Delta-sigma örneklemeli altdizilim işlemeye dayalı bir demetleme yöntemi

Abstract

ÖZET DELTA-SİGMA ÖRNEKLEMELİ ALTDİZİLİM İŞLEMEYE DAYALI BİR DEMETLEME YÖNTEMİ Hasan Şakir Bilge ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI DOKTORA TEZİ Tez Yöneticisi: Prof.Dr. Turhan Çiftçibaşı Şubat 2003 Bu doktora tezinde, evreuyumlu görüntüleme sistemleri için delta-sigma analogtan sayısala çevirici ile örneklenen altdizilim sinyallerinin sayısal olarak işlenmesine dayalı yeni bir demetleme yöntemi sunulmaktadır. Önerilen yöntem, mevcut demetleme sistemlerine değişik açılardan birçok yeni yaklaşımlar getirmektedir. Bu sistemde demetleyici yapısının tamamen sayısal olması önerilmektedir. Sayısallaştırma işleminde yüksek hızda örnekleme yapabilen delta-sigma analogtan sayısala çeviricilerin kullanılması tasarlanmaktadır. Yüksek bir örnekleme hızı ile, yankı sinyallerinin hassas zaman aralıklarında örneklenmesi mümkün olmaktadır. Sık örneklenmiş veriler, odaklama ve yönlendirme için hesaplanan çok hassas gecikmeler ile kaydırılıp toplandığında demetleyicinin evreuyumluluğu artar. Delta-sigma örnekleme yapısında, önemli iki aşama vardır; bunlardan ilki yüksekhızda tek bitlik verilerin üretilmesi, diğeri ise örnek seyreltme ile birlikte çok bitli yapıya geçiş işlemidir. Örnek seyreltme işleminde kullanılan alçak geçiren süzgeç, demetlemedeki toplama işlemine göre doğrusaldır. Bu özellik kullanılarak önerilen sistemde, her alıcı kanalı için ayrı süzgeçleme yerine demetleme çıkışında bir defa süzgeçleme yapılır. Böylece süzgeç sayısı ve buna bağlı olarak sistemin donanım karmaşıklığı önemli ölçüde azalır. Örnek seyreltme işleminin, toplamanın çıkışında uygulanması ile demetlemenin delta-sigma kodlanmış tek bitlik veriler üzerinde yapılması mümkün olmaktadır. Tek bitlik demetleyici yapısı, donanımı çok büyük oranda basitleştirmektedir. Her ne kadar tek bitlik verilerde yüksek frekanslı nicemleme gürültüsü bulunsa bile, toplamadan sonra uygulanan süzgeç ile bu gürültü başarılı bir şekilde bastırılmaktadır. Delta-sigma kodlanmış tek bitlik veriler ile demetleme işlemi sabit alış odaklaması kullanıldığında başarılı bir şekilde çalışmaktadır. Fakat dinamik alış odaklaması yapıldığında, delta-sigma modülatörü ve demodülatörü arasındaki eşzamanlama bozulmaktadır. Delta-sigma kodlarının arasındaki ilişkinin bozulması, demetleyici çıkışının SNR düzeyini düşürür. Bu sorunu gidermek için, delta-sigma çeviricinin düzenli saat darbeleri ile örnek üretmesi yerine dinamik odaklama için veri gerektiği anlarda örnekleme yapması önerilmektedir. Bu düzgün olmayan örnekleme yaklaşımı ile üretilen delta-sigma kodları arasında herhangi bir bit kaybı veya tekrarı söz konusu olmayacağı için demetleyici çıkışındaki SNR istenen düzeyde tutulmuş olur. Bu çalışmada, geniş bir dönüştürücü diziliminin, altdizilimler ile sentezlenmesi önerilmektedir. Altdizilim kullanımı sayesinde aktif dönüştürücü eleman sayısı azaltılmış olur. Böylece her bir kanalı süren karmaşık devrelerin sayısı önemli bir miktarda azalır. Bunun sonucunda hem maliyet düşer, hem de sistemin boyutu küçülür. Bu çalışmada, veri toplama süresini kısaltmak için, Nyquist kriterine uygun olacak vışekilde az sayıda açı ile ortamın taranması önerilmektedir. Böylece gerçek zamanda görüntüleme yapan sistemlerin tasarımı mümkün olacaktır. Demet uzayında Nyquist kriteri dizilimin uzunluğuna bağlı olduğu için, sentezlenen geniş dizilim için bakılması gereken açı sayısı, altdizilim ile veri toplarken bakılması gereken açı sayısından daha fazladır. Önerilen yöntemde, altdizilimlerden elde edilen düşük çözünürlüklü demetlerin sayısı yanal aradeğerleme ile artırılır. Sonra örnek sayısı artırılmış düşük çözünürlüklü demetler toplanarak yüksek çözünürlüklü demetler elde edilir. Örnek yükseltmede kullanılan aradeğerleme süzgeçlerinin bant geçiren özellikte olması ve her altdizilim için uygun bir şekilde tasarlanması gerekir, çünkü noktasal dağılım fonksiyonunda her altdizilim farklı bir evreye sahiptir. Önerilen sistem teorik olarak incelenmiş ve deneysel veriler kullanılarak test edilmiştir. Elde edilen sonuçlarda sistemin yeterli görüntü kalitesine sahip olduğu görülmektedir. Delta-sigma örneklemeli altdizilim işlemeye dayalı bu demetleme yöntemi, evreuyumlu görüntüleme sisteminin maliyetini, boyutunu ve güç tüketimini azaltmakta ve bunun yanında görüntü kalitesini yüksek tutmaktadır. Evreuyumlu görüntüleme sistemleri için geliştirilen bu yöntemin birçok uygulama alanında kullanılması mümkündür. Bunların başında 3 boyutlu ultrasonik görüntüleyiciler, taşınabilir küçük tarayıcılar ve damar içi görüntüleme aygıtları gibi tıbbi uygulamalar gelmektedir. Ayrıca su altı akustik (sonar) sistemleri, haberleşmede kullanılacak akıllı antenler, robotlarda görme gibi çeşitli alanlarda potansiyel uygulama olanakları olduğu görülmektedir. Anahtar Sözcükler: Dizilimsel sinyal işleme, evreuyumlu görüntüleme, ultrasonik görüntüleme, demetleme, dinamik odaklama, sentetik açıklık, altdizilim, akustik dönüştürücüler, delta-sigma örnekleme, düzgün olmayan örnekleme. vıı

ABSTRACT A BEAMFORMING METHOD BASED ON SUBARRAY PROCESSING WITH DELTA-SIGMA OVERSAMPLING Hasan Şakir Bilge Ph.D. in ELECTRICAL AND ELECTRONINCS ENGINEERING Supervisor: Prof.Dr. Turhan Çiftçibaşı February 2003 In this Ph.D. thesis, a new beamforming method is presented for coherent imaging system, which is based on digital processing of the subarray signals sampled with delta-sigma analog to digital converter. The proposed method brings many new approaches to existing beamforming systems from different aspects. In this system, the beamformer architecture is completely digitally designed. In digitization, oversampling delta-sigma analog to digital converters are intended to use. With a high oversampling rate, it is possible to sample the echo signals with fine time intervals. When the oversampled data are summed after shifting with very fine delays calculated for focusing and steering, the coherency of the beamformer is increased. In delta-sigma oversampling, there are two important steps; firstly the generation of single-bit data at a high rate, and secondly the downsampling to multi-bit Vlllrepresentation. Low-pass filtering in the downsampling process is a linear operation according to the summation in the beamformation. Using this linearity in the proposed system, only a filter is applied to the output of the beamformer instead of applying many different filters for each receive channel. Thus, the number of filters and consequently the hardware complexity of the system are reduced significantly. Performing the downsampling at the output of the summation makes it possible to beamform with one-bit delta-sigma coded data. One-bit beamformer structure simplifies the hardware significantly. Although one-bit data have high frequency quantization noise, this noise is successfully filtered after summation. The delta-sigma beamforming method performs good results for fixed receive focusing. But when dynamic receive focusing delays are applied, the synchronization between delta-sigma modulator and demodulator is lost. The lost of the relation between the delta-sigma codes decreases the SNR value of the beamformer output. To solve this problem, we propose that the delta-sigma converter samples in time instances when data are needed for dynamic focusing, instead of sampling uniformly every time. Because there is no bits are omitted and repeated between the delta-sigma samples that are generated with this non-uniform sampling approach, the SNR of the beamformer output is kept to a desired level. In this study, a large transducer array is synthesized by subarray processing. By using subarrays, the number of active transducer elements is decreased. Thus, the front-end hardware is significantly simplified. This enables to reduce the cost and size of the system. In this study, to reduce the data acquisition time, we propose to scan with a small number of angles consistent with the Nyquist spatial sampling criteria. Thus, it is possible to design real-time imaging systems. As the Nyquist spatial sampling criteria is proportional to the length of the array, the number of angles needed for synthesizing a large array is greater than the number of angles needed for data IXacquisition by subarrays. In the proposed method, the limited number of the low- resolution beams acquired by subarrays is increased by lateral interpolation. Then, the upsampled low-resolution beams are summed to high-resolution beams. Interpolation filters used in upsampling should be band-pass and design appropriately for each subarray, because each subarray has a different phase in its point spread function. The proposed system is theoretically investigated and tested by experimental data. The test results show that the system has a good image quality enough. The subarray delta-sigma beamforming method reduces the cost, the size and the power consumption of the coherent imaging system whereby maintaining high quality images. This method for coherent imaging systems has many potential applications. 3D ultrasonic imagers, small portable scanners, and intravascular imaging devices are some examples of the important medical applications. On the other hand, underwater acoustic imaging systems (sonar's), smart antennas in communications, and robot vision are some other potential applications. Keywords: Array signal processing, coherent imaging, ultrasonic imaging, beamforming, dynamic focusing, synthetic aperture, subarray, acoustic transducers, delta-sigma modulation, non-uniform sampling.