基于fpga的编码超声发射系统的设计

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1、基于FPGA的编码超声发射系统的设计作者：周奇，王晓春，计建军，王延群【摘要】介绍一种以现场可编码门阵列(FPGA)为基础的低电压编码超声发射系统。该系统采用XC3S400FPGA产生编码超声发射所对应的数字编码，该数字编码经过模数转换产生编码发射波形，再将发射波形经过放大后作用于超声换能器，通过回波信号放大电路提取回波信号，对回波信号压缩处理分析结果表明：该编码超声发射系统能满足超声成像指标要求，降低超声单脉冲发射峰值声功率，提高信噪比。【关键词】编码发射；脉冲压缩；信噪比；回波；Golay码；现场可编码门阵

2、列Abstract：Todesignalowvoltagecodedultrasoundtransmittingsystembasedonfieldprogrammablegatearray(FPGA).ThedigitalcodescorrespondingtocodedultrasoundtransmittingwasgeneratedbyXC3S400FPGA.Thedigitalcodewastransformedcodedtransmittingwavebyanalogtodigitalconve

3、rting.Codedtransmittingwavewasamplifiedandthenactedontheultrasoundprobe.Thecodedtransmittingechowasgottenbyanamplifiercircuit.Asaresultofecho′spulsecompression,thiscodedultrasoundtransmittingsystemcan10fulfillthestandardofechoimage.Thesystemcanreducepeakvalu

4、epowerofsinglepulsesendingandincreasethesignaltonoise.Keywords：Codedexcitation;Pulsecompression;Signaltonoise;Echo;Golaycode;Fieldprogrammablegatearray1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

5、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。102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

6、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

7、限二相序列A=｛an｝，an∈(+1，-1)，n∈0，1，2，…，N-1和B=｛bn｝，bn∈(+1，-1)，n∈0,1,2,…,N-1其非周期自相关函数分别为：χA(m,0)=∑N-1-｜m｜k=0akak+m(1)χB(m,0)=∑N-1-｜m｜k=0bkbk+m(2)若χA(m,0)+χB(m,0)=2N，m=0100，m≠0(3)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］。图3长度为8位的互补Golay序列对消除距离旁瓣原理3系统设计3.1电路设计近10年来，编码发射技术

8、在医学超声成像系统中逐渐得到应用。超声编码发射成像系统结构见图4［6］。根据编码超声发射成像系统的结构，我们提出了一种编码超声发射系统，电路结构见图5。10FPGA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