基于DSP的超聲編碼激勵發(fā)射分析

現代超聲醫學(xué)成像系統采用編碼激勵脈沖序列來(lái)替代單一脈沖作為發(fā)射信號[3]，這降低了發(fā)射脈沖的峰值。在接收信號時(shí)經(jīng)過(guò)相關(guān)解碼電路探測到人體深部的微弱回波信號，選擇一組二值自相關(guān)性好的編碼序列(如GOLAY互補序列對)，將其作為超聲編碼激勵成像系統的發(fā)射編碼，來(lái)達到提高圖像的信噪比和穿透力，實(shí)現動(dòng)態(tài)超聲圖像的實(shí)時(shí)處理。

　　本文以GOLAY碼互補序列對為例研究了基于DSP的超聲編碼激勵發(fā)射。實(shí)驗數據表明信號信雜比SCR≈31dB，已經(jīng)滿(mǎn)足醫學(xué)超聲成像的要求。

　　1 GOLAY碼互補序列對

　　1.1 采用GOLAY互補序列對模型

　　GOLAY互補序列對定義[4]：一對由兩種元素構成的等長(cháng)有限序列，且在任何給定間隔下，一個(gè)序列中的相同元素對的個(gè)數等于另一個(gè)序列中的相異元素對的個(gè)數。數學(xué)語(yǔ)言描述如下：設有一對長(cháng)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。其非周期自相關(guān)函數分別為：

　　則稱(chēng)序列A和序列B互補，或稱(chēng)A、B為互補序列。二相互補序列長(cháng)度為N必須是偶數，且為兩個(gè)完全平方數之和。

　　1.2 GOLAY互補序列對自相關(guān)

　　要發(fā)射的是128位GOLAY碼互補序列對，設探頭的中心頻率為5MHz，則GOLAY碼脈寬為100ns，128位需要128×100ns=12.8μs。這里構造GOLAY互補對分別為A、B(各自長(cháng)度為128bit)，其自相關(guān)后數據圖如圖1所示。

　　由圖1可以看出，采用GOLAY碼互補序列對作為發(fā)射激勵碼，自相關(guān)之后求和，旁瓣已經(jīng)完全消失。其各自的回波自相關(guān)也具有這樣的特性。所以，采用GOLAY碼互補序列對，其信號穿透力強，圖像信噪比高。

　　2 系統整體設計

　　2.1 采用DSP理論模型

　　TMS320F2812是TI公司推出的功能強大的32位定點(diǎn)DSP芯片。該芯片處理能力強、運算速度高，具有豐富的片內外設，如內部看門(mén)狗、CAN、MCBSP、SCI、ADC、集成Flash等。該處理器芯片主要用于家電產(chǎn)品、工業(yè)控制等高性能的應用領(lǐng)域。

　　本文使用TMS320F2812[5]作為發(fā)射編碼的主控芯片，使用多通道緩沖串口(McBSP[6])完成連續128位編碼的發(fā)射，并且發(fā)射速率可以隨時(shí)修改，以適應不同頻率的超聲探頭(一般探頭有3.5MHz、5MHz等)。編碼通過(guò)DSP的MDXA口發(fā)送到超聲脈沖電壓放大板進(jìn)行電壓放大。放大的電壓送入探頭換能器進(jìn)行電聲轉換，超聲在組織內的回波被超聲探頭換能器接收進(jìn)行聲電轉換，之后信號進(jìn)行放大并驗證波形。

　　2.2 系統硬件設計

　　系統時(shí)鐘為30MHz，因為T(mén)MS320F2812可以工作在150MHz，所以要想全頻率工作，PLL需要5倍頻率，即30MHz×5=150MHz；JP3為McBSP多引腳，其中用到了MDXA口，其他引腳在該發(fā)射編碼程序中暫且不用。引腳SPICLKA、SCITXDA、SPISTEA、MDXA還具有跳線(xiàn)設置功能，只有當SCITXDA設置為高電平，系統從FLASH開(kāi)始執行程序。該芯片內部集成了看門(mén)狗，方便調試、節省資源。XMP/MC一般拉地，則該芯片就可認為是微計算機器狀態(tài)，無(wú)須外擴FLASH和RAM。

　　連續128位的編碼激勵信號經(jīng)過(guò)DSP的MDXA口發(fā)出之后，送入SN75372非門(mén)進(jìn)行電壓提升。提升的電壓可以驅動(dòng)IRFU420 NMOS管，在MOS管源極下拉電阻并在源極處取電壓送入探頭。當開(kāi)始產(chǎn)生回波信號時(shí)，NMOS截止，回波信號送入運算放大器AD8048同向放大，放大倍數為。為了改善放大部分的波形，在運放輸出端加小電容濾波，去除尖銳沿，如圖2。