### 一种超声回波信号的数字正交检波方法及FPGA实现
#### 摘要
本文提出了一种新型的数字正交检波技术，并详细介绍了如何使用现场可编程门阵列（FPGA）来实现超声系统的波束形成器中的超声回波信号的数字正交检波方法。此技术能够有效地提取信号的幅度和相位参数，同时保留信号包络中的所有信息。文中不仅提供了FPGA内主要模块的具体实现细节，还展示了系统的仿真结果。实验和仿真结果表明，该方法能够显著提高超声图像的空间分辨率和对比度。
#### 关键词
- 数字正交检波
- 现场可编程门阵列（FPGA）
- 低通滤波器（LPF）
#### 引言
在B型超声成像系统中，探头回波信号的幅度提取对于映射成相应的灰度以供成像显示至关重要。传统上，通过包络检波提取回波信号的幅度，但这会导致信号的相位信息以及回波信号中的频谱信息丢失。相比之下，正交检波技术不仅可以实现信号幅度和相位信息的同时提取，还能保留信号复包络中的所有信息，从而获得更丰富的图像信息。
随着高速器件制造技术和数字信号处理技术的发展，直接对低、中频信号进行采样处理（即数字正交包络检波技术）逐渐取代了传统的模拟正交解调方法。这一技术在雷达、声纳、移动通信等领域中已得到广泛应用。然而，在国内，将数字正交包络检波技术应用于超声成像的情况相对较少。本文将介绍一种基于FPGA实现的超声回波信号数字解调方法，并通过实验验证了其有效性。
#### 1. 模拟正交检波及其缺陷
模拟正交检波原理如图1所示，其中输入信号为中频(IF)信号。在中频(IF)段，使用模拟正交检波方法获得信号的同相分量(In-phase Components)和正交分量(Quadrature Components)。这两路信号随后通过低通滤波器进行滤波，最后进行模数转换(A/D变换)以获取信号的数字表示。
**图1：模拟正交检波原理框图**
然而，这种方法存在一些明显的缺点。主要是由于乘法器和低通滤波器本身的一致性不佳，很难确保正交两路具有精确的幅度一致性和相位正交性。这可能会导致检测到的信号质量下降，从而影响最终的图像质量。
#### 2. 数字正交检波方法
为了克服模拟正交检波的局限性，提出了数字正交检波方法。这种方法利用FPGA的强大处理能力，可以在数字域内精确控制信号的正交性和幅度一致性，从而提高了信号处理的准确性和可靠性。
##### 2.1 基本原理
数字正交检波的基本思想是将输入信号分解为两个正交的分量，即同相分量（I分量）和正交分量（Q分量）。这两个分量可以通过以下步骤获得：
1. **信号采样**：对输入的中频信号进行高速采样。
2. **正交混频**：使用数字混频器将采样的信号与本地参考信号相乘，得到I分量和Q分量。
3. **低通滤波**：对I分量和Q分量分别应用数字低通滤波器以去除不需要的高频分量。
4. **信号重建**：根据I分量和Q分量重建信号的幅度和相位信息。
##### 2.2 FPGA实现
在FPGA中实现数字正交检波的关键在于设计高效且精确的数字混频器和数字低通滤波器。这些模块的设计需要考虑实时性和资源利用效率之间的平衡。
- **数字混频器**：使用高速乘法器和相位旋转器实现，确保信号的正交性和一致性。
- **数字低通滤波器**：采用有限脉冲响应（FIR）滤波器设计，保证信号的质量。
#### 3. 实验结果
通过对超声回波信号进行数字正交检波处理，并与传统的模拟正交检波方法进行比较，结果显示，数字正交检波技术能够显著提高超声图像的空间分辨率和对比度。此外，FPGA的使用也极大地提高了系统的稳定性和灵活性。
#### 结论
本文提出了一种基于FPGA实现的超声回波信号数字正交检波方法。该方法通过在数字域内精确控制信号的正交性和幅度一致性，有效地解决了模拟正交检波技术中存在的问题。实验结果表明，这种方法能够显著提高超声图像的质量，为超声成像技术的发展提供了新的方向。
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通过以上内容，我们可以看到数字正交检波技术在超声成像领域的巨大潜力。利用FPGA实现数字正交检波，不仅提高了信号处理的准确性和可靠性，还大大增强了系统的稳定性和灵活性。随着技术的进步，预计这种方法将在未来的超声成像系统中发挥越来越重要的作用。
