探头采用中心频率为10MHz的换能器,见图6。

　　为了提取回波信号,设计了一级回波信号放大电路,电路采用共基-共射放大电路模式,该电路与探头的匹配性好,具有15dB的稳定增益等优点,经放大器放大后能够得到清晰的回波信号。

　　3.2 程序设计

　　设计中采用可编程逻辑阵列作为超声编码发射电路的主控器件,其主要功能是产生编码发射所对应的数字编码序列。程序设计是在Xilinx公司FPGA开发软件ISE8.1环境下进行的,整个设计过程包括程序代码编写、调试。设计中采用FPGA自带的IP核片内RAM实现数字编码序列数据的只读存储ROM,通过改变ROM中的数据就能够产生不同的编码发射,程序设计灵活。用FPGA的时钟管理单元(DCM)产生数模转换的时钟信号和数据写入信号,信号稳定可靠。程序调试在Modesim仿真环境下进行。通过Modesim仿真出FPGA所输出的数字编码信号是否为预期的数字编码序列,使程序设计更加可控,加快了设计速度。在ISE环境下产生的数字编码序列顶层模块见图7。