正交检波和对数压缩结合的专利申请模板.doc

开始输入RF信号并通过A/D转换的数据数字正交检波和对数压缩结合技术仿真结果和分析结束数字对数压缩和幅度信号提取结合技术：由于对数压缩是非线性的处理，幅度信号的求模运算应该在对数压缩之前进行。在FPGA中内部自带硬核进行平方、开平方得到的幅度信号不是很精确。再加上对数压缩、动态范围变换时，算法的复杂度大，占用资源较大，考虑用查找表的方式，正交包络检测为了保存动态范围很大的高频信号和低频信号，数据的位宽很大，而显示仅需要8位的包络信号，这样的查找表容量很大，而且会浪费一部分不必要的资源，所以需要在查找表之前对所的数据作个预处理。在前一步数字正交步骤的最后，得到I、Q正交两路的基带信号和对数压缩合并，归一化为：(2-1) (2-2)上式运算中是自然对数，和的取值范围是：02047，对数压缩后的输出是0255。由于的表达式中具有对称性，只需考虑的情况即可。考虑后面一项归一化结果的影响，当时，后面一项归一化的结果是2.8，当时，后面一项归一化的结果是1.54。当归一化的结果约是0.74，可见随着两者绝对值的差距增大，后面一项的影响对前面一项的结果越来越小，当所以可以忽略后面一项。同时由于该归一化的对称性，对于情况和上述分析一样。利用这个特点，在本文设计中，先增加了一个Verilog代码的判断模块，判断和两路信号的绝对值。绝对值较大者作为查找表的地址线。同时考虑到当两路信号和中有一路是0，求对数是无穷大的情况，做一个补充，规定和中有一路是0或者绝对值是1的时候，归一化后的结果全是0。根据上一步得到的和信号的离散值，在MATLAB中逐个计算出和的绝对值最大者对应的归一化值并存储在FPGA的内部ROM中，在顶层模块进行求模和压缩处理时，以和两者数绝对值的最大者作为查找表的地址即可读取到里面对应的数据。下表是对数压缩输出项归一化的结果：表2-1对数压缩输出项归一化Max(abs(I),abs(Q)012345672047A01223544515762244本设计中需要的模块包括：绝对值产生模块、绝对值大小判断模块、归一化结果查找表模块。输入待处理的数据是上一步数字正交检波得到的两路基带信号和信号，输出是0255内8位的灰度值图像，每一条扫查线按照该流程处理后得到的数据就是最终需要在DSC中作为显像的输入数据。仿真结果和分析：图2-2中，在MATLAB里对单通道的RF信号进行本设计的数字正交检波得到两路基带信号和信号，然后利用信号和信号数据进行本设计中的幅度提取和对数压缩结合的方法，图中红色包络即是幅度提取后结果。从时域信号中看出，该方法能保证完成设计的要求。图2-2正交检波的MATLAB仿真图4-3是在FPGA环境下，对单通道的RF信号进行利用数字正交检波得到的两路基带信号和信号数据进行传统的分别求平方和后再调用FPGA自带的硬核开方函数后得到的包络结果。从图4-3中看出，和图4-2中MATLAB下得到的结果相比误差较大，尤其是小幅度处的包络检测效果不佳。 图2-3 FPGA调用硬核中开平方函数求正交检波的结果图2-4中，在FPGA里对RF数字信号分别和、通道的本振信号相乘、然后通过低通滤波器滤除低频分量，得到两路正交的基带信号，利用得到的数字正交检波后两路基带信号和信号数据联合MATLAB实现仿真，在MATLAB中完成后面的平方和、开方运算。从结果中看出，只要避免调用FPGA自带的硬核开方函数，得到的结果就和理想的结果误差小。如果直接用Verilog HDL语言编写平方和、开方的代码进行操作，会增加算法的复杂度，同时消耗大量的资源。图2-4 FPGA实现正交检波部分MATLAB实现开方运算结果图2-5中，针对上述出现的问题，在FPGA中按照本设计中数字对数压缩和幅度提取相结合的方法，对每一条RF信号处理，得到其中一条扫查线的运算结果。红色的是数字正交和对数压缩后的结果，蓝色信号是动态滤波之后的RF数据。从图像中明显看出结果和原始数据的误差很小，可以实现动态的对数压缩的作用，增强感兴趣的信号，达到设计的目的和要求。图2-5对数压缩和幅度提取结合的FPGA结果小结：在数字化超声诊断设备中，对数压缩是用于压缩回波信号的动态范围，它是保证图像实现灰阶显示以突出有诊断意义的图像的基础。本设计中对整个数字正交检波电路处理中，充分利用了本振信号是周期函数这一特点，只需要计算出一个周期内的正弦、余弦值并利用FPGA内部的ROM分别存储。这样既可以减小数据的计算量，同时也节省了存储资源，有利于工程实现。正交检波环节中需要的低通滤波器的设计参照动态带通滤波器设计原理实现，得到的两路正交基带信号先不直接进行求平方和、开方运算，而是结合下一步数字对数压缩一起处理，避免了在FPGA中开方运算带了的误差。由于接收回波的数据动态范围大大超过现实需要，而对数压缩在FPGA上资源的消耗也是相当可观的，针对对数压缩本身的耗资源的缺点，设计中引入了查找表方法来实现对数压缩，用少量的存储模块换取大量的逻辑资源，仿真结果也表明达到了预期的要求。至此经