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XC3S400 FPGA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；现场可编码门阵列

　　Abstract：To design a low voltage coded ultrasound transmitting system based on field programmable gate array(FPGA). The digital codes corresponding to coded ultrasound transmitting was generated by XC3S400 FPGA. The digital code was transformed coded transmitting wave by analogtodigital converting. Coded transmitting wave was amplified and then acted on the ultrasound probe.The coded transmitting echo was gotten by an amplifier circuit. As a result of echo′s pulse compression， this coded ultrasound transmitting system can fulfill the standard of echo image. The system can reduce peak value power of single pulse sending and increase the signaltonoise.

　　Key words：Coded excitation; Pulse compression; Signaltonoise; Echo; Golay code;Field programmable gate array

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｝，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=0

　　0，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10 MHz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。

　　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（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10 MHz，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，-1，1，1)做人体眼睛检测实验。脉冲编码发射电压峰峰值为24 V，采用10 MHz探头，Golay码单个脉冲的频率为10 MHz（周期100 ns），即一个脉冲串持续时间为1.6 us，回波信号经过增益为15 dB的放大电路后，采用泰克公司的TDS5104示波器，采样频率为625 M/S。提取眼球底部视网膜的回波信号，见图11。在该图中，根据d=0.5×t×v，其中t为回波延迟时间(图11中约为32 us)，v为超声波速度（v=1 540 m/s），眼球底部距眼表的距离约为24.6 mm，由于眼球个体差异的原因，此数据正是人体眼球底部视网膜的回波信号。将图11中32～40 us的图形展开后，得到眼底视网膜局部的回波及采用匹配滤波器压缩叠加后的波形见图12。

　　在图12中，由于视网膜及其软组织反射，所以能够连续提取多个编码回波序列串，但由于回波信号只经过15 dB的放大，因此只能看到视网膜回波和一层软组织反射的回波信号，即编码序列回波持续时间为3.2 us，压缩叠加后得到类似于10 MHz单脉冲发射得到的两个眼底回波信号，即与10 MHz单脉冲发射有相同的分辨率，在图12回波压缩叠加后波形中，前一个为视网膜回波信号，由于视网膜反射强，因此压缩后幅值较大，后一个为视网膜软组织层面反射后的回波压缩后的信号，幅值较小。

　　采用传统眼科A超单脉冲发射方法做人眼检测实验，发射脉冲电压为100 V，眼底视网膜回波经30 db增益后，用泰克TDS5104示波器提取回波信号，采样率为625 M/s，见图13。

　　将图13中32～40 us的图形展开后，得到单脉冲发射视网膜局部的回波，见图14。

　　在图14中，由于眼底视网膜和软组织的反射，同样存在两个回波信号，从图中可以看出，经过30 db增益后，视网膜和软组织回波信号峰峰值大约分别为0.6 v和0.4 v。再结合图12可以看出：采用编码超声发射电路检测人体眼睛，发射单个脉冲频率为10 MHz的编码序列，用24 v的发射电压得到的回波，经15 dB放大后进行脉冲压缩叠加得到的视网膜信号波形和10 MHz、100 v单脉冲发射得到的视网膜波形相似，即具有相似的分辨率和信噪比。即在相同信噪比条件下，该编码激励发射电路能够降低超声波发射电路电压峰峰值。即如果在相同发射电压的条件下，该编码超声发射电路较单脉冲发射而言提高了图像信噪比。

　　我们以FPGA为基础，设计了一种结构简单的低电压编码超声发射电路，通过单面反射实验和活体人眼检测实验，该电路产生的编码超声发射回波压缩后能够满足超声成像指标。该电路具有降低超声波发射电压的作用，在便携式超声设备中会有广泛的应用。

参考文献

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