CN105406836B - 一种降采样解调滤波方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降采样解调滤波方法。所述方法，包括：对原始信号进行混频处理，以得到同相支路信号和正交支路信号；根据所述原始信号的特征设计低通滤波器；根据非整数降采样因子在相邻两个采样点之间的位置处设计K个插值滤波器，其中，M，K，k均为整数，1≤k≤K‑1；结合所述低通滤波器和所述插值滤波器，根据所述非整数降采样因子对所述同相支路信号和正交支路信号分别进行滤波，得到原始信号的同相分量和正交分量。本发明提供的技术方案，能够采用任意非整数降采样因子对信号进行降采样解调滤波。

Description

一种降采样解调滤波方法
技术领域
本发明实施例涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种降采样解调滤波方法。
背景技术
解调滤波的主要作用是从原始的载波信号中解调出与被探测物体信号幅度和相位对应的低频信号。解调的方法通常包括简单解调、正交解调、希尔伯特(Hilbert)变换解调、二次采样解调和多次采样解调等多种方法，其中，正交解调方法经常被应用在无线电以及射频等信号的处理中。
图1是现有技术中信号正交解调的数学模型的结构示意图。参见图1，原始离散数字信号S(n)首先经过混频(分别乘以正交的正弦信号sin(2πf0nT)和余弦信号cos(2πf0nT)，f0为解调频率，T为采样周期)得到两支路信号；然后分别对两路支路信号进行低通滤波(LowPass Filter，LPF)处理，滤除高频信号，保留低频信号，得到两路正交信号，即同相分量I(n)和正交分量Q(n)。由于有限长单位冲激响应(Finite Impulse Response，FIR)滤波器具有较好的线性相位特性，此处的低通滤波器(也称“解调滤波器”)通常选用FIR滤波器。
通常载波信号的采样频率远高于被测物体信号的频率，并且终端显示设备的显示像素有限，因此，在解调滤波过程中一般要对信号进行降采样处理。在满足奈奎斯特采样定理的前提下，通过降采样处理满足显示设备能显示的采样点数。为了减少计算量，降采样处理通常都在低通滤波阶段完成。
现有技术中降采样处理常见的处理方法是，在滤波时按照一定的降采样因子对信号进行抽样滤波。例如，降采样因子为3，每隔3个点取一段与滤波器长度相同的信号进行滤波，最终的信号采样点数量数只有原始信号数量的1/3。上述按照一定的降采样因子对信号进行解调滤波处理中，通常降采样因子必须为正整数，不能为小数，因而有可能在调节显示图像深度时造成降采样信号采样点数量的较大波动。
现有技术中对信号进行非整数降采样因子的降采样处理，一种方法是对信号进行插值后再进行降采样处理，首先通过插值的方式得到非整数点位置的采样值，然后再进行降采样处理。例如：要实现对信号的2.5倍降采样处理，首先对信号进行2倍插值得到相邻采样点中间位置处(0.5、1.5、2.5)的采样值；然后再对插值后的信号进行5倍降采样因子的降采样处理。在实际处理过程中，随着插值倍数的提高，信号长度呈几何倍数增长，使得低通滤波处理中进行大量的计算，该方法虽然简单，但是计算量庞大，在上述方法中采用任意非整数降采样因子对信号进行降采样解调滤波难度较大，并且实用价值低。
发明内容
本发明提供了一种降采样解调滤波方法，以实现采用任意非整数降采样因子对信号进行降采样解调滤波。
本发明提供了一种降采样解调滤波方法，所述方法，包括：对原始信号进行混频处理，以得到同相支路信号和正交支路信号；根据所述原始信号的特征设计低通滤波器；根据非整数降采样因子在相邻两个采样点之间的位置处设计K个插值滤波器，其中，M，K，k均为整数，1≤k≤K-1；结合所述低通滤波器和所述插值滤波器，根据所述非整数降采样因子对所述同相支路信号和正交支路信号分别进行滤波，得到原始信号的同相分量和正交分量。
进一步地，对所述原始信号进行混频处理，以得到同相支路信号和正交支路信号，包括：设置解调频率；将所述原始信号与所述解调频率的余弦信号相乘，得到同相支路信号；将所述原始信号与所述解调频率的正弦信号相乘，得到正交支路信号。
进一步地，所述解调频率为固定值或变化值。
进一步地，所述低通滤波器采用有限脉冲响应数字滤波器，用于滤除所述同相支路信号和正交支路信号中的高频信号。
进一步地，所述插值滤波器采用有限脉冲响应数字滤波器，用于根据所述插值滤波器插值位置前后的所述支路信号计算得到所述插值位置的信号。
进一步地，结合通过所述低通滤波器和所述插值滤波器，根据所述非整数降采样因子对所述同相支路信号和正交支路信号分别进行滤波，包括：
所述K个插值滤波器分别与所述低通滤波器进行卷积，形成K个低通插值滤波器；根据所述非整数降采样因子确定的所述采样点位置依次选择相应的所述低通插值滤波器对所述同相支路信号和正交支路信号分别进行滤波。
本发明实施例提供的技术方案，根据非整数降采样因子在相邻两个采样点之间的位置处设计K个插值滤波器，结合低通滤波器和插值滤波器对原始信号混频之后的信号进行滤波，实现了采用任意非整数降采样因子对信号进行降采样解调滤波。
附图说明
图1是现有技术中信号正交解调的数学模型的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种降采样解调滤波方法的流程示意图；
图3是本发明实施例一适用的一种降采样解调滤波方法的数学模型结构示意图；
图4是本发明实施例二提供的一种超声成像的流程示意图；
图5是本发明实施例二提供的一种适用于超声成像的低通滤波器系数曲线示意图；
图6是本发明实施例二提供的一种适用于超声成像的降采样解调滤波示意图；
图7是本发明实施例二提供的一种适用于超声成像的降采样解调滤波的同相分量示意图；
图8是本发明实施例二提供的一种适用于超声成像的降采样解调滤波的正交分量示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图2是本发明实施例一提供的一种降采样解调滤波方法的流程示意图。所述方法适用于无线电以及射频等信号的降采样解调滤波。参见图2，所述降采样解调滤波方法，包括：
S110、对原始信号进行混频处理，以得到同相支路信号和正交支路信号；
S120、根据所述原始信号的特征设计低通滤波器；
S130、根据非整数降采样因子在相邻两个采样点之间的位置处设计K个插值滤波器，其中，M，K，k均为整数，1≤k≤K-1；
S140、结合所述低通滤波器和所述插值滤波器，根据所述非整数降采样因子对所述同相支路信号和正交支路信号分别进行滤波，得到原始信号的同相分量和正交分量。
通过对原始信号进行上述步骤的降采样解调滤波方法，实现了采用任意非整数降采样因子对信号进行降采样解调滤波。
进一步地，步骤S140、结合所述低通滤波器和所述插值滤波器，根据所述非整数降采样因子对所述同相支路信号和正交支路信号分别进行滤波，包括：所述K个插值滤波器分别与所述低通滤波器进行卷积，形成K个低通插值滤波器；根据所述非整数降采样因子确定的所述采样点位置依次选择相应的所述低通插值滤波器对所述同相支路信号和正交支路信号分别进行滤波。
图3是本发明实施例一适用的一种降采样解调滤波方法的数学模型结构示意图。参见图3，假设原始信号为S(n)，解调正弦信号为sin(2πf0nT)，解调余弦信号为cos(2πf0nT)，其中，原始信号S(n)为离散信号，f0为解调频率，T为采样周期，n为离散采样点。优选的，解调频率f0可以是固定值或变化值。
首先，设置解调频率f0，将原始信号S(n)与解调频率f0的余弦信号cos(2πf0nT)相乘，得到同相支路信号，将原始信号S(n)与解调频率f0的正弦信号sin(2πf0nT)相乘，得到正交支路信号。与此同时，设计低通滤波器LPF和插值滤波器IF，上述两滤波器卷积形成低通插值滤波器LPIF。其中，低通滤波器LPF是根据原始信号S(n)的频率和带宽等特征进行设计的，用以滤除同相支路信号和正交支路信号中的高频信号。根据非整数降采样因子在相邻两个采样点之间的个插值位置处设计K个插值滤波器IF(M，K，k均为整数，1≤k≤K-1)，K个插值滤波器IF分别与低通滤波器LPF卷积，形成K个低通插值滤波器LPIF。优选的，低通滤波器LPF和插值滤波器IF均采用有限脉冲响应数字滤波器。最后，根据非整数降采样因子确定的采样点位置依次选择相应的低通插值滤波器LPIF对同相支路信号和正交支路信号进行滤波，得到原始信号的同相分量I(n)和正交分量Q(n)。上述降采样解调滤波方法中，实现了采用任意非整数降采样因子对信号进行降采样解调滤波。
降采样解调滤波过程中，假设原始信号S(n)与正弦信号sin(2πf0nT)混频后的信号为S1(n)，插值滤波后的信号SIF1(n)可表示为信号S1(n)和插值滤波器IF(n)的卷积SIF1(n)＝S1(n)*IF(n)。设计FIR型的低通滤波器LF(n)，则之后的低通滤波过程可表示为：I(n)＝SIF1(n)*LF(n)＝(S1(n)*IF(n))*LF(n)，其中，I(n)为与原始信号S(n)对应的同相分量。根据卷积运算的结合律，交换上述卷积运算的先后顺序，I(n)可表示为：I(n)＝(S1(n)*IF(n))*LF(n)＝S1(n)*(IF(n)*LF(n))。同理，原始信号S(n)与余弦信号cos(2πf0nT)混频后的信号S2(n)也是一样。上述公式以及计算过程表明，原始信号混频之后的支路信号与插值滤波器卷积后再经过低通滤波器滤波等同于插值滤波器与低通滤波器卷积后再对支路信号进行滤波。但是，如果先对支路信号和插值滤波器卷积，然后再利用低通滤波器滤波，那么每次对新的支路信号都必须重复一次卷积运算，而如果先对插值滤波器和低通滤波器进行卷积，只需要对不同的滤波器进行一次卷积运算。由于信号长度通常远远大于低通滤波器的长度，并且信号一直在变化，而插值滤波器和低通滤波器卷积过程设计好以后就相对比较固定。所以，先对插值滤波器和低通滤波器进行卷积，然后再对原始信号的支路信号进行滤波，相比于先对原始信号的支路信号和插值滤波器进行卷积，再经过低通滤波器滤波，计算量小得多。因此，降采样解调滤波方法中采用低通插值滤波器能够减小计算量。
本发明实施例提供的技术方案，设计低通插值滤波器，并且根据非整数降采样因子在相邻两个采样点之间的个位置处设计K个插值滤波器，结合插值滤波器和低通插值滤波器，根据非整数降采样因子，对原始信号混频之后的支路信号进行滤波，实现了采用任意非整数降采样因子对信号进行降采样解调滤波。
实施例二
超声成像因为其无创性、实时性、操作方便、价格便宜等诸多优势，使其成为临床上应用最为广泛的诊断工具之一。超声成像常用的功能模式包括二维黑白(B)模式、频谱多普勒模式(PW/CW)以及彩色血流模式(CF/PDI)。B模式依赖于超声回波信号的幅度进行成像，获取的是组织二维结构和形态信息，回波信号强度越大则对应的图像像素灰度值越大，反之则灰度值越小；PW/CW以及CF/PDI模式的基本原理都是多普勒效应，均依赖于超声回波信号的相位进行成像，获取的是速度、方向、能量等血流信息。
图4是本发明实施例二提供的一种超声成像的流程示意图。如图4所示，超声成像通包括如下步骤：
S210、向超声探头发射超声信号；
S220、从超声探头接收超声信号；
S230、信号波束合成；
S240、得到解调滤波后的信号；
S250、按照不同模式的不同处理方法进行成像处理，得到B模式图像、PW/CW模式图像以及CF/PDI模式图像。
其中，超声探头向人体组织发射的超声信号称为载波，人体组织信号相对于高频载波信号通常是一种低频信号，因而超声探头接收的回波信号可以认为是经过幅度调制后的信号。解调滤波的主要作用就是从原始的超声射频信号中解调出反应组织信号幅度和相位的低频信号。解调的方法通常包括简单解调、正交解调、希尔伯特(Hilbert)变换解调、二次采样解调和多次采样解调等多种方法，目前在超声诊断设备上常用的解调方法是正交解调法。
由于超声射频信号的采样频率通常远高于实际人体组织信号的频率，而且最终在显示器上能显示的像素也有限，因此，在解调滤波的过程中一般要对信号进行降采样处理，在满足奈奎斯特采样定理的前提下通过降采样达到显示器能显示的采样点数量。为了减少计算量，降采样的过程在低通滤波阶段完成，在滤波时按照一定的降采样因子对信号进行抽样滤波，比如降采样因子为3，那么就每隔3个点取一段与滤波器长度相同的信号进行滤波，最终的信号采样点数只有原信号的1/3。
本实施例中采用实施例一中的降采样解调滤波方法对超声成像中的射频信号进行降采样解调滤波。示例性的，以降采样因子为例，在进行连续降采样抽取的过程中，依次会抽取到位置处的采样值，相邻采样点之间的位置处的采样值总是能被抽取到，因此，针对相邻采样点之间的这3个位置设计3个插值滤波器，以最简单的两点线性插值为例，这3个插值滤波器的系数分别为[1,0]、然后，将上述3个插值滤波器分别与低通滤波器进行卷积，得到3个低通插值滤波器。利用上述3个低通插值滤波器对超声射频的原始信号经混频后的两路信号分别进行滤波，
根据非整数降采样因子确定的采样点位置依次选择相应的低通插值滤波器对超声原始射频信号经混频后的两路信号分别进行滤波。
本实施例的实施方式中，对一个真实的超声射频信号进行降采样解调滤波测试，超声射频信号的解调频率设为10MHz，低通滤波器为16阶FIR滤波器，降采样因子取设计三次样条插值滤波器，在位置处对应的插值滤波器系数分别是[0 1 0 0]、[-0.074074074 0.777777778 0.333333333-0.037037037]、[-0.037037037 0.3333333330.777777778 -0.074074074]，图5是低通滤波器的系数曲线，横坐标为点数，纵坐标为系数值。将低通滤波器和上述插值滤波器依次进行卷积，得到三个低通插值滤波器，参见图6，三个低通插值滤波器的系数分别以虚线、实线和点画线表示，其中横坐标为点数，纵坐标为系数值。利用该组低通插值滤波器对解调形成的同相支路信号和正交支路信号分别进行滤波，得到同相分量信号(参见图7)和正交分量信号(参见图8)，图7和图8中黑色实线曲线为不采用降采样处理而直接进行解调滤波的信号，黑色星号曲线为采用本发明的降采样解调滤波方法对信号进行降采样解调滤波处理，由图7和图8可以可知，采用降采样解调滤波方法处理后的信号和原信号具有极高的匹配度。
本实施例提供的技术方案，实现了采用任意非整数降采样因子对超声射频信号进行降采样解调滤波处理。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (5)

1.一种降采样解调滤波方法，其特征在于，包括：
对原始信号进行混频处理，以得到同相支路信号和正交支路信号；
根据所述原始信号的特征设计低通滤波器；
根据非整数降采样因子在相邻两个采样点之间的位置处设计K个插值滤波器，其中，M，K，k均为整数，1≤k≤K-1；
结合所述低通滤波器和所述插值滤波器，根据所述非整数降采样因子对所述同相支路信号和正交支路信号分别进行滤波，得到原始信号的同相分量和正交分量；
其中，所述结合所述低通滤波器和所述插值滤波器，根据所述非整数降采样因子对所述同相支路信号和正交支路信号分别进行滤波，得到原始信号的同相分量和正交分量，包括：
所述K个插值滤波器分别与所述低通滤波器进行卷积，形成K个低通插值滤波器；
根据所述非整数降采样因子确定的所述采样点位置依次选择相应的所述低通插值滤波器对所述同相支路信号和正交支路信号分别进行滤波；
其中，所述低通滤波器是根据原始信号的频率和带宽设计的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述原始信号进行混频处理，以得到同相支路信号和正交支路信号，包括：
设置解调频率；
将所述原始信号与所述解调频率的余弦信号相乘，得到同相支路信号；
将所述原始信号与所述解调频率的正弦信号相乘，得到正交支路信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述解调频率为固定值或变化值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低通滤波器采用有限脉冲响应数字滤波器，用于滤除所述同相支路信号和正交支路信号中的高频信号。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述插值滤波器采用有限脉冲响应数字滤波器，用于根据所述插值滤波器插值位置前后的所述支路信号计算得到所述插值位置的信号。
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