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1、基于FPGA的编码超声发射系统的设计【关键词】编码发射；脉冲压缩；信噪比；回波；Golay码；现场可编码门阵列Abstract：Todesignaloittingsystembasedonfieldprogrammablegatearray(FPGA).Thedigitalcodescorrespondingtocodedultrasoundtransmittingedcodedtransmittingittingplifiedandthenactedontheultrasoundprobe.Thecodedtransmittingechoplifiercir
2、cuit.Asaresultofecho′spulsepression,thiscodedultrasoundtransmittingsystemcanfulfillthestandardofechoimage.Thesystemcanreducepeakvaluepomablegatearray1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
3、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Ne,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=00，m≠0(3)则称序列A、B为互补序
4、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。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
5、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。4结果与分析为了验证电路设计的合理性，我们可以通过发射编码激励，提取回波信号并用相应的压缩方法，从压缩结果观察是否满足超声成像要求以判断电路的合理性。衡量脉冲压缩效果的指标为距离旁瓣水平（
6、RSLL），定义为主瓣峰值与旁瓣峰值平均值之比。RSLL=20lgmax(Amainllobe)1T∫TAside-lobe(t)dt(4)其中，Amainllobe是主瓣幅度，Aside-lobe是旁瓣幅度；T为所取旁瓣范围，按照超声成像理论要求，RSLL在-30dB以下就满足B型超声成像要求［8］。用该电路发射单个脉冲频率为10MHz，长度为16位的Golay码互补序列对A=(-1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,1,-1,1,-1,-1)和B＝(-1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,-1,1,-1,1,1)，做单
7、面反射实验，采用泰克TDS5104示波器，采样频率为1.25G/s，得到的回波见图8。在mabtab环境下采用匹配滤波器对回波信号进行压缩，压缩后的回波信号见图9。对A、B编码发射序列压缩后的波形进行叠加的输出及取其峰值包络图，见图10。从叠加后的回波峰值包络值可以看出，Golay码序列对压缩叠加后的波形其RSLL值在-30dB以下满足超声成像要求。用该电路发射16位长度的Golay码互补序列对A=(-1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,1,-1,1,-1,-1)和B＝(-1,-1,1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,-1,1,
8、-1,1,1)做人体眼睛检测实验。脉冲
