一种超声用的可变中心频率数字带通滤波器的FPGA设计

论文摘要

近年来,随着集成芯片制造技术的发展,FPGA在速度和集成度两方面得到了飞速的发展,由于它具有功耗低、体积小、集成度高、速度快、开发周期短、费用低、用户可以定义功能及可重复编程和擦写等许多优点,应用领域不断扩大,越来越多的电子系统开始采用可编程逻辑器件来实现数字信号处理。数字滤波作为数字信号处理技术的重要组成部分,广泛应用于图像处理、模式识别、语音、谱分析中。FIR滤波器的硬件设计主要采用专用的DSP芯片或FPGA实现。与基于软件处理的DSP芯片相比,FPGA具有并行的算术结构的突出优点,可以显著提高滤波器的数据吞吐率,FIR滤波器采用FPGA实现逐渐成为一种趋势。本文针对超声回波中心频率成分随探测深度的增加而出现下移的特点,设计了一个FIR型动态滤波器,用来自动选择超声回波信号中具有诊断价值的频率分量,并滤除体表部分以低频为主的强回声信号和深部以高频为主的干扰信号。设计分别采用了串行、直接并行、流水并行的设计方案,并对这三种方式的性能进行了比较。设计采用Xilinx公司的sapartan3系列器件,通过ISE和ModelSim对整个设计进行了综合和仿真。通过MATLAB对结果进行了分析,证明了所设计的FIR动态滤波器功能正确。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 国内外研究现状
• 1.2 B 超技术的发展
• 1.3 本文研究的目的与内容
• 第二章 FPGA 器件及其设计流程和开发工具
• 2.1 FPGA 的结构
• 2.2 FPGA 的设计流程
• 2.2.1 功能定义
• 2.2.2 设计输入
• 2.2.3 功能仿真
• 2.2.4 逻辑综合
• 2.2.5 综合后仿真
• 2.2.6 布局布线
• 2.2.7 布局布线后仿真
• 2.2.8 下载验证
• 2.3 FPGA 设计工具简介
• 2.3.1 Xilinx FPGA 设计必备工具——ISE
• 2.3.2 Xilinx 内嵌的综合工具——XST
• 2.3.3 仿真工具——ModelSim
• 2.3.4 实现工具
• 2.3.5 调试与加载配置工具
• 第三章 B 超原理及数字B 超成像系统简介
• 3.1 B 超的成像原理
• 3.2 生物组织对超声信号的响应
• 3.2.1 声束扩散
• 3.2.2 超声波的弹性反射
• 3.2.3 组织的吸收衰减
• 3.3 数字B 超成像系统简介
• 第四章 可变中心频率数字带通滤波器的设计
• 4.1 滤波器的相关理论
• 4.2 动态滤波器的具体设计
• 4.2.1 方案确定
• 4.2.2 参数提取
• 4.2.3 滤波器系数的量化
• 第五章 基于FPGA 的动态滤波器设计
• 5.1 动态滤波器的实现结构
• 5.2 动态滤波器的模块划分
• 5.2.1 分频模块
• 5.2.2 FIR 滤波器模块
• 5.2.2.1 FIR 滤波器的串行实现
• 5.2.2.2 FIR 滤波器的直接并行实现
• 5.2.2.3 FIR 滤波器的流水并行实现
• 5.2.2.4 三种滤波方案的比较和选用
• 5.2.3 单口ROM 模块
• 5.2.4 顶层模块
• 5.3 基于FPGA 的综合与仿真
• 5.4 FPGA 设计中各种因素的影响
• 5.4.1 有限字长的影响
• 5.4.2 毛刺的影响
• 5.4.3 时钟歪斜
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 发展
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果