（生物医学工程专业论文）基于分布式算法实现高频超声信号动态滤波的研究.pdf

删甥炒 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得主国匡堂叠堂隆皇垦室垫垄匡堂隆或 其他教育机构的学位0 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：夺讧鹜 签字日期： 砂p 年乡月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解主垦堕堂盈堂瞳兰垦室垫垒匡堂堕有关保 留、使用学位论文的规定。特授权主国堕堂盘堂堕兰垦室垫垒匡堂睦可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：巷他鹜 签字日期： 加f 口年岁月2 ，7 日 导师签名： 签字日期 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 摘要 超声诊断仪作为现代医学四大影像设备之一，在临床中得到了广泛应用。随 着电子技术的发展，小型化、智能化、全数字化成为超声诊断系统发展的必然趋 势。全数字化超声成像设备克服了传统模拟超声诊断设备易受干扰、性能不稳定、 精度较低等缺点，成为超声成像设备的一个重要发展方向。目前国内市场上的数 字化超声诊断仪由于自身平台、超声数据处理和超声成像实现技术的限制，在处 理速度、机器性能、稳定性、成像质量和功能扩展方面都有很多地方可以改进。 本课题就其动态滤波器的结构设计做了详细的讨论。 论文首先从理论上分析了滤波模块在全数字超声诊断系统中的重要应用，接 着对f i r 滤波器设计的关键技术：滤波器的基本结构、滤波系数的设计、基于分 布式算法的滤波器硬件结构等进行了详细的阐述，并结合目前广泛应用于超声系 统的f p g a 技术给出了实现方案。然后通过仿真验证，并对比各种滤波器结构的优 劣选出最适合处理高频超声信号的滤波器结构。最后以前面选出的基于全并行分 布式算法的级联型f i r 滤波器结构为基础，采用动态输入滤波系数的方法，实现 了能够运用于现有的全数字超声诊断系统中的动态滤波器，并将其下载到该系统 中，对仿组织超声体模块以及肝组织、颈动脉进行图像采集，获得了良好的效果。 本设计对全数字超声系统的动态滤波具有良好的实时处理能力，达到了预期的设 计要求，从整体上讲是对数字化超声系统的细化而有益的探索，对从事相关滤波 工作的技术人员有一定得借鉴意义。 关键词：全数字超声诊断仪，f i r 滤波器，分布式算法，动态滤波器，f p g a 中国医学科学院北京协和医学院硕十学位论文 a b s t r a c t u l 仃a s o n i cd i a 弘o s t i ca p p a r a t i l s ，舔o n eo ft 1 1 ef o u rm o d 锄i i n a g i i l ge q u i p m e i l t s ，i s 诵d e l y u s e di nc l i i l i c a l w i mt l l ed e v e l o p m 朗to fe l e c t r o n i ct e c l l l l o l o 西e s ，m “a n l r i z e d ，i i l t e l l i g 衄t ， 如l l 州i g i t a lu l n 粥o u n ds y s t e m sb e c o m et l l ei n 丽t a b l e 喃l do fd e v e l o p m e l l t o v e r c 咖i n gd e f t s i 1 1t l l et m d i t i o n a la n a l o ge ( 1 u i p m 饥t ，跚c h 孙s 锄s i t i 啊t ) rt oi n t a r i 谴e n c e ，u i l s 协b l ep e 1 0 衄a i l c e ，l o w a c c u r a c ya n ds o 蛐，t h e 龟l l y “g i t a lu l 姚s o i l i l dd i a 印o s t i ca p p 啪t i l sb e c o m 器觚i l l l p o r t 锄t d i l 优t i o no fd e v e l o p m 锄t n 0 wm e r ea r em a n yr e s t r i c t i o n si nt l l ef i l l l y 面西t a lu l 仃a s o u n di l l l a 舀n g e i e v i c 鹤o nm a r k e t i n g ，o w i l l gt o1 i m i t a t i o n so ft l l e i ro w np l a d o 衄s ，u l 昀s o n i cd a t ap r o c e s s i n ga i l d u l 仃觞o n i ci i i l a 西n gt e c l l l l o l o g y t h e r ei sal o to fr 0 o mt 0b ei m p r o v e di np r o c e s s i i l gs p e e d ，m a c h i n e p e r f o 眦a n c e ，s t a b i l i 以i m a g i | l gq u a l 蚵a n df l l n c t i o n a l 时e x t s i o n s ad e t a i l e dd i s c u s s i o no nt 1 1 e d y n 锄i cf i l t e rs t n l c t l l r ew 鹄p r e s e n t e di nm i sp a p 既 f i r s t l y ，t h ei m p o r t a n ta p p l i c a t i o n so ff i l t 舐n gm o d u l 骼i nd i g i t a lu l t i i a s o u n dd i a g n o s t i cs y s t 锄 w a sa i l a l y z e di nt h ep a p 盯s e c o n d l 弘s 帆豫l 砸t i c a lt e c i l n o l o 西e sh a db e e i le x p l a i n e d ，s u c ha sb a s i c f i l t 贸s t n l c t u r 懿，d e s i 弘o ff i l t e rc o e f f i c i e n t s ，h 盯d w a r ea r d 五慨劬燃b a s e d o nd i s t r i b u t e da l 鲥t h m a 1 1 ds oo n n 即w i t hf p g at e c l l i l o l o 飘h a r d w a r ea r c h i t e c t l l r 嚣o ff 瓜f i l t e r sw e r ed e s i 盟e d b y s i i i l u l a t i o n 觚dc o m p 碰s o nd u r i n gv a r i o u sf i l t e rs t n l c t u l e s ，i ts h o w e dt l l a tt l l eb e s tf i l t 盯s 仃u c t i l r e s u i t e dt 0h a n d i eh i 曲一骶q u e i l c yu l 锄s o n i cs i 弘a l ，w a st h ec 弱c a d ef i rf i l t e rs t m c t u r eb a s e do n p a r a l l e ld i s t r i b u t e da l g o r i l l l m w i n la t o v e - m e n t i o n e db e s tf i l t e ra n dm em e t l l o do fd y n 锄i ci n p u t c o e m c i e l l t s ，m ed y n a m i cf i l t e ru s e di nt l l e 如1 1 y - d i 百t a lu l n a s o u n dd i a 印o s t i ca p p a r a t i l sw a s d e s i g n e d 锄dd o w n l o a d e dt ot l l es y s t 锄t h c l lu l t r 懿o u n di m a g e so fu l t r a s o n i cb o d ys i m u l a t i o n m o d u l e ，t 1 1 el i v 盯a n dc a r o t i da n e r ) ，w e r eo b s e n ，e d d e s i g nr e q u i r e m e n t st o 吐1 e 允1 l 州i g i t a l u l 仃a s o u n ds y s t e m ，a n dg o o dr c a l t i m ed y n 砌i cf i l t e r i n gp e 晌锄a n c 髓w e r ea c h i e v e d o v e r a u s p e a k i n g ，m i sp a p e rw a sad e t a i l e da i l du s e 如le x p l o r a t i o nt od i g i t a lu 1 t r a s o u n ds ) r s t 锄，a n dt h e r e m u s tb ear e f e r e n c et ot l l ea s s o c i a t e ds t a f fw o r k i n go nf i l t 甜n g k e y w o r d s ：f h l l y d i 萄t a l u l 仃a s 0 u n dd i a 朗o s t i c a p p a m m s ，f i rf i l t d i s t r i b u t e da l g o d t h m ， d ) ，i l a m i c6 l t 盯f p g a i i i 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论i 1 1 本课题的研究背景与意义l 1 1 1 研究背景卜 1 1 2 研究意义2 1 2 研究内容及论文结构4 - 1 2 1 研究内容4 1 2 2 论文主要工作5 - 第二章基于f p g a 的实时f 瓜滤波器设计及关键技术7 2 1f p g a 技术及数字信号滤波处理7 2 1 1f p g a 技术7 2 1 2 数字信号滤波处理1 0 2 1 3 基于f p g a 的数字滤波器优势一1 1 2 2f i r 滤波器基础- l l - 2 2 。lf i r 数字滤波器的基本结构一1 3 2 2 2f i r 数字滤波器的设计1 5 2 3 实时信号处理一1 8 2 4f i r 滤波器设计的关键技术一2 0 2 4 1 浮点数与定点数- 2 0 2 4 2 量化效应及溢出处理2 0 - 2 4 3 面积与速度的平衡与互换2 1 2 4 4 毛刺信号及其消除- 2 2 - 2 4 5f p g a 中的时钟问题一2 3 第三章基于f p g a 的f i r 滤波器结构2 5 3 1 基于乘法器的f i r 滤波器结构2 5 3 2 分布式算法原理2 8 3 2 1 分布式算法基本原理2 8 3 2 2 基于分割表的改进分布式算法3 0 - 3 3 基于分布式算法的f i r 滤波器结构3 2 - 3 3 1 串行分布式结构- 3 2 3 3 2 并行分布式结构3 3 3 3 3 串并结合的分布式算法3 5 3 4 滤波功能仿真3 7 3 5 、结3 9 第四章全数字b 超诊断仪中动态滤波的f p g a 实现4 1 4 1 全数字b 超诊断仪中的动态滤波器一4 卜 v 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 4 2 动态滤波器的f p g a 实现4 2 4 2 1 滤波器系数的生成一4 3 4 2 2 动态分布式结构4 4 4 2 3 动态滤波器的结构4 7 4 3 结果分析4 9 第五章总结与展望5 3 参考文献5 5 硕士期间参与的科研工作与发表的文章5 9 致谢6 1 附录。6 2 v 1 中国医学科学院北京协和医学院硕仁学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景与意义 1 1 1 研究背景n 删 超声诊断仪作为现代医学四大影像设备之一，在临床中得到了广泛应用。随 着电子技术的发展，小型化、智能化、全数字化成为超声诊断系统发展的必然趋 势。 随着当今电子技术和计算机技术的发展，超声成像技术也有了很大的进步， 具有新功能的超声成像设备层出不穷。超声成像的新技术h 1 主要有：微电子制造技 术提高了探头阵元密度，增加响应频宽；计算机p c 平台能够提供快速灵活稳定的 开发应用系统；全数字化成像系统的推出使超声诊断仪更加稳定，图像更加清晰； 多普勒成像功能提供了更多关于血流的信息；另外，新一代超声造影剂的应用对 提高成像质量起到了重要的作用。采用了新技术的超声诊断仪为临床提供了更加 丰富的诊断信息，为疾病的早期诊断创造了有利条件。 全数字化超声成像设备克服了传统模拟超声诊断设备易受干扰、性能不稳定、 精度较低等缺点，成为超声成像设备的一个重要发展方向。最近几年，中、高档 彩超已完全实现从模拟数字混合式向全数字化过渡，便携式黑白超和高档全功能 黑白超也更是大量采用了数字化技术。 超 声 探 头 数字绽 码发射 隔离前 置预放 显示 鍪h 墨卜 臆耻雁 图1 1 全数字化超卢系统原理图 一 一态波登压 筐卜 讨峨争翱 中国医学科学院北京协和医学院硕：t 学位论文 如图1 1 所示，在全数字化超声系统中，发射通道：超声发射采用的是数字 编码方式，发射延时不再是模拟延时线，而是通过f p g a 产生的数字延时，延时精 度与模拟延时线相比提高很多，并且易于控制。接收通道：回波信号经过隔离前 置预放和整序控制之后，立即通过高速高位a d 进行采样，后面的t g c 补偿、波束 合成器、动态滤波、正交包络检波、对数压缩等信号处理全部采用数字信号处理 方式实现，使得上述处理的实现变得灵活而精准，克服了模拟方式处理中固有的 器件参数不准确、各通道参数不统一等问题，较大幅度地提高了整个系统的性能。 下面的数字图像处理部分虽然模拟超声系统也存在，但是由于发射与接收通道数 字化技术的采用，全数字化超声系统在进行图像处理之前得到的人体的回波信息 更丰富，更接近人体的真实情况，所以全数字化超声系统中的数字图像处理会避 免因信息本身存在失真而引入额外噪声，采用高性能d s p 芯片处理进行先进的图 像处理算法后，也会提高整个系统的成像效果。因此，经过在发射通道、接收通 道和数字图像处理中技术的提高，全数字化超声系统与模拟系统相比，整机性能 得到大幅度提高。 目前国内市场上的数字化超声诊断仪由于自身平台、超声数据处理和超声成 像实现技术的限制，在处理速度、机器性能、稳定性、成像质量和功能扩展方面 都有很多地方可以改进。随着高科技的迅速发展，医学影像诊断对图像质量和分 辨率要求越来越高，超声诊断仪的诊断范围和信息量不断扩充。近年来一个研究 热点是如何使超声成像更加清晰，反映出更多的组织特征。要完成这个目标，超 声回波信号的前期处理是一个非常重要的环节，作为信号处理的一个关键模块， 承担着带通滤波、包络检波和边缘增强等功能1 的数字滤波器更是不可或缺的。一 个性能良好、运算速度高且节省硬件资源的滤波器对实现超声诊断设备智能化、 小型化、重量轻、功耗低、便携式目标起着极其重要的推动作用。 本课题采用了先进的f p g a 硬件平台，针对全数字超声成像系统本身的需求， 就其动态滤波器的结构设计做了详细的讨论。 1 1 2 研究意义 数字滤波器通过对采样数据信号进行数学运算处理来达到频域滤波的目的， 应用最为普遍的数字滤波器就是线性时不变( l i n e a rt i m ei n v a r i a n t ，l t i ) 滤波 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 器。l t i 数字滤波器又分为ii r 数字滤波器和f i r 数字滤波器两大类，这两类滤波 器广泛应用于数字信号处理系统中。在图像处理以及数据传输等领域都要求信道 具有线性相位特性，由于f i r 滤波器具有稳定性、因果性、线性相位等特性，因 此在这些领域中得到了广泛应用。 在国内外的研究中，设计f i r 滤波器所涉及的乘法器运算方式有：并行乘法、 位串行乘法和采用分布式算法的乘法。并行乘法虽然运算速度快，但占用的硬件 资源极大，如果滤波器的阶数增加，乘法器位数也将变大，使用乘法器的硬件规 模将变得十分庞大。而位串行乘法器的实现方法主要是通过对乘法运算进行分解， 用加法器完成乘法的功能，这种方式虽然使得乘法器的硬件规模达到了最省，但 是由于串行运算，使得它的运算周期过长，速度与规模折中考虑时不是最优的。 分布式算法的主要特点是巧妙的利用r o m 查找表将固定系数的乘累加运算转化为 查找表操作，它与传统算法实现乘累加运算的不同在于执行部分积运算的先后顺 序不同。分布式算法在完成乘累加功能时是通过将各输入数据每一对应位产生的 部分积预先进行相加形成相应的部分积，然后再对各个部分积累加形成最终结果， 而传统算法是等到所有乘积已经产生之后再来相加来完成乘累加运算的。就小位 宽来说，分布式算法设计的f i r 滤波器的速度可以显著的超过基于乘法器的设计。 相对于前两种方法，分布式算法既可以全并行实现，又可以全串行实现，还 可以串并行结合实现，可以在硬件规模和滤波器速度之间作适当的折中，是现在 被研究的主要方法。 f i r 数字滤波器的实现，大体可以分为软件实现和硬件实现方法两种。软件实 现方法即是在通用的微型计算机上用软件实现。利用计算机的存储器、运算器和 控制器把滤波所要完成的运算编成程序通过计算机来执行，软件可由使用者自己 编写，也可以使用现成的。但是这种方法速度慢，难以对信号进行实时处理，虽 然可以用快速傅立叶变换算法来加快计算速度，但要达到实时处理要付出很高的 代价，因而多用于教学与科研。硬件实现即是设计专门的数字滤波硬件，目前主 要的方法有采用d s p 处理器和采用固定功能的专用信号处理器来实现。前者成本 低且速度较快，灵活性好，但由于软件算法在执行时的顺序性，限制了它在高速 和实时系统中的应用；后者可以提供很好的实时性能，但是其灵活性差，研发周 期长，难度也较大。 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a 咖a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 的出现为数字信 号处理提供了一种新的实现方案，分布式算法可以很好地在f p g a 中实现，所以采 用f p g a 使用分布式算法实现f i r 数字滤波器既兼顾了a s i c 器件的实时性，又具 有d s p 处理器的灵活性，有着很好的发展前景。但是分布式算法中的查找表的规 模随着f i r 数字滤波器阶数的增加呈指数增长，而且随着滤波器系数位数的增加， 查找表的规模也会增加，这将极大的增加设计的硬件规模。 在超声显像中，人体软组织对超声的衰减与频率大致呈线性关系。这是因为 随着深度的增加，高频成分的衰减要比低频成分的衰减大，当探测深度较大时， 高频成分甚至不能到达介质的深部便已经全部被吸收了。因此，在近场有价值的 是高频成分，低频成分在近场有强回声，过强的低频分量会严重影响近场的分辨 力，应该滤除；而在远场，有价值的是低频成分，高频成分已经衰减殆尽，噪声 已经成为高频的主要成分，应该滤除。这就需要一组随深度变化的滤波器来滤除 不同深度的噪声。对于有限的系统资源而言，设计能够实时处理回波信号，而又 占用资源相对较少的动态滤波器，具有极其重要的意义。 1 2 研究内容及论文结构 1 2 1 研究内容 鉴于全数字超声信号处理系统，在多个环节都需要数字滤波处理，本设计在 f p g a 硬件基础上，应用v h d l 硬件描述语言，将传统的基于乘法器的f i r 滤波器与 基于分布式算法的f i r 滤波器做了比较，选出运算速度高、耗费资源少的基于分 割表技术的分布式算法f i r 滤波器来完成滤波工作。 基于分布式算法的f i r 滤波器有串行、并行和串并结合的结构，同时还可以 借助流水线，分割表等技术对各种结构进行进一步的优化。因此本设计着重对上 述结构分别进行设计及仿真验证，从中选出最能满足设计需求的结构来设计动态 滤波器。 最后，将设计的f i r 动态滤波器应用于全数字超声诊断系统中，完成动态滤 波器工作。通过采集到的超声图像，与常值滤波器比较，证明设计完成的动态滤 波器的可行性和有效性。 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 1 2 2 论文主要工作 本论文讨论了利用f p g a 器件实现应用于全数字超声回波信号动态滤波过程的 f i r 滤波器的研究过程，所做的主要工作如下： 第一章首先从全数字超声诊断仪当前的发展需求讲起，讨论了数字滤波器模块 在其发展过程中的重要作用；同时介绍了课题具体的研究内容和论文的结构安排。 第二章一方面详细介绍了f p g a 技术及其设计f i r 滤波器的优势；另一方面介 绍了本论文涉及到的f i r 滤波器的概念及设计方法；同时介绍了在f i r 滤波器设 计过程中的需要注意的关键技术及解决方法。 第三章主要对基于f p g a 的f i r 滤波器结构作了详细的研究，通过仿真实验证 明了各种结构的可行性，并分析比较了各种结构的优缺点。 第四章在前一章分析比较的基础上，选用了最适合全数字超声诊断仪信号处理 的f i r 滤波器结构，借用动态查找表的概念，设计了一个由6 4 组3 2 阶f i r 滤波 器组成的动态滤波器；接着将该动态滤波器模块和常值滤波器分别移植到全数字 超声诊断系统后，提取超声图像；比较用上述两种滤波方式提取的仿组织超声体 模回波图像，证明该设计的有效性。 第五章对论文中的工作进行了总结以及将来工作的展望。 中国医学科学院北京协和医学院硕七学位论文 第二章基于f p g a 的实时f i r 滤波器设计 及关键技术 2 1f p g a 技术及数字信号滤波处理 2 1 1f p g a 技术睁矧 f p g a 器件( f i e l dp r o g r 锄a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 一用户现场可编程门阵列 集成电路是2 0 世纪8 0 年代中期出现的一种新概念，是倍受现代数字系统设计工 程师欢迎的最新一代系统设计积木块。f p g a 器件的产生将半定制的门阵列电路 ( a p p li c a t i o n s p e c i f i e di n t e g r a t e dc i r c u i t ，a s i c ) 的优点和可编程逻辑器件 ( p r o g r a ml o g i c a ld e v i c e ，p l d ) 的用户可编程特性结合在一起，使其不仅包含大 量的门电路，具有高速度，使设计的电子产品达到小型化、集成化和高可靠性， 而且器件具有用户可编程特性，大大缩短了设计周期，减少了设计费用，降低了 设计风险。 f p g a 作为最新一代的可编程逻辑器件，为系统设计人员提供了一条研制开发 大型系统的有效捷径，f p g a 正在被看作是电路器件和电路设计上的一场革命。f p g a 单片中的等效逻辑门可达到百万，i o 引脚最多可达l 0 0 0 以上，密度极大。f p g a 的结构灵活，它的逻辑单元、互连资源和i o 单元都可以由用户编程，实现任何 逻辑功能，满足各种设计要求。 f p g a 的开发工具十分先进。在用f p g a 进行系统设计时，用户所做的工作可 以仅用计算机绘制出系统的电路原理图，其余的工作都可以由开发系统来自动完 成。多数f p g a 都既能重复编程，又可以重复使用，还可在开发系统中直接进行仿 真。所以，使用f p g a 没有前期投资风险，也没有工艺实现中的损耗。f p g a 的特点 是速度快、功耗低、通用性好、适应性强，它不仅可以代替传统的数字集成电路， 而且还可以代替一般的可编程逻辑器件和半定制的专用集成电路，特别适用于复 杂系统的设计。使用f p g a 可以非常大的减小硬件规模，降低设计成本，缩短设计 周期，提高系统的可靠性、灵活性和保密性。 与其他p l d 相比，f p g a 内部不仅有可编程的i o 模块和逻辑功能模块，更重 7 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 要的是其内部是由开关矩阵实现的可编程的互连资源，因此f p g a 具有更大的设计 灵活性。f p g a 的出现是v l s i 和计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 技 术发展的结果，f p g a 将逻辑控制部分带入v l s i 的水平，使医疗设备数字系统 d s p ( d i g it a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 器件、存储器件和f p g a 器件3 个模块实现。 使用f p g a 器件可以大大缩短医疗设备的研制周期，减少资金投入，将原来的电路 板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性，同时还可以很方 便地对设计进行在线修改。另外，因为f p g a 具有更大的设计灵活性，使得超声诊 断仪器的设计可以实现功能的个性化定制，从而使整个系统向着综合化、自动化、 定量化、多功能化及小型化的方向发展。因此f p g a 在医疗设备的产品设计、样机 开发和批量生产中得到了广泛应用。 可编程器件利用可编程技术实现数字逻辑系统。数字逻辑电路的基本单元是 基本逻辑门和触发器。可编程逻辑器件利用下面介绍的三种电路结构通过编程灵 活的配置基本的逻辑门和触发器实现数字逻辑电路。 ( 1 ) 组合逻辑的电路结构 组合逻辑的功能是最基本的数字逻辑功能，所有数字逻辑电路都可以用基本 组合电路实现。 根据编程技术的不同，主要采用两种组合结构：一种组合结构是基于可编程 只读存储器( p r o g r a 栅a b l er e a do n l ym e m o r y ，p r o m ) 的与或阵列结构，p r o m 的与 或阵列是根据与或逻辑表达式实现的与或逻辑功能的电路。与或阵列结构中输入 到输出的传输延迟时间不是固定的，所实现的逻辑功能不同，传输延迟时间就不 同。另一种组合结构是基于s i 础的查找表结构，查找表结构是根据真值表实现逻 辑运算的逻辑功能电路，其基本原理是利用查找真值表的方法事先输入逻辑值与 输出逻辑值的对应关系。由于查找表结构是采用静态随机存取存储器( s t a t i c r a n d o ma c c e s sm e m o r y ，s r a m ) 数据读取方式实现逻辑函数的，所以对所实现的函 数无论有多少最小项，查找表结构的传输延迟总是固定的，即等于s r a m 数据读取 时间，而与所实现的逻辑功能的复杂程度无关。 ( 2 ) 时序逻辑的电路结构 为了支持时序电路结构，f p g a 中采用了专门的宏单元结构。宏单元是一个由 可复位置位触发器和多路选择开关组成的模块，这个模块的特点就是为逻辑运算 中国医学科学院北京协和医学院硕上学位论文 单元提供了一个比较灵活的触发器电路，因此可以用来实现时序电路。 由于不同的f p g a 所使用的宏单元有所不同，因此，不同的器件所使用的编程 方法会略有不同。但总的目的都是相同的，就是提供在系统时钟控制下工作的基 本逻辑运算、触发器以及相应的控制信号和反馈信号。 ( 3 ) 输入输出结构 输入和输出引脚的功能是提供相应的功率驱动能力以及相应的功率驱动能力 以及相应的保护电路。 输入输出电路模块是可编程逻辑器件外部封装引脚与内部逻辑电路之间的 接口，每个输入输出电路模块对应一个外部引脚，通过对输入输出电路模块的 编程可以将外部引脚定义为不同的类型，如输入引脚、输出引脚、输入输出引脚。 一般f p g a 的开发大体有如下几个步骤： 设计输入一 功能仿真一 代码综合一 实现一 下载。 其中最重要的显然是设计部分，因为产品的功能就是在设计上体现出来的； 而仿真主要针对设计，采用e d a 工具进行波形仿真，只有波形仿真通过才能说明 设计的正确性与合理性：综合主要是将用h d l 语言所作的硬件描述对应到f p g a 芯 片上的单位逻辑电路上；实现是将综合后生成的逻辑网表与具体的f p g a 相适配； 最终生成的位流文件通过某种下载途径下载到f p g a 中。 使用系统级的高层次设计方法，设计人员不需要首先考虑电路细节，而把精 力集中在创造性的方案与概念构思上，并将其输入到e d a 系统中自动完成设计， 使产品的周期大大缩短。下面是在可编程逻辑器件上进行自顶向下系统设计时的 一般流程和具体设计步骤： ( 1 ) 任务划分：描述系统需要实现的功能，建立子系统模型，进行模块划分、模 块功能定义和接口设计 ( 2 ) 设计输入：使用原理图、框图、状态图等进行设计输入现在一般用h d l 文 本输入作为最普遍的输入方式。 ( 3 ) 编译：编译阶段可以使用软件查找自动设计中的错误如语法错误、二义定义 等等。同时将链接设计输入中包含的库文件，实现模块到子系统、子系 统到系统之间的装配，生成标准的h d l 文件。 ( 4 ) 综合和适配：综合的作用是对源代码进行优化处理，生成门级描述的网表文 中国医学科学院北京协和医学院硕上学位论文 件，是将高层次设计转化为硬件电路的关键。因为综合的输出对象是 具体的硬件电路实现，所以需要相关厂家综合库的支持才能完成。 ( 5 ) 将适配器产生的器件编程文件通过编程器或下载电缆载入到f p g a 或c p l d 中，完成具体的电路实现。 在整个e d a 设计流程中，视不同的情况，可在不同的设计阶段通过仿真技术 来验证设计、实现的正确与否和性能指标。对于大型系统的设计，全系统的自动 综合、适配过程往往要花费大量的时间。如果仿真后发现系统的功能或者性能达 不到设计要求，需要反向查找设计中的错误、不足，修改设计或优化方案，再次 花费大量的时间综合、适配生成系统。而自顶向下的设计方法和结构化系统设计 可以很好的避免这样的重复劳动，加快设计速度，大大缩短产品的研制周期。 2 1 2 数字信号滤波处理 2 0 世纪6 0 年代，数字信号处理理论得到迅猛发展，其理论体系和框架逐渐 趋于成熟，到现在它已经成为一门独立的数字信号处理学科，并且在许多应用领 域数字信号处理系统逐步代替了传统的模拟信号处理系统。长期以来，数字信号 处理技术一直用于转换或产生模拟或数字信号，其中应用最频繁的领域就是信号 的滤波n 钔。研究数字滤波器的动机就在于它们正日益成为一种主要的d s p 操作。 数字滤波器正在迅速的代替传统的模拟滤波器，后者是利用r l c 元器件和运算放 大器实现的，会有电压漂移、温度漂移和噪声等问题，而数字滤波器不存在这些 问题，因而可以达到很高的稳定度和精度。 数字滤波器通常都是应用于修正或改变时域或频域中信号的属性。最为普通 的数字滤波器就是线性时间不变量( 1 i n e a rt i m e i n v a r i a n t ，l t i ) 滤波器n 。l t i 与其输入信号之间相互作用，经过一个称为线性卷积的过程。表示为y = f 宰x ，其 中f 是滤波器的脉冲响应，x 是输入信号，而y 是卷积输出。 线性卷积过程的正式定义如下： m 刀】- 虹，z 】拳厂 咒】= 札，l 】九万一七】= 虹挖一n 厂【后】 七七 l t l 数字滤波器通常分成有限脉冲响应( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ，也就是 f i r ) 和无限脉冲响应( i n f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e ，也就是i i r ) 两大类n 2 1 。顾名 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 思义，f i r 滤波器由有限个采样值组成，将上述卷积的数量降低到在每个采用时刻 为有限个。而i i r 滤波器需要执行无限数量次卷积。模拟原型设计只能应用在工i r 设计之中，而f i r 通常采用直接的计算机规范和算法进行分析的。 i i r 滤波器的最大优点是可取得非常好的通带与阻带衰减，还可以得到准确的 通带与阻带边缘频率，且滤波时需要的计算量较少；缺点是不具有线性相位，且 存在不稳定性问题。而f i r 滤波器最大的优点就是可取得线性相位且不存在不稳 定问题，能够很好地满足信号及图像处理过程中对滤波实时性和线性相位的需求。 数字滤波器的好坏对相关的众多工程技术领域影响很大，一个好的数字滤波 器会有效的推动众多工程技术领域的技术改造和学科发展口引。所以对数字滤波器 的工作原理、硬件结构和实现方法进行研究具有一定的意义。 2 1 3 基于f p g a 的数字滤波器优势 数字滤波器是通过采用数值运算的方法来达到滤波目的的，数值运算可以通 过计算机编写软件来实现；可以通过普通的硬件组合来实现；也可以用专用的d s p 芯片来实现；还可以通过v h d l 等硬件描述语言的设计，用f p g a 实现。然而数 字滤波器的应用场合大部分都要求实时处理，有的还要进行复杂运算，基于传统 的d s p 器件的数字滤波器实现方法，在速度上总不能在多方面如人所愿。以8 阶 8 位f i r 滤波器为例n 引，用d s p 芯片实现的f i r 滤波器的工作速度只局限在每秒 5 6 兆左右，离要求较高的实时处理还有较大距离；而目前用a s i c 实现的专用 f l r 滤波器芯片也只能达到3 0 兆左右，仍满足不了实时处理；对于高阶的f 瓜滤 波器就更不用说了。相比之下，在速度方面，f p g a 表现出了特有的优势；实践表 明，用f p g a 来实现3 2 阶8 位的f 取滤波器速度可达每秒1 0 0 兆以上。 2 2f i r 滤波器基础 数字滤波器( d f ) 是个离散系统，它所处理的对象是用序列表示离散信号或数 字信号。d f 的因果离散系统函数可表示成： 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 玎，、萎6 ，z y ( z ) _ 7y ，_ 、 肌加连万5 端l 一吼z 以 五l z j 其常系数线性差分方程为： 可以看出，数字滤波器是把输入和之前输出的序列经过一定的运算变换成输 出的序列。大多数普通的数字滤波器都是l t i 滤波器，对于f i r 系统，其系统函 数仅有零点( 除z = o 的极点外) ，因此f i r 系统的差分方程可以表示为： ， 少( ，1 ) = 6 ( 厂) x ( 托一厂) 式( 2 4 ) 肘 转移函数日( z ) = 6 ( ，) z ”( 式( 2 5 ) ) 也可来描述，显然，b ( r ) ( r = o ，1 ，m ) ， 分别等于该系统的单位抽样响应h ( r ) ( r = 0 ，1 ，m ) 。 由式( 2 4 ) 式可知，系统的脉冲响应是因果序列，因为其输出仅与即时输入以 及过去的输入数据有关，而与过去的输出数据没有直接的关系，所以f i r 滤波器 是因果的，是物理可实现的系统，因而它在实际中往往采用非递归( 无反馈作用) 形式的结构来实现，人们把用非递归形式实现的f i r 滤波器叫做非递归型滤波器。 而且，由( 2 4 ) 式还可以知道，此系统的脉冲响应是绝对可加的，所以f i r 滤波器 总是稳定的。 f i r 滤波器相对于i i r 滤波器有很多独特的优越性，在保证满足滤波器幅频响 应的同时，还可以获得严格的线性相位特性。对于非线性f i r 滤波器一般可以用 i i r 滤波器来替代。由于在数据通信、语音信号处理、图像处理以及自适应等领域 往往要求信号在传输过程中不允许出现明显得相位失真，而i i r 存在明显的频率 色散问题，所以f i r 滤波器得到了更广泛的应用n 。因此本设计选用f i r 滤波器 来处理超声信号。 、_ 、 r一以 ，- 、 x 以 m 脚 + 、 七 一聆 ，- i 、y i 口 心 = 、 n ，ly 中国医学科学院北京协和医学院硕t = 学位论文 2 2 1f i r 数字滤波器的基本结构- l 叼 f i r 系统也有不同的结构形式，主要有直接型、线性相位f i r 滤波器、级联型、 频率采样型以及格型结构，它们表示了系统的不同实现方法。级联型结构每一节 控制一对零点，因而在需要控制传输零点时可以采用，但相应的滤波系数增加， 乘法运算次数增加，因此需要较多的存储器，运算时间也比直接型增加；频率采 样结构虽然计算量少于直接型结构，但其系数不便于借助m a t l a b 工具箱来直接设 计；格型结构则被广泛应用于语音处理和自适应滤波器的实现中。下面对直接型、 线性相位f i r 滤波器结构分别加以讨论。 1 直接型结构 图2 1 给出了n 阶l t i 型f i r 滤波器的图解。可以看出f i r 滤波器是有一个抽 头延迟线 加法器和乘法器的集合构成的。传给每个乘法器的操作数就是一个f i r 系数，显然也可以称作“抽头权重 。因此该结构也称为“横向滤波器 。 ： 图2 1 直接型结构的f i r 滤波器 直接f i r 模型的一个变种称为转置式f i r 滤波器，它是根据转置定理n 力定义如 果将网络中所有支路的方向倒转，并将输入x ( n ) 和输出y ( n ) 互换，则其系统传 递函数h ( z ) 不变。其转置结构见图2 2