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基于FPGA的FIR滤波器在超声导波接收系统中信号降噪的应用

更新时间:2016-07-05

超声导波检测技术是新兴的一种无损检测方法,具有检测距离远、效率高等特点,在输油、气管道和大型板材、复合材料结构无损检测中具有广泛的应用潜力[1-5]. 超声导波在信号激励、传输和接收的过程中,会不可避免地受到外界噪声的干扰,而且超声导波在传播的过程中,存在频散现象和多模态,易导致采集到的信号中,缺陷回波信号比较微弱,很容易被噪声和干扰淹没,影响缺陷回波的识别.

在单因素试验结果的基础上,对紫薯粉添加量、白糖添加量、黄油添加量和柠檬酸添加量4个因素进行L9(34)正交试验(见表3)。由正交试验结果可知,影响紫薯酥性饼干的主要因素是柠檬酸添加量>紫薯粉添加量>白糖添加量>黄油添加量,最佳工艺组合为A2B3C2D2,即紫薯粉40%,白糖25%,黄油40%,柠檬酸0.4%,其它辅料与基本配方相同。

(3)域之间的映射。它是以人们对组群中的物体(objects in groups)的数量顿识和数数的经验为基础的。[2]55

超声导波信号接收系统在信号采集前端使用硬件模拟滤波器对输入的超声导波信号进行滤波,然后经过AD采集转化为数字信号,传输给存储系统,最后利用软件实现各种信号处理手段对信号进行分析. 噪声会增加信号分析的难度,前端的模拟器件滤波要达到较好的对噪声和干扰的滤出效果,需要精心设计,结构复杂,设计难度大. 在采集端利用硬件数字滤波器对信号进行实时的滤波处理,可以减少前端模拟滤波器的设计复杂度,降低信号分析的复杂度. 利用FPGA实现FIR数字信号滤波,由于其并行处理的特点及在高速处理、灵活性等方面的优势,得到广泛的应用[6-7]. 研制的超声导波接收系统采用FPGA控制AD芯片采集超声导波信号,并且在FPGA中实现了低通FIR滤波器,对采集到的信号进行实时硬件数字滤波,实现对信号进行滤除噪声的实时处理. 通过仿真验证了该滤波器的滤波效果,并且进行了硬件测试.

1 FIR滤波器原理

FIR滤波器全称有限脉冲响应滤波器,由于其具有良好的线性相位特征,已经在数字信号处理领域得到了广泛的应用[8-11]. 若其单位抽样响应h(n)为M+1点有限序列,若输入信号为x(n),其中n为序列号,则滤波器的输出y(n)可以看作x(n)与h(n)的线性卷积,即

(1)

其传递函数H(z)可以表示为

FIR滤波器的设计方法有许多种,如窗函数设计法、频率采样设计法等. 采用MATLAB提供的FDAtool设计FIR低通滤波器,并量化滤波器系数. FDAtool设计窗口如图2所示.

h(0)+h(1)z-1+…+h(M)z-M

(2)

当FIR滤波器的单位抽样响应满足对称或反对称条件时,滤波器具有线性相位特征,即h(n)满足

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h(n)=±h(M-n), 0≤nM

(3)

利用自行设计的超声导波激励接收系统进行试验,选用压电片作为超声换能器,在含人工缺陷的铝板上进行一激一收模式的超声导波激励接收试验. 超声导波接收系统的硬件电路中的FPGA采用Xilinx公司的Kintex-7 XC7K70T芯片,采用ADC12040芯片作为数据采集芯片,数据位宽度12位. 利用Xilinx公司的ChipScope在线调试软件获取FPGA内部滤波前后的数字信号,观察滤波效果. 试验系统示意图如图12所示. 检测对象为铝板,其长宽厚1 000 mm×1 000 mm×0.9 mm,密度2 700 kg/m3,泊松比0.3. 铝板中超声导波群速度频散曲线如图13所示.

(4)

经过优化直接型滤波器结构如图1所示,可以看出,利用线性相位FIR滤波器的系数对称性,可以减少大约一半的乘法运算量,而且线性相位的FIR滤波器可以保证信号在通带范围内没有相位失真,这对于超声导波信号的处理十分关键.

图1 优化后的直接型滤波器结构 Fig.1 Direct filter structure after optimization

2 滤波器设计与仿真

脱敏治疗即特异性免疫治疗,是针对致敏花粉而采取的对因治疗措施,这种治疗方法可以做到有的放矢,临床效果较好,不良反应也很少。1998年世界卫生组织认定了这是种高质量的标准化的脱敏治疗方法,对过敏性哮喘及过敏性鼻炎具有确切的疗效。

图2 FDAtool设计窗口 Fig.2 Design window of FDAtool

设定滤波器类型、设计方法、采样频率和通带范围,以及纹波范围,为了节省在FPGA中实现滤波器所需的硬件资源,选择最小阶数,软件会自动根据设定指标设计出最优的滤波器. 设计的FIR低通滤波器,设定通带截止频率为1 MHz,阻带截止频率为4 MHz. 设计出的滤波器单位脉冲响应如图3所示. 其幅频响应和相频响应分别如图4、5所示. 从图5可以看出其具有线性相位的特点.

MATLAB设计出的滤波器系数为归一化的小数,由于FPGA只能对定点数进行计算,故需要对设计好的滤波器系数进行量化取整. 考虑到滤波器系数的正负,采用16位有符号二进制数量化,对设计出的对称系数FIR滤波器进行量化并取整,转换为定点数,方便在FPGA中实现. 滤波器系数的量化取整过程会导致系数产生误差,影响滤波器性能. 量化位数越多,量化结果越接近真实值,误差越小[12]. 该滤波器单位抽样响应为17点有限序列.

第四,制定与完善国际贸易融资相关的法律法规。国内立法机关的应加强对国际贸易融资法律法规和政策措施的研究,找出我国与国际其他国家在贸易融资方面的差距,并分析问题产生的原因,提出解决问题的具体对策。需要强调的是,相关研究人员要与国际惯例接轨,制定实施性强的法律法规,探索出国际贸易融资未来发展的光明之路。

图3 滤波器单位脉冲响应 Fig.3 Impulse response of filter

图4 滤波器幅频响应 Fig.4 Magnitude responses of filter

在ModelSim中编写测试例程,测试例程主要功能是读取MATLAB生成的混合信号数据,发送给FIR滤波器模块,并将滤波器输出数据保存为dat格式文件,供MATLAB读取分析. ModelSim仿真滤波结果如图9所示. 可以看出,经过滤波后的信号已经基本将高频信号滤除. 将滤波后的数据导出后利用MATLAB进行频率分析,滤波后的信号及频谱如图10所示. 从图中可以看出实现了预期的滤波效果.

图5 滤波器相频响应 Fig.5 Phase responses of filter

设计的FIR滤波器在FPGA中的实现结构如图6所示. 利用Verilog编程实现滤波器,其中主要包含4部分逻辑模块,分别是延迟模块、乘法操作模块、多级加法器模块、截位输出模块. 数字输入信号首先进入延迟模块中进行延迟操作,然后与滤波器系数进行乘积计算,采用多级加法器对乘积结果进行求和运算,最后对计算结果进行截位输出. 考虑到输入信号的正负符号,模块中寄存器变量等均采用有符号数据格式,滤波器系数中的负数用补码表示. 输入信号与输出信号数据位宽为均8位有符号二进制数.

图6 FIR滤波器在FPGA中的实现结构图 Fig.6 Structure of FIR filter in FPGA

图7 ModelSim联合MATLAB仿真流程 Fig.7 Simulation process of ModelSim and MATLAB

根据编写的Verilog代码,利用ModelSim软件联合MATLAB软件对设计的滤波器进行仿真测试. 仿真流程如图7所示. 利用MATLAB生成1 MHz和6 MHz正弦信号的混合信号,其中6 MHz信号幅值为1 MHz信号的1/2. 其信号波形与频谱如图8所示. 对生成的信号进行归一化处理后,再进行8位有符号二进制数量化,然后保存为dat格式的文件,方便ModelSim仿真时调用.

图8 MATLAB生成的混合信号 Fig.8 Mixed signal generated by MATLAB

OECD:美国经济增长稳固,但潜在风险犹存。6月6日,经济合作与发展组织(OECD)发布美国经济调查报告称,美国经济正处于有记录以来最长的扩张周期之一,但面临的潜在风险仍然较多,包括:企业部门高杠杆率需当局加强监管,利差可能推动美元升值;美国与主要合作伙伴贸易紧张局势加剧,有可能影响全球供应链,并削弱长期增长;财政的中长期可持续性有待观察。

图9 ModelSim仿真滤波结果 Fig.9 Simulation results of filtering in ModelSim

图10 滤波后的输出信号 Fig.10 Output signals after filtering

3 硬件测试

将基于上述方法设计的基于FPGA的FIR滤波器应用到自行设计的滤波器超声导波采集系统中,该超声导波接收电路系统框图如图11所示. 超声导波经过超声换能器转换为电信号后,电信号经过前端保护电路和模拟滤波电路,进入程控增益电路. 程控增益电路主要用来调节超声信号的幅值增益,增益大小由FPGA控制. 然后AD采集芯片对信号进行量化采集,转换为数字信号,采集过程由FPGA控制AD芯片实现. 数字信号传输至FPGA内部,直接进入设计的FIR滤波器模块,进行实时数字滤波,滤波后的数据进入FIFO等数据缓冲模块,等待后续信号传输处理,传输至数据存储和信号显示系统.

FIR滤波器的结构形式包括直接型、级联型、频率取样型和快速卷积型等. 其中最常用的是直接型. 对于抽样响应为M+1个点的有限序列,采用直接型结构需要M+1次乘法、M+1次延迟和多次加法运算. 在FPGA中实现这种结构的滤波器时,乘法运算比加法运算要耗费更多的逻辑资源,因此可以利用滤波器抽样响应序列对称性,通过优化滤波器的实现结构来节省所需的逻辑资源. 抽样序列对称包括偶对称和奇对称,当抽样序列是偶数且是偶对称时,滤波器的输出可以表示为

“阅读教学是学生、教师、教科书编者、文本之间的对话过程”,这是小学语文新课程标准对语文教学改革的基本要求。阅读的形式是多种多样的,有精读、泛读,有朗读、默读,有速读、细读……无论采用哪种形式,阅读都要为教学目的服务,即通过阅读,提升学生的语文素养,使学生传递情感,掌握语文精髓,体会祖国语言的精美。可见,阅读始终是小学语文教学的一条主线,作为教师,我们要善于灵活运用阅读的形式,丰富学生的阅读技巧,使学生品味祖国语言的博大精深。

图11 超声导波接收电路系统框图 Fig.11 Block diagram of ultrasonic guided waves receiving circuit

图12 试验系统示意图 Fig.12 Schematic diagram of the experimental system

图13 铝板中超声导波群速度频散曲线 Fig.13 Group velocity dispersion curves of ultrasonic guided waves in an aluminium plate

压电换能器中心频率290 kHz. 控制超声激励模块产生幅值20 V,包含3周期方波的猝发脉冲串,中心频率290 kHz,重复周期50 ms. 设定超声导波接收系统采样频率40 MHz,采样长度10 000.

压电换能器位置如图14所示,激励换能器中心距离接收换能器中心直线距离为160 mm,通过ChipScope导出FPGA中采集的滤波前后的超声导波信号.

图14 压电换能器在铝板中的位置 Fig.14 Position of the piezoelectric transducer in the aluminium plate

图15(a)给出了滤波前的原始信号,直达波中的模态包括A0模态和S0模态. 根据图13所示铝板中的理论群速度频散曲线可知,290 kHz的A0模态理论群速度vA=2.57 km/s,290 kHz的S0模态理论群速度vS=5.37 km/s.

图15(b)给出了滤波后的信号. 该滤波器在通带范围内为线性相位系统,群延迟为固定值且较小. S0模态波包传播时间Δt=31 μs,计算得出导波传播距离为

由于小学生是初次接触作文,使得小学生对于写作较为陌生,有的甚至非常讨厌写作,那么老师在进行写作教学时就会面临着很大的难题,那么同样的,学生在学习写作的过程中也会遇到各种各样的问题,使得学生对于写作业越来越提不起兴趣,最终导致学生在作文方面的成绩越来越差。

l= vS×Δt=166.5 mm

(5)

接收换能器与激励换能器之间的实际距离为160 mm,相对误差4%,直达波传播的距离与实际距离比较吻合.

图15(c)为滤波前后信号频谱. 通过滤波前后对比可以看出,在信号低频部分,滤波前后信号变化不明显. 高频部分主要为噪声信号,滤波后高频部分噪声有明显的抑制.

图15 滤波前后的超声导波信号 Fig.15 Comparison between raw signals and filtered signals of ultrasonic guided waves

图16 压电换能器布置形式1 Fig.16 Piezoelectric transducer distribution No.1

图17 压电换能器处于布置形式1时滤波前后的超声导波信号 Fig.17 Comparison between raw signals and filtered signals of ultrasonic guided waves under the condition of the piezoelectric transducer distribution No. 1

改变压电换能器在铝板中的位置,布置形式1如图16所示. 换能器之间相距20 mm,距离边界290 mm,距通孔缺陷垂直距离220 mm. 图17(a)为滤波前的超声导波信号,由于2个换能器距离较近,首次抵达的波包中包含直达波信号,以及在换能器之间来回反射叠加的信号. 在其后的信号中包含缺陷回波信号以及端面反射回波信号,但缺陷回波信号信噪比较小,经过滤波的信号如图17(b)所示,可以比较清晰地判断出缺陷回波,由于S0模态导波在290 kHz频率附近传播速度远快于A0模态,且在本文试验中S0模态能量相对较强,因此缺陷回波为S0模态的缺陷反射回波,从滤波后的信号中能够比较精确地得到超声导波激励开始至缺陷波包传播到接收换能器的时间差Δt=85 μs. 根据理论波速,可以计算得出传播的距离为l1=456.5 mm,实际距离约为440.5 mm,相对误差仅为3.6%. 图17(c)为滤波前后信号频谱对比,在信号低频部分,即压电换能器中心频率附近衰减不明显,滤波器对有效信号的影响较小. 高频部分主要为噪声信号,可以看出,滤波后高频部分噪声信号有十分明显的抑制,达到了有效的滤波效果.

再次改变换能器在铝板中的位置,布置形式2如图18所示,换能器之间相距70 mm,距通孔缺陷垂直距离210 mm. 图19(a)为滤波前的超声导波信号,经过滤波的信号如图19(b)所示,可以比较精确地判断出缺陷回波,得到超声导波激励开始至缺陷波包传播到接收换能器的时间差Δt=81 μs,根据理论波速,可以计算得出传播距离为l2=435.0 mm,实际距离约为425.8 mm,相对误差仅为2.1%. 图19(c)为滤波前后信号频谱对比,滤波后高频部分噪声明显抑制,同样达到良好的滤波效果.

图18 压电换能器布置形式2 Fig.18 Piezoelectric transducer distribution No.2

图19 压电换能器处于布置形式2时滤波前后的超声导波信号 Fig.19 Comparison between raw signals and filtered signals of ultrasonic guided waves under the condition of the piezoelectric transducer distribution No.2

4 结论

1) 根据FIR滤波器的数学原理,利用MATLAB与Verilog硬件设计语言设计与实现低通滤波器. 结合ModelSim与MATLAB,对设计的数字滤波器进行了仿真,结果表明设计的滤波器能够达到良好的滤波效果.

参考文献

2) 针对自行研制的超声导波接收系统,设计了用于滤波降噪的低通FIR滤波器,利用Xilinx的FPGA芯片进行了实际滤波测试,结果表明,能够达到良好的滤波效果,实现了针对超声导波信号的高速实时的硬件数字滤波要求,一定程度上减少了超声导波信号中的噪声,在实际系统中具有良好的应用效果.

图4中#Need,118.789 2,30.675 4,a#为预先与主机设定的通讯协议,格式为#Need,<1>,<2>,<3>#。其中#Need为起始标志位,<1>,<2>分别代表农机手当前所在位置的经纬度坐标,<3>代表需求信息的具体内容,a代表加油站,b代表旅馆,c代表配修站,语句最后的#为结束标志位。

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淋巴管瘤属于淋巴系统肿瘤样病变之一,以良性为主,发病原因可分为先天性和后天因素造成淋巴阻塞而继发两种。本病以往被临床纳入到罕见良性肿瘤样病变中,随着MRI、CT等影像学诊断技术在临床中的普及应用,淋巴管瘤的确诊率得到了显著性提升。鉴于此,进一步提高淋巴管瘤病的影像学诊断准确率对提高临床治疗效果、改善预后具有重要意义。本文通过收集我院15例经穿刺病理或手术证实的个部位淋巴管瘤病患者的临床资料,对淋巴管瘤病的影像学特征和病理之间的相关性进行回顾性分析,对影像学特点加以探讨,使该病的术前确诊率得到明显提升。

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《北京工业大学学报》2018年第5期文献

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