一种用于超声多普勒回波信号解调的单通道乘法器电路*

刘帅帅，彭虎

(合肥工业大学生物医学工程系，合肥 230009)

1 引 言

超声检测因其高灵敏、无损伤、方向性强以及操作简单、适用周期长等特点，在临床医学中有着广泛的应用[1-6]。超声多普勒胎心监护[7-12]和超声多普勒血流速度测量[13-14]是该技术在临床医学中的典型应用。根据多普勒原理，超声波照射在运动物体上时，回波信号中会携带有运动物体的状态信息。因此，从多普勒回波信号中提取出物体运动的频移信号后，便可通过数据处理得到物体的运动信息。

目前，对超声多普勒频移信号的获取多采用正交解调的方法[15-17]。正交解调需要两路在性能上完全一致的模拟乘法器，以及两路同频、等幅、相位相差90度的载波信号，否则将严重影响多普勒信号的提取，降低测量精度[13]。正交解调电路复杂度高[18]，且需要对两路输出信号同时进行模数转换，增加了AD转换的开销和后续数据处理的工作量[19]。正交解调芯片如AD8333、AD8347[20]等价格昂贵，对外围电路要求高，因此，一块完整的正交解调模块设计复杂、价格昂贵。为克服正交解调的不足，本研究提出了一种结构简单、精度高、数据量小、成本低廉的单通道乘法器电路，并在实验室开发的多普勒信号模拟装置[21]的基础上设计实验，对电路有效性进行了验证。

2 系统结构

超声多普勒回波信号中携带着运动物体的状态信息，为得到目标物体的运动状态，需要对回波信号进行前置放大、解调、低通滤波、数模转换、DSP等流程处理。

2.1 前置放大电路

超声换能器接收到的超声多普勒回波信号幅度较小，一般只有毫伏级别[22]。因此，在将信号送入乘法器解调之前，需要先经过前置放大器进行幅度放大。本研究设计的前置放大电路见图1。

设计采用AD9631芯片对回波信号进行放大，该芯片具有出色的噪声性能和宽带范围，能够在接收周期内保持极低的失真。超声多普勒回波信号是典型的窄带信号，为减少干扰，在放大器的输入端设置了带通滤波器。同时，为了提高放大器模块的输入阻抗，减小后续电路对放大器的影响，采用同相放大器对回波信号进行101倍放大。

图1 前置放大电路

2.2 单通道乘法器

超声换能器接收到的回波信号中包含多种成分的反射波，解调的目的是从复杂的回波信号中提取出多普勒频移信号。本研究提出的单通道乘法器电路基本原理，见图2。

图2 单通道乘法器框图

单通道乘法器的一路输入为经前置放大器放大后，频率为f0+fd的超声多普勒回波信号；另一路则是频率为f1的简单正弦波。f0，f1满足如下关系：

f1>f0+|fdmax|

(1)

其中f0为发射信号频率，fd为多普勒频偏，fdmax为最大多普勒频偏。上述关系使得解调得到的频移信号的频率全部落在正频率范围内。

单通道乘法器采用AD835模拟乘法器作为主要芯片。AD835是一款单片250 M相电压输出的模拟乘法器[23-25]。其高输入阻抗可以使信号源的负载忽略不计，极低的输出阻抗可以使芯片驱动低至25 Ω的负载。AD835的功能框图见图3。

图3 AD835功能框图

AD835乘法器的两路差分输入X1、X2和Y1、Y2，结构完全独立、功能完全一致。该芯片提供了一个可实现求和功能的输入端Z，用于为输入端和输出端提供独立的接地参考。同时，AD835可以作为一个电压放大器工作，AD835的输出与输入关系见式(2)。

(2)

其中W为AD835的输出端，U为电压范围调节因子，其值一般为1.05。为使得AD835的输出和输入满足W=XY，在W端、Z端、地之间引入电阻R2、R3、C6，见图4。电阻R2、R3主要用来设置分压，电容C6主要是起到隔直的作用。

目前我国的车辆检测系统一般通过RS232或485接口与上位机通信,采用电缆线的方式实现数据的传输,存在电路连接复杂,线缆安装捆扎费时的缺点,并且在车辆运行过程中容易发生断线损坏,降低检测的可靠性[1]。另一方面,铁路的不断提速与发展,传统的检测系统已经很难满足控制精度、传输速度以及实时性方面的要求。

则式(2)可以改写为：

(3)

其中，Z′为通过电阻R3输入到乘法器4号引脚Z的电压。

将式(3)整理得到：

(4)

由于R3接地且U的值为1.05，设置R2与R3的阻值比为20：1，即可使AD835乘法器实现W=XY的功能。电路中设置R2为2 KΩ，R3为100 Ω。

图4 AD835乘法器电路

图4电路中X为回波信号，Y为参考信号。

X(t)=asin[2π(f0+fd)t+φ0]

(5)

Y(t)=bsin(2πf1t+φ1)

(6)

(7)

本电路中设置f1-f0=40 k。一般人体各器官运动产生的多普勒频偏都在1 kHz以内，因此，输出信号经过50 k的低通滤波器即可得到多普勒频移信号。

2.3 AD采样

USB3200数据采集系统主要由ADC模块、PFI复用功能控制模块、FPGA控制模块、USB设备器件组成，系统框图见图5。

图5 USB3200系统框图

2.4 电路测试

为验证本研究单通道乘法器电路的有效性，采用函数信号发生器产生两路信号，分别作为单通道乘法器的回波和参考信号输入，并将解调、滤波后的信号接入示波器进行显示。其中，回波输入为峰峰值10 mV、频率2.5 MHz的正弦波；参考信号输入为峰峰值5 V、频率2.54 MHz的正弦波。输入信号及输出信号波形见图6。

图6 电路测试结果：经低通滤波器滤波后的输出信号

为验证USB3200的准确性，利用函数信号发生器产生标准正弦波，并通过USB3200数据采集卡采集数据传输到电脑端，利用MATLAB作频谱分析。分析结果见表1。

表1 AD测试结果

测试结果表明，在理想信号输入情况下，单通道乘法器可以实现对回波信号的放大、解调、低通滤波等功能，完成对频移信号的提取。SUB3200采集卡可以实现对信号的采集。

3 结果分析

为进一步测试单通道乘法电路对真实回波信号的解调能力。按照文献[21]搭建多普勒信号模拟装置,并设计实验对结果进行验证。

3.1 实验装置

多普勒信号模拟装置主要由STM32F407开发板、TB6600电机驱动器、步进电机、水槽、直杆和金属球组成。

多普勒信号模拟装置的核心为STM32F407开发板，通过编写程序使开发板产生指定频率的PWM波，即可控制电机驱动器，驱动电机进行往复转动。控制器和电机驱动在连接上有共阳极和共阴极两种方式，本研究采用共阳极的方式，具体连接见表2。

表2 控制器与驱动器连接方式

PUL为脉冲输入接口，用于控制步进电机的转动速度。驱动器将控制器发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，控制器端口GPIOF10每产生一个脉冲信号PUL，就会驱动步进电机旋转一个步距角，然后通过直杆将转动转换为垂直位移。

DIR为方向接入口，用于控制电机的转动方向，当此信号有效时，电机顺时针转动，反之，电机将逆时针转动。通过设置GPIOF9输出一定频率的PWM波，即可带动连接在电机上的金属球做相同周期的上下振动。

完全浸入在水中的金属球用来模拟运动物体，见图7。金属球上方的两个超声换能器分别负责超声波束的发射和接收。

图7 多普勒信号模拟装置示意图

3.2 测量原理

根据多普勒原理，当声波波源运动时，测量到的频率较波源实际发出的频率会有一定的变化，测量频率与实际发射频率之间的差值为多普勒频移fd，其值满足式(8):

(8)

其中f0为发射信号频率，c为超声在水中的传播速度，v为物体运动速度，θ1为物体运动方向与入射声波间的夹角，θ2为物体运动方向与反射波间的夹角。根据式(7)，法器解调得到的低频信号的频率f为:

f=f1-f0-fd

(9)

多普勒信号模拟装置运动时，可以近似看作为变速的周期信号。因此，解调得到的多普勒频偏信号的频率f将会限制在一个窄带范围内:

f1-f0-|fdmax|≤f≤f1-f0+|fdmax|

(10)

式(9)、式(10)中f1为乘法器的另一路输入信号频率，fdmax为最大多普勒频移，且

f1-f0=40 k

(11)

则最终所求的多普勒频移为：

fd=40 k-f

(12)

设置多普勒信号模拟装置以不同的频率和速度振动，将单通道乘法器的输出结果利用SUB3200采集卡进行AD转换，并利用MATLAB进行频谱分析。结果见图8、图9，并根据式(8)得表3。

表3 多普勒信号模拟装置以不同频率、速度振动时的多普勒频移

图8 多普勒信号模拟装置静止时多普勒频移信号频谱

图9 多普勒信号模拟装置以2.5 Hz的频率转动时多普勒频移信号频谱

4 结论

本研究设计的单通道乘法器电路结构简单、精度高、数据量小、成本低廉。为验证其有效性，利用实验室设计的多普勒信号模拟装置设计实验，并采用USB3200数据采集卡对解调信号进行模数转换，将实验数据传输到电脑端进行频谱分析。结果显示，当模拟装置以不同的速度和频率运动时，解调得到的多普勒频移信号的频率限制在一定的频带范围内，经变换后，频移信号的频带关于零频近似对称，且信号模拟装置速度越快频带越宽，符合多普勒效应的原理。不同振动频率下求解得到的物体运动速度并未与振动频率严格地成比例关系，与理论值有一定的误差。这是因为金属球运动时是变速运动，且运动过程中会受到水的阻碍，速度越快，阻碍越大。因此，测量值较理论值偏小，但在误差允许范围内。结果证明，本研究的单通道乘法器电路可以准确地实现对超声多普勒回波信号的解调。