RF信号数字滤波方法、装置、CPLD芯片及超声设备与流程

本发明涉及超声设备技术领域，特别涉及一种RF信号数字滤波方法、装置、CPLD芯片及超声设备。

背景技术：

胎心多普勒检测，是一种利用超声回波来检测胎儿心跳情况的手段，用户可以使用手段听取与胎儿心跳频率相关的声波信号，并以此了解胎儿的心跳频率等参数。市场上所销售的胎心多普勒监测设备均是采用模拟解调的方式进行胎心超声波频移信息的提取。而目前，胎心设备的数字化是一种趋势，因此，越来越多的胎心多普勒厂家开始将研发重心慢慢转移至数字化道路上来，但是，由于超声技术的数字化道路，一直是基于彩超的硬件基础和理论算法在进行发展，因此胎心多普勒设备的数字化道路一直受制于成本控制，还难以使用低成本的硬件设计来实现多普勒信号的提取。

现有模拟电路的解调功能能够提取出胎心的运动信息，实现之前模拟解调电路所不具备的功能。但是，由于模拟前端在对RF信号进行放大处理的过程中，不可避免要引入一些噪声，而这些噪声本身就是模拟前端造成的，不可能通过模拟滤波器进行滤除，使得系统接收的RF信号信噪比不高，因此，传统B型超声设备均采用数字滤波器进行前级滤波以消除这些噪声信号。而使用数字滤波器，无论是FIR或者IIR滤波器，都必须采用多级乘法器来实现，这样就极大地提高了运行硬件成本，使得无法使用低成本的CPLD器件来完成这些设计，极大地阻碍了胎心多普勒的数字化道路。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种RF信号数字滤波方法、装置、CPLD芯片及超声设备；将滤波器中的乘法运算变换成移位和加法运算，在实现原有滤波器效果的同时，大大减少了其硬件资源。

为解决上述技术问题，本发明提供一种RF信号数字滤波方法，包括：

确定滤波系数参数的分母幂指数数值和分子幂指数数值；

根据RF信号确定滤波部分数据，将所述滤波部分数据分别向左移动各个所述分子幂指数数值位，将各个移动后的数据进行累加；并将累加后的数据向右移动所述分母幂指数数值位。

可选的，确定滤波系数参数的分母幂指数数值和分子幂指数数值，包括：

确定初始滤波系数参数及参数转换误差精度；

将所述初始滤波系数参数的分母变换为2的整数幂作为滤波系数参数的分母，并确定分母幂指数数值；

根据所述参数转换误差精度及滤波系数参数的分母，确定滤波系数参数的分子，并将滤波系数参数的分子分解为n个2的整数幂相加形式，确定n个分子幂指数数值。

可选的，确定初始滤波系数参数及参数转换误差精度，包括：

当采样频率为20MSPS，设定-1dB截止频率为750KHz时，计算得到初始滤波系数参数为8/9；

获取设定的参数转换误差精度为1％。

可选的，当初始滤波系数参数为8/9及参数转换误差精度为1％，确定初始滤波系数参数为57/64，对应的分母幂指数数值为6和分子幂指数数值为5、4、3、0时，根据RF信号确定滤波部分数据，将所述滤波部分数据分别向左移动各个所述分子幂指数数值位，将各个移动后的数据进行累加；并将累加后的数据向右移动所述分母幂指数数值位，包括：

根据RF信号确定滤波部分数据x(n)-x(n-1)+y(n-1)，将所述滤波部分数据x(n)-x(n-1)+y(n-1)分别向左移动5位，4位，3位，0位，将各个移动后的数据进行累加；并将累加后的数据向右移动6位；

其中，x(n)为本次模数转换的采样值，x(n-1)为上一次模数转换的采样值，y(n-1)为上一次经过滤波之后的结果。

本发明还提供一种RF信号数字滤波装置，包括：

移位数据变化模块，用于确定滤波系数参数的分母幂指数数值和分子幂指数数值；

移位模块，用于根据RF信号确定滤波部分数据，将所述滤波部分数据分别向左移动各个所述分子幂指数数值位，将各个移动后的数据进行累加；并将累加后的数据向右移动所述分母幂指数数值位。

可选的，所述移位数据变化模块，包括：

系数确定单元，用于确定初始滤波系数参数及参数转换误差精度；

分母移位数据确定单元，用于将所述初始滤波系数参数的分母变换为2的整数幂作为滤波系数参数的分母，并确定分母幂指数数值；

分子移位数据确定单元，用于根据所述参数转换误差精度及滤波系数参数的分母，确定滤波系数参数的分子，并将滤波系数参数的分子分解为n个2的整数幂相加形式，确定n个分子幂指数数值。

可选的，所述系数确定单元具体为当采样频率为20MSPS，设定-1dB截止频率为750KHz时，计算得到初始滤波系数参数为8/9，并获取设定的参数转换误差精度为1％的单元。

可选的，所述移位数据变化模块具体为当初始滤波系数参数为8/9及参数转换误差精度为1％，确定初始滤波系数参数为57/64，对应的分母幂指数数值为6和分子幂指数数值为5、4、3、0的模块；

所述移位模块具体为根据RF信号确定滤波部分数据x(n)-x(n-1)+y(n-1)，将所述滤波部分数据x(n)-x(n-1)+y(n-1)分别向左移动5位，4位，3位，0位，将各个移动后的数据进行累加；并将累加后的数据向右移动6位的模块；

其中，x(n)为本次模数转换的采样值，x(n-1)为上一次模数转换的采样值，y(n-1)为上一次经过滤波之后的结果。

本发明还提供一种CPLD芯片，包括：

左移器，用于将根据RF信号确定的滤波部分数据分别向左移动各个分子幂指数数值位；

加法器，用于将各个左移后的数据进行累加；

右移器，用于将累加后的数据向右移动分母幂指数数值位。

本发明还提供一种超声设备，包括：如上述所述的CPLD芯片。

本发明所提供的一种RF信号数字滤波方法，包括：确定滤波系数参数的分母幂指数数值和分子幂指数数值；根据RF信号确定滤波部分数据，将滤波部分数据分别向左移动各个分子幂指数数值位，将各个移动后的数据进行累加；并将累加后的数据向右移动分母幂指数数值位；

可见，该方法将滤波器中的乘法运算变换成移位和加法运算，在实现原有滤波器效果的同时，大大减少了其硬件资源，使得低成本的CPLD芯片上也能够兼容这套数字滤波方法，使得低成本的数字化胎心多普勒检测得以实现；本发明还提供一种了RF信号数字滤波装置、CPLD芯片及超声设备，具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的RF信号数字滤波方法的流程图；

图2为本发明实施例所提供的RF信号数字滤波过程的示意图；

图3为本发明实施例所提供的胎心多普勒检测的RF信号数字滤波的过程的示意图；

图4为本发明实施例所提供的RF信号数字滤波装置的结构框图；

图5为本发明实施例所提供的CPLD芯片的结构框图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种RF信号数字滤波方法、装置、CPLD芯片及超声设备；将滤波器中的乘法运算变换成移位和加法运算，在实现原有滤波器效果的同时，大大减少了其硬件资源。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例所提供的RF信号数字滤波方法的流程图；该方法可以包括：

S100、确定滤波系数参数的分母幂指数数值和分子幂指数数值；

S110、根据RF信号确定滤波部分数据，将滤波部分数据分别向左移动各个分子幂指数数值位，将各个移动后的数据进行累加；并将累加后的数据向右移动分母幂指数数值位。

具体的，由于现有技术中数字滤波一般都提供乘法器实现，但是乘法器占用的硬件资源较大，因此成本高，不适宜推广。因此，该方法将滤波系数参数通过的分子分母的移位过程实现。即将滤波器中的乘法运算变换成移位和加法运算，实现现有的数字滤波效果。

由于当前电路多采用DC-DC方式进行电压变换，因此在超声回波信号中不可避免地将耦合进这些电源噪声，根据DC-DC的变换频率，相较于超声回波信号而言，这些都属于低频噪声，因此需要对超声回波信号进行高通滤波，以滤除该类电源噪声。即根据选定的滤波公式，根据滤波频率以及精度等因素确定初始滤波系数参数。并将该初始滤波系数参数划分为2的整数幂形式，这时由于计算机系统内都是2进制过程。根据转化后的滤波系数参数的分子和分母，确定滤波系数参数的分母幂指数数值和分子幂指数数值。并按照此进行移位和加法操作。

即优选的，确定滤波系数参数的分母幂指数数值和分子幂指数数值可以包括：

确定初始滤波系数参数及参数转换误差精度；

将初始滤波系数参数的分母变换为2的整数幂作为滤波系数参数的分母，并确定分母幂指数数值；

根据参数转换误差精度及滤波系数参数的分母，确定滤波系数参数的分子，并将滤波系数参数的分子分解为n个2的整数幂相加形式，确定n个分子幂指数数值。

具体的，本实施例并不限定初始滤波系数参数及参数转换误差精度的具体取值，用户可以根据实际使用情况进行确定。

以IIR高通滤波器为例说明上述过程，其他滤波器的过程类似，进行适应性变化即可。其中IIR高通滤波器公式为：

即为初始滤波系数参数。其中，x(n)为本次模数转换的采样值，x(n-1)为上一次模数转换的采样值，y(n-1)为上一次经过滤波之后的结果，y(n)为本次滤波之后的结果。

根据具体高通滤波的截止频率等参数可以确定初始滤波系数参数的数值。并根据初始滤波系数参数与滤波系数参数的参数转换误差精度，确定转化后的分母幂指数数值和n个分子幂指数数值。

在实际选取滤波参数的过程中，分母只要选取的2的整数幂值2^m，则形成对应的滤波参数分子，由于任何数值都可以转换为多个2的整数幂值相加，则在实际过程中，将分母选定，分子也就确定了，将分子四舍五入整数化为N后，都可以进行如下转换：N＝2^a+2^b+2^c+2^d+......+2^l。即将N化解为l个2的整数幂值相加的结果。即可以参考图2说明上述滤波过程。其中，RF回波信号即RF信号，Data_store即为滤波部分数据。在IIR高通滤波器下为x(n)-x(n-1)+y(n-1)。

根据上述图2可以完成该算法功能的Verilog语言，具体可以如下：

根据以上所示的Verilog语言所实现的算法，用户即可在之后的always模块中调用数字滤波后的数据。根据对应的Verilog语言，使得该算法实现了工程化，能够直接应用于目前低成本的CPLD器件中。

该方法适用于数字化胎心多普勒检测的RF信号数字滤波的过程。即可以针对于1MHz的超声回波信号滤波，因为该频率是当前主流胎心多普勒检测设备的专用频率。以IIR滤波器为例，将滤波器中的乘法运算变换成移位和加法运算，在实现原有IIR滤波器效果的同时，大大减少了其硬件资源，使得低成本的CPLD芯片上也能够兼容这套数字滤波方法，使得低成本的数字化胎心多普勒检测得以实现。

基于上述技术方案，本发明提供的RF信号数字滤波方法，该方法将滤波器中的乘法运算变换成移位和加法运算，在实现原有滤波器效果的同时，大大减少了其硬件资源，使得低成本的CPLD芯片上也能够兼容这套数字滤波方法，使得低成本的数字化胎心多普勒检测得以实现。

基于上述实施例，基于胎心多普勒检测的RF信号的特点，当采样频率为20MSPS，设定-1dB截止频率为750KHz时，可以确定初始滤波系数参数为8/9；获取设定的参数转换误差精度为1％。即按照20MSPS采样频率来计算，设定-1dB截止频率为750KHz左右，因此选择系数k＝3，带入得到初始滤波系数参数为8/9即初始滤波参数为8/9。

为将整个公式满足基于加法和移位处理的要求，需要将分母化简为2的整指数值，例如2²、2³等等，便于进行移位计算，因此需要将8/9转换为近似值，其转换方式如下：

由于分母必须为2的整指数值，可以定任意数值，则分子数值为：(2ⁿ*8)/9,通过四舍五入得到整数分子，举例n取值为6，则分子为64*8/9＝56.8888，经过四舍五入可以转换为57，所以将8/9转换为57/64，误差仅为0.19％，满足精度要求。其-1dB截止频率误差不超过750KHz的1％，满足设计要求。

即当初始滤波系数参数为8/9及参数转换误差精度为1％，确定初始滤波系数参数为57/64，对应的分母幂指数数值为6和分子幂指数数值为5、4、3、0时，根据RF信号确定滤波部分数据，将滤波部分数据分别向左移动各个分子幂指数数值位，将各个移动后的数据进行累加；并将累加后的数据向右移动分母幂指数数值位，包括：

根据RF信号确定滤波部分数据x(n)-x(n-1)+y(n-1)，将滤波部分数据x(n)-x(n-1)+y(n-1)分别向左移动5位，4位，3位，0位，将各个移动后的数据进行累加；并将累加后的数据向右移动6位。

将x(n)-x(n-1)+y(n-1)作为一个整体Data_store，乘以滤波参数的分子再除以滤波参数的分母，由于每一个数都可以分解为n个2的整数幂相加。乘以分子的过程实际上可以转换为分别乘以2的整数幂，再相加的过程。以乘以57为例，57＝25+24+23+20，那么任何一个数乘以57，则可以拆分为这个数分别乘以2⁵，2⁴，2³，2⁰，然后将四个结果相加，则相当于乘以57。在二进制环境下，与2的整数幂相乘的过程非常简单，因为这个数值每向左移一位，则相当于是乘以2，则之前Data_store(n)乘以57的运算过程，相当于将其分别进行左移5位、4位、3位和不移位，得到四个结果，将这四个结果相加，得到的结果就是乘以57，这个过程即采用移位相加的方法得到了一个乘法器的效果。然后将得到的结果进行右侧移位6位，则相当于除以滤波参数的分母64，得到了前面的结果。过程图如图3所示。

基于上述技术方案，本发明提供的RF信号数字滤波方法，该方法将滤波器中的乘法运算变换成移位和加法运算，在实现原有滤波器效果的同时，大大减少了其硬件资源，使得低成本的CPLD芯片上也能够兼容这套数字滤波方法，使得低成本的数字化胎心多普勒检测得以实现。

下面对本发明实施例提供的RF信号数字滤波装置、CPLD芯片及超声设备进行介绍，下文描述的RF信号数字滤波装置、CPLD芯片及超声设备与上文描述的RF信号数字滤波方法可相互对应参照。

请参考图4，图4为本发明实施例所提供的RF信号数字滤波装置的结构框图；该装置可以包括：

移位数据变化模块100，用于确定滤波系数参数的分母幂指数数值和分子幂指数数值；

移位模块200，用于根据RF信号确定滤波部分数据，将滤波部分数据分别向左移动各个分子幂指数数值位，将各个移动后的数据进行累加；并将累加后的数据向右移动分母幂指数数值位。

基于上述实施例，移位数据变化模块100可以包括：

系数确定单元，用于确定初始滤波系数参数及参数转换误差精度；

分母移位数据确定单元，用于将初始滤波系数参数的分母变换为2的整数幂作为滤波系数参数的分母，并确定分母幂指数数值；

分子移位数据确定单元，用于根据参数转换误差精度及滤波系数参数的分母，确定滤波系数参数的分子，并将滤波系数参数的分子分解为n个2的整数幂相加形式，确定n个分子幂指数数值。

基于上述实施例，系数确定单元具体为当采样频率为20MSPS，设定-1dB截止频率为750KHz时，计算得到初始滤波系数参数为8/9，并获取设定的参数转换误差精度为1％的单元。

基于上述实施例，移位数据变化模块100具体为当初始滤波系数参数为8/9及参数转换误差精度为1％，确定初始滤波系数参数为57/64，对应的分母幂指数数值为6和分子幂指数数值为5、4、3、0的模块；

移位模块200具体为根据RF信号确定滤波部分数据x(n)-x(n-1)+y(n-1)，将滤波部分数据x(n)-x(n-1)+y(n-1)分别向左移动5位，4位，3位，0位，将各个移动后的数据进行累加；并将累加后的数据向右移动6位的模块。

请参考图5，图5为本发明实施例所提供的CPLD芯片的结构框图；可以包括：

左移器300，用于将根据RF信号确定的滤波部分数据分别向左移动各个分子幂指数数值位；

加法器400，用于将各个左移后的数据进行累加；

右移器500，用于将累加后的数据向右移动分母幂指数数值位。

即主要基于加法和移位运算(包括左移和右移)，就能够实现胎心多普勒检测过程中对超声RF信号的高通滤波，使得在其模拟放大过程中所耦合的噪声得到有效滤除。而且，其算法所占用的硬件资源极少，可以适应于低成本的CPLD器件的逻辑资源。

本发明还提供一种超声设备，包括：如上述实施例的CPLD芯片。

基于上述技术方案，本发明实施例提的超声设备单纯基于加法和移位计算就能够实现胎心多普勒检测的RF信号数字滤波，该超声设备专用于1MHz的超声回波信号滤波，因为该频率是当前主流胎心多普勒检测设备的专用频率。将滤波器中的乘法运算变换成移位和加法运算，在实现原有滤波器效果的同时，大大减少了其硬件资源，使得低成本的CPLD芯片上也能够兼容这套数字滤波算法，使得低成本的数字化胎心多普勒检测得以实现。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的RF信号数字滤波方法、装置、CPLD芯片及超声设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。