IEEE单精度算法的紧凑超声波束形成系统设计及硬件实现

工程科学与技术，国际期刊24（2021）1080全文文章基于IEEE单精度算法的相控阵超声成像系统波束形成器结构Mayur Agarwala，Abhishek Tomara，Navneet Kumarba技术学院电子与通信工程系，G。B. Pant University of Agriculture and Technology，Pantnagar 263145，印度b一. T. S. 印度北方邦大诺伊达工程学院阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2021年2月18日修订2021年3月2日接受2021年3月26日网上发售保留字：波束形成超声成像系统切趾延迟计算器IEEE单精度算术A B S T R A C T超声成像是一种广泛使用的医学成像系统，因为它是安全的，非侵入性的，并能够实时成像。在超声成像中，使用不同的波束形成方法来获得视场的图像。图像质量在很大程度上取决于超声成像中使用的波束形成类型。为了使超声成像系统便携，波束形成系统需要实现为紧凑的硬件架构。动态聚焦和自适应变迹技术被用于波束形成系统中以产生高质量的超声图像，然而，它们的硬件实现需要大量的硬件资源，消耗高功率。本文提出了一种紧凑的接收波束形成器架构的实现，使用硬件高效的动态延迟计算器，IEEE单精度算法为基础的自适应变迹系统架构和聚焦机制。所提出的波束形成器提供实时波束形成输出，其可用于显示高质量的超声图像。使用Field-II工具箱对波束形成器的输出进行了仿真和验证。所提出的波束形成器消耗UMC 90nmCMOS标准单元库中的1370k©2021 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍在超声成像中，使用换能器阵列发射超声波，所述超声波被介质中的不规则性反射然后，在若干信号和图像处理操作之后，以图像形式显示所接收的信号波束成形用于在超声波束的发射和反射回波的接收期间以受控方式激活换能器阵列元件，以形成期望的感兴趣场已经开发了几种波束形成技术，例如线性阵列[1]、相控阵、合成孔径[2]、基于Δ-Σ调制的[3，4]、直接像素波束形成[5，6]，用于使用较少的计算复杂度以高帧速率获得高质量的超声图像。这些波束形成技术需要在接收期间对换能器阵列的所有或一些元件进行动态聚焦*通讯作者。电子邮件地址：agrmayur@gmail.com（M.Agarwal），abhishektomar.ece@gb-puat-tech.ac.in（A. Tomar）。q本文件是印度国家项目执行股资助的研究项目的成果。qq卡拉布克大学负责的同行评审反射光束的作用。动态聚焦可以通过使用由实时动态延迟计算器控制的数字延迟线在时间上对准接收到的信号将接收到的RF信号聚焦在不同扫描点上所需的延迟值可以离线计算，存储在查找表中，并在成像操作期间访问。然而，它需要大的存储器来存储大阵列或大量扫描线的延迟值。因此，已经开发了各种方法来使用专用硬件计算实时延迟参数。对于延迟值的计算，Feldkamper等人[7]已经引入了一种迭代方法，其中焦深计算的方程被平方并与距离成比例，以创建在成像操作期间比较的两个不同的变量表达式。根据比较结果，延迟值或者递增或者保持恒定。[8]中提出了一种具有不同计算方案的类似方法。在[9]中提出了另一种方法，其中使用三向动态聚焦技术来进一步提高Tomov等人[10]提出了一种动态延迟计算方法，该方法使用延迟曲线的分段线性近似来生成动态延迟。为了获得良好的精度，需要大量的段，需要相当大的初始存储器是主要的https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.03.0052215-0986/©2021 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchM.阿加瓦尔A. Tomar和N. Kumar工程科学与技术，国际期刊24（2021）1080-10891081这种方法的缺点。在[11]中已经提出了递归延迟计算单元，其中，通过更新与先前焦点的差来计算焦点。该技术仅使用加法和移位运算来计算延迟值的平方。在文献[12]中提出了一种基于分时双线性延迟插值（TS-BDI）的延迟计算方法。Zhao等人[13]提出了一种使用坐标旋转数字计算机（CORDIC）的凸超声阵列的管道延迟计算器。通过为多个阵列单元共享每个延迟计算器电路，降低了该结构中的硬件要求。在[14]中开发了一种延迟计算器，它使用CORDIC旋转器来执行连续的坐标变换，并且可以用于线性和凸相控阵列。在[15]中提出了一种用于合成发射孔径（STA）成像中往返距离计算的低复杂度延迟生成算法，该算法也是基于类似方法。在这种方法中，通过近似延迟方程和用除法器代替平方根计算器来降低硬件复杂度。在[16]中描述了通过界面进行动态聚焦的方法，其中换能器阵列被虚拟阵列取代，用于计算飞行时间。虽然该技术提供了自适应动态深度聚焦（DDF），但是对于高速扫描应用来说，它不够快。在[17]中提出了一种用于凸换能器阵列的低功耗低面积延迟计算器，它通过将延迟方程分成两部分来降低硬件要求。延迟方程的一部分对于所有换能器元件保持相同，而另一部分随着换能器元件而改变。现在，设计用于计算方程的第一部分的电路用于计算所有换能器元件的延迟值，而专用电路与每个换能器元件一起用于计算延迟方程的第二部分。通过应用资源共享，进一步降低了延迟计算器的硬件要求。延迟信号的直接求和导致更高的侧-接收空间频谱中的波瓣，这需要切趾单元[18]。切趾可以通过对不同阵列元件的响应应用不同的权重来完成。像Hamming、Hanning、余弦窗函数等窗函数然而，当使用窗函数时，可以使用自适应变迹来实现具有窄主瓣和低旁瓣的波束图案[19]。在自适应变迹中，利用接收频谱计算最佳变迹函数。该变迹函数可以基于所接收的数据在图像上变化。因此，开发了几种自适应变迹方案，其中基于在阵列处接收的超声信号的统计来选择权重自适应变迹已经显示出图像质量的显著改善[19]。基本的自适应变迹系统基于capon波束形成[20]，并且被称为最小方差无失真响应（MVDR）波束形成器。在MVDR波束形成器中，借助于接收样本的协方差矩阵来计算权重。Wang等人[21]已经在协方差矩阵的计算中引入了对角加载，以使MVDR波束形成器对错误假设的声速更鲁棒。通过将MVDR波束形成器与相干因子（CF）结合，可以进一步提高超声图像的质量[22]。MVDR波束形成器提供良好的性能，但具有非常高的计算复杂度。为了减少计算开销，在[23]中提出了一种基于QR分解的计算高效MV波束形成器。它减少计算复杂度从O到O，其中L表示子孔径大小。在文献[19]中，自适应波束形成器通过预先定义一些窗函数并应用最小方差优化准则计算每个扫描点的最优权值来降低在[24]中，已经提出了一种切趾方法，其中通过使用各种窗口函数（例如均匀、汉宁或汉明）从两个或更多个数据集选择最小幅度来抑制旁瓣。Stankwitz等人已经引入了空间变异变迹（SVA）[25]作为在成像中实现旁瓣控制的有效手段。在[26]中提出了一种切趾方法，其使用约束最小二乘理论，目的是将点扩散函数（PSF）的能量限制在特定区域之外，并在焦点处保持峰值文[27]介绍了一种有效的旁瓣抑制方法--互相关双切趾法（DAX）。在[28]中提出了一种称为动态DAX的方法，其中通过在不同深度处使用不同的对来增强不同深度处的图像对比度。在[29]中，通过将相位畸变校正与DAX相结合，进一步增强了图像对比在[30]中提出了DAX的扩展，称为相控阵成像是一种有效的波束形成技术，其中通过电子操纵波束在图像空间中形成扇形图像。在该成像中，所有阵列元件都对每个扫描线的成像做出贡献，并且扫描线的数量与阵列中的元件的数量无关。使用相控阵成像可以实现高SNR以及出色的空间和对比度分辨率，但是，它需要大量独立的发射和接收电路[2]。该成像系统的硬件复杂度随着阵列尺寸呈指数增加。在便携式超声成像系统的设计因此，为了设计便携式超声机器，非常寻求面积和功率高效的波束形成器的实现。本文介绍了一种用于便携式超声系统的紧凑型相控阵接收波束形成器，它采用了硬件高效的延迟计算器结构和切趾结构。延迟计算器计算的延迟分为整数和分数延迟，并使用双端口BRAM和插值滤波器应用整数延迟值不能直接用作BRAM的地址，用于将延迟应用于接收信号。因此，还开发了用于将延迟值转换为BRAM的地址的机制波束形成器中的不同单元以不同的此外，不同的单元在不同的时刻提供输出，因此，这些单元之间的同步是波束形成器的设计因此，控制单元被开发用于不同单元之间的同步。本文的其余部分组织如下：不同阶段阵列体系结构在第2节中讨论。第3节描述了所提出的波束形成器架构。第4节讨论了拟议架构的现场II模拟结果和所需硬件资源。第五节是论文的2. 相控阵波束形成器在基本相控阵列成像方法中，所有阵列元件在超声波束的发射和接收期间保持活动在发射模式期间，通过对每个阵列的相应脉冲施加时间延迟，M.阿加瓦尔A. Tomar和N. Kumar工程科学与技术，国际期刊24（2021）1080-10891082Xð Þ ¼ Ya-k¼;;... ：：;-元素[31]。在接收模式中，扫描线被划分为几个扫描点，并且通过对由每个阵列元件接收的回波施加动态延迟，阵列被聚焦在该扫描线上的每个扫描点处。在接收到一条扫描线上所有点的回波后，阵列以另一角度聚焦，并且以与前一扫描线类似的方式接收回波。由此，在该成像中生成感兴趣区域的扇形图像。M元件换能器阵列的扫描点的相控阵列输出可以计算为：Mzh[n]Wj<$n] ωxj<$n-Dj<$n]]1j1其中，x[j½n]、W[j½n]和D[j½n]表示第n个样本对应的采样输出、时分别响应于第j个元素。 权重系数[W]被称为变迹函数，其可以是固定的窗口函数或者可以通过处理输入数据来自适应地计算。对于固定聚焦，Dj/2n]随j变化，而相对于n保持恒定。对于动态聚焦，时间延迟值相对于jlong-withn变化。图1示出了常规相控阵列接收波束成形系统的框图。由换能器阵列的元件接收的超声信号通过时间增益控制（TGC）放大器，其用于在较大深度处提供较高增益。然后使用模数转换器（ADC）将放大的信号数字化。 延迟计算器计算延迟值，延迟值可分为整数部分和小数部分。分数延迟和分数延迟分别称为粗延迟和细延迟。粗延迟通常通过适当寻址使用双端口块RAM（BRAM）来施加。输入RF样本使用一个端口存储在BRAM中的连续位置根据所需的粗延迟，通过选择输出地址，可以通过将插值函数应用于附近的样本来应用精细延迟。为了获得高质量的图像，这些延迟的样本被传递到变迹块。基于FPGA和ASIC设计了各种相控阵波束形成器使用不同机制来应用粗延迟和细延迟值的技术。Donnell等人[33]提出了一种相控阵波束形成器，其中数字基带内插滤波器后跟数字延迟线用于施加动态延迟。它需要更大的硬件资源来计算插值。在基于流水线采样延迟聚焦（PSDF）的数字接收波束形成器架构[34]中，通过选通不同ADC中的不同采样时钟，消除了对存储器寻址和插值系统的需求。在该波束形成器中，每个ADC的采样时钟由SCG（采样时钟发生器）动态延迟，其对应于单个换能器元件的计算延迟。在[35]中提出了一种用于相控阵波束形成的数字接收波束形成架构，其中通过在线性插值电路的帮助下对输入样本进行上采样来提高定时精度。在这种架构，粗延迟适用于使用可变长度FIFO寄存器。在[36]中提出了一种低功耗数字波束形成器，其中使用基于3晶体管DRAM（动态RAM）单元的可变长度FIFO来应用粗延迟，而通过使用固定系数前置滤波器、可切换滤波器和固定后置滤波器的组合来应用细延迟。在[37]中已经提出了一种硬件高效波束形成器，其使用最大平坦（MF）FIR滤波器近似来应用分数延迟。在该波束形成器中，分数延迟滤波器的设计是通过设置误差函数及其N阶导数为零，频率趋于零。这种archi- tecture的缺点是，在振幅和相位响应的近似误差随频率增加。对于高频线性超声阵列，[38]中提出了一种基于FPGA的16通道实时数字波束形成器。在这种结构中，粗延迟通过使用寄存器和多路复用器来实现，而细延迟通过使用形式（2）的拉格朗日插值滤波器来实现。Nh n n0 12N2n kk¼0k图1.一、传统相控阵接收波束形成系统的框图[32]。M.阿加瓦尔A. Tomar和N. Kumar工程科学与技术，国际期刊24（2021）1080-10891083其中，N是滤波器的阶数，n是滤波器系数的索引，并且a是分数值。Cho等人提出了一种用于高频超声系统的[39] 其 中 工 作 频 率 保 持 与 输 入 数 据 速 率 相 同 。 它 使 用 块 RAM（BRAM），然后使用多相滤波器来应用精细和粗略延迟值。在该波束形成器中，每个多相滤波器由四个子滤波器组成，它们对应于四个分数延迟值。每个通道的最终延迟样本根据精细延迟值在子滤波器的输出中选择。上述波束形成器使用直接求和（直角切趾）或低复杂度切趾来设计具有降低的硬件复杂度的架构。自适应变迹用于获得良好的图像质量，然而，实现自适应变迹架构需要大量的硬件资源。所提出的波束形成器架构包括现有的延迟计算器、变迹单元、BRAM、内插滤波器、所提出的地址生成器块和控制单元，在下面的部分中给出。3. 拟议的波束形成器架构所提出的波束形成器的框图如图2所示。由不同元件接收的超声信号阵列使用TGC放大，使用ADC转换为数字形式，然后传递到双端口块RAM（BRAM）。双端口BRAM用于应用随换能器元件和扫描深度变化的整数延迟值。动态延迟值由实时延迟计算器计算，然后用地址发生器转换成BRAM的输出地址形式。使用插值滤波器将分数延迟值应用于BRAMS的输出。内插滤波器的输出是动态对准的信号，然后在应用有效的变迹函数之后将其组合。变迹单元产生最终的波束成形输出。下面给出波束形成器的不同单元的描述3.1. 延迟计算器单元在[17]中提出了用于计算动态延迟值的硬件有效延迟计算器，其用于所提出的波束形成器中的延迟计算。该延迟计算器架构可分为四个模块，如图三.第一块是存储器单元，其存储取决于扫描区域和换能器阵列的初始参数，并且在计算期间保持不变。两个计算单元Calculator1（calc1）和Calculator2（calc2）用于计算延迟方程的两个不同分量。对于最终的延迟计算，仅需要单个calc1单元，而calc2单元的数量保持与换能器阵列元件的数量相同。这些计算器被设计为使得延迟值在每个时钟周期被更新，并且计算下一个扫描点的相应值。所有calc2的输出分别与calc1的输出相加，以计算延迟值的平方。然后使用平方根计算器估计最终延迟值。在该体系结构中使用资源共享来降低整体硬件需求。延迟计算器单元的不同块的详细描述在[17]中给出。3.2. 聚焦单元聚焦单元用于对接收到的信号应用动态聚焦。动态聚焦是在延迟计算器计算的延迟值的帮助下应用的。该单元可分为三个模块：双端口RAM模块、地址发生器模块和插值滤波器模块。3.2.1. 双端口块RAM（BRAM）双端口BRAM用于将粗延迟值应用于接收到的RF样本。BRAM的大小必须充分大于最大粗延迟的大小，以避免读写冲突。对于每个通道，新的输入RF样本存储在相关BRAM中的下一个地址。计数器用于控制BRAM的输入地址。它生成从零到BRAM大小的地址，然后将其重置为零，图二. 所提出的波束形成器架构的框图。M.阿加瓦尔A. Tomar和N. Kumar工程科学与技术，国际期刊24（2021）1080-10891084¼图三. N元凸阵延迟计算器框图[17]。继续，直到对应于扫描线上的最后一个焦点的RF数据被保存在BRAM中如果BRAM的大小是S，则每kS第1个样本被存储在BRAM的第一位置，（其中，k0; 1; 2;：.）。以这种方式，在S时钟之后冲洗每个样本自行车.3.2.2. 地址发生器块地址发生器块分离整数和分数延迟值，并通过从这些延迟值中减去第一个样本的时间，将整数延迟转换为BRAM输出地址该模块以延迟更新频率接收输入，并以采样频率给出输出通常，延迟更新频率保持小于采样频率。因此，由延迟计算器计算的每个延迟值与许多样本相关联。因此，使用增量器来获得具有相同延迟的下一个样本。该模块工作在比延迟计算器频率更高的频率。因此，两个时钟之间的同步对于该块是必要的，这由控制单元完成该架构中使用的因此，一个单一的延迟计算器产生多个阵列元素的延迟值这些延迟值在作为地址线传递到BRAM之前，使用寄存器进行对齐图1示出了该块的框图。 四、3.2.3. 插值滤波器使用BRAM对输入信号施加延迟然而，可以通过应用分数延迟以及整数延迟来增加延迟精度。使用插值滤波器将分数延迟应用于BRAM的输出（其为整数延迟信号）。线性内插可以用于应用分数延迟，因为其实现简单，但提供了良好的结果，如下一节所讨论的为了应用线性插值，在单位采样时间内在输出处需要至少两个样本因此，插值滤波器的工作频率和BRAM的输出内插滤波器的框图如图所示。 五、插值滤波器的输出被传递到变迹系统，TEM以获得最终的波束成形输出。然后，使用数字扫描转换块将波束成形输出转换为图像形式，并在几个图像处理应用之后传递到显示设备。3.3. 切趾单位在[30]中提出了一种提供高图像对比度和良好横向分辨率的变迹算法。在该算法中，选择了多个窗函数，使其与矩形窗函数的主瓣性能相似，而旁瓣所有的窗函数都应用于输入信号。计算每个扫描点的所有窗口信号的方差。现在，通过选择具有最小和最大方差的信号该谱的归一化互相关是用应用矩形窗创建的数据集计算的。最后，将阈值化应用于这些NCC系数的平均值以计算波束成形输出。如图6所示的基于IEEE单精度浮点运算的算法架构也在[30]中给出。最初，使用浮点乘法器和加法器创建窗口数据集将窗口化数据集传递到方差计算器模块，其计算窗口化信号的方差。现在，选择具有最小和最大方差的信号，并使用NCC块计算最后，使用平均值和阈值化块来应用阈值化。对于NCC的计算，需要浮点移动加法架构，如图所示。第六章[40]中提出了一种浮点移动加法计算器，用于所提出的波束形成器架构。在[30]中给出了该架构的不同块的详细描述。3.4. 控制单元如果我们考虑聚焦单元的工作，则使用地址生成器块访问来自BRAM的不同地址的样本。这些输入样本存储在控制器上的BRAM中，M.阿加瓦尔A. Tomar和N. Kumar工程科学与技术，国际期刊24（2021）1080-10891085图四、建议的地址生成器块的框图图五. 提出的线性插值滤波器的框图。使用计数器作为输入地址逐个地定时位置。因此，为了准确地访问延迟的样本，输入地址计数器必须达到需要访问的BRAM的最大地址之外。控制单元通过在计数器输出达到超过最大整数延迟之后向延迟计算器产生启动信号来控制该延迟计算器也必须复位后计算的延迟值，在一个扫描线，这也是由控制单元块控制的所有扫描点该块还负责控制其他块的操作，例如切趾单元、插值滤波器以及包络检测和对数压缩单元。这些单元可以具有不同的操作频率。控制模块采用有限状态机（FSM）设计。4. 结果和讨论4.1. 仿真结果Field II工具箱[41]用于验证波束形成器性能。 一种具有64个元件的凸相控阵探头，选择5MHz中心频率用于成像。 探头中换能器元件的间距等于发射波的波长。阵列元件的高度取为5mm。为了拍摄图像，用频率等于中心频率的正弦波的2个周期激励阵列，并且用40MHz采样频率对接收到的RF样本进行采样。所有图像都显示为80dB的动态范围。4.1.1. 应用分数延迟时不同插值方法的效果为了研究不同插值函数（用于应用分数延迟后的信号估计）对图像质量的影响，使用Field II工具箱[41]创建并模拟了直径为4mm且位于20mm、30mm和40mm深度的三个圆形囊肿幻影。对于所有模拟，阵列在发射期间固定聚焦在30mm深度处，并且在接收期间以10MHz的更新频率动态聚焦。在发送和接收期间都使用固定的均匀变迹。M.阿加瓦尔A. Tomar和N. Kumar工程科学与技术，国际期刊24（2021）1080-10891086见图6。MiMaDAX架构框图[30]。图7显示了通过应用不同的插值函数（线性、余弦和最近邻插值）来应用分数延迟并使用上述设置。对于所有插值，在发射焦点深度（30mm）处囊肿的可见性优于其他深度。从视觉上看，很难区分-图第七章在分数延迟计算中使用不同的插值，具有直径为4 mm的囊肿的体模图像，中心位于（a，b，c）20 mm、（d，e，f）30 mm和（g，h，i）40 mmM.阿加瓦尔A. Tomar和N. Kumar工程科学与技术，国际期刊24（2021）1080-10891087ð Þ ðÞ-将相同深度的图像进行推理。对比度噪声比（CNR）用于量化这些图像之间的差异。CNR可以通过将背景像素值的平均值和囊肿像素值之间的差与背景像素的标准偏差的比率取为（3）来计算。4.2. 实施结果使用[17]中提出的动态延迟计算器和[30]中提出的变迹系统，为64通道凸相控阵探头实现了所提出的波束形成器架构。在延迟计算器中，一些硬件资源被许多元件共享以减少硬件需求。CNRS't-S'b设计中使用的延迟计算器架构使用相同的3¼ rb其中，S<$t是目标的平均值，S<$b是背景的平均值，rb是背景的标准差。 在图7中，每个深度的第一图像的囊肿区域中的白色矩形和背景区域中的黑色矩形表示用于计算CNR的区域不同深度处的CNR值列于图1中。1.一、可以观察到，CNR值对于所有插值几乎相似。线性插值在20mm深度处的性能略好，而余弦插值在其他深度处的CNR略高。由于线性插值易于实现，并且在所有深度处提供良好的图像对比度，因此它用于在所提出的波束形成器中应用插值。需要高计算复杂性的插值不包括在比较中，因为它们增加了硬件复杂性。4.1.2.使用所提出的波束形成和标准波束形成设置图8示出了使用在所提出的波束形成器设计中使用的设置和标准聚焦设置的位于距换能器阵列45mm深度处的3mm囊肿的图像。在所提出的波束形成设置中，[17]中提出的延迟计算器和线性插值分别用于计算动态延迟值和应用分数延迟，而对于标准波束形成设置，Field II工具箱[41]的内部函数用于应用动态聚焦。在[30]中提出的MiMaDAX方法用于在两种情况下应用切趾。两种图像提供了相似的视觉和CNR性能。为了检查所提出的波束形成器对横向分辨率的影响，将具有两个4mm的圆形囊肿的体模以5mm的中心距离放置在一边，并使用FieldII工具箱进行模拟 图图9示出了使用所提出的和标准的聚焦设置模拟的图像。两个图像显示出近似相似的视觉性能。所提出的方法的性能也检查在一个更复杂的情况下，通过模拟在多个位置的多个囊肿的幻影。还使用Field II工具箱模拟了由3个直径为3mm的囊肿组成的体模，这些囊肿位于3; 35; 0; 38和3; 41的位置，其中xx;yy;xx和yy分别表示距离换能器阵列中心的横向和轴向距离（mm）发射焦点保持固定在38mm的深度，接收中使用动态聚焦。图10显示了使用所提出的设置和标准设置的图像。由所提出的设置产生的图像提供比标准设置更好的视觉性能。表1不同插值方法对不同深度囊肿图像的CNR分析。深度线性插值余弦插值最近邻插值20mm4.25244.16053.927630毫米7.01147.01926.847640毫米3.37293.37643.2884用于计算延迟值的硬件资源16频道针对IEEE单精度浮点数实现了变迹系统，以获得高动态范围。通过共享四个通道的大部分硬件资源，降低了对硬件的要求为了实现10MHz的延迟更新频率，延迟计算器的工作频率取为160MHz，因为相同的硬件资源用于16个通道。类似地，对于40MHz的采样频率，切趾系统的工作频率取为160MHz。资源共享也通过为两个元件共享大小为1024 × 32位的每个双端口BRAM而应用于波束形成器架构中。因此，写入时钟频率（80MHz）为采样频率的两倍，而读取时钟频率（160MHz）为两倍写时钟频率。每个插值滤波器模块也被四个阵列元件共享。因此，该模块的工作频率也取为160MHz。图2总结了在Xilinx FPGA-XC 5VLX 330（Virtex 5）中合成时波束所提出的波束形成器仅利用可用切片的21.5%的DSP 48E1切片。它消耗32个36KbRAM作为64单元换能器阵列的延迟线，4个18Kb RAM存储延迟计算器的初始数据。提出的波束形成器架构也模拟使用Synopsys设计编译器工具与UMC 90nm CMOS标准单元库。当BRAM被取离芯片时，波束形成器、变迹单元和聚焦单元所需的逻辑资源分别为1370k、1122.1k和246.2k，这与几位研究人员提出了各种波束形成器架构，在第1节中进行了讨论。然而，没有波束形成器架构是基于IEEE单精度算法的。因此，未提供硬件架构的比较。5. 结论本文提出了一种64通道接收波束形成器的结构，它包括延迟计算器、切趾单元和有效的聚焦系统。该波束形成器采用双端口块RAM和线性插值滤波器，分别实现了双端延迟和分数端延迟。通过在不同层次上应用资源共享，降低了波束形成器的硬件复杂度。建议波束形成器的性能进行了测量，通过模拟几个囊肿幻影的帮助下，字段II工具箱。建议的波束形成器consumes 60%的Xilinx Virtex5 XC5VLX330 FPGA的可用切片。竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。M.阿加瓦尔A. Tomar和N. Kumar工程科学与技术，国际期刊24（2021）1080-10891088图八、使用（a）拟定波束形成器中使用的聚焦装置（b）标准聚焦方法的3mm囊肿图像图第九章使用（a）拟议波束形成器中使用的聚焦装置（b）标准聚焦方法，将具有两个4mm圆形囊肿的体模图像放在一边见图10。使用（a）拟议波束形成器中使用的聚焦设置（b）标准聚焦方法，在不同位置放置三个3mm囊肿的体模图像。M.阿加瓦尔A. Tomar和N. Kumar工程科学与技术，国际期刊24（2021）1080-10891089表2波束形成器、变迹架构和聚焦电路在Xilinx Virtex5 XC5VLX330 FPGA上的硬件利用逻辑利用率波束形成器变迹聚焦单元可用切片切片注册861837232414371207360占用的切片数3117627638618251840切片LUT825227044412084207360DSP 48E1片18811672864RAMB36E1数量32–32720RAMB18E1数量4–41440引用[1] P.R.霍斯金斯Martin，A. Thrush（Eds.），诊断超声物理学和设备，剑桥大学出版社，爱丁堡大楼，剑桥CB2 8RU，英国，2010年。[2] M. Karaman，P. C. Li，M.陈文辉，“超音波系统之合成孔径成像”，国立成功大学机械工程研究所硕士论文，民国92年。[3] S.E. Noujaim，S.L. Garverick，M. O 'Donnell，使用过采样A/D转换器的相控阵超声波束形成（041993）。网址：https：www.google.ch/patents/US5203335..[4] S.R. Freeman ， M.K. 快 点 ， 硕 士 。 莫 兰 Anderson ， C.S. Desilets ， T.E.Linnenbrink，M. O’Donnell, An ultrasoundbeamformer usingoversampling,2，1997，pp.1687-1690年[5] J.S. 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