Realizzazione in linguaggio VHDL di un interpolatore per il beamformer di un ecografo sperimentale

Lo stato dell’arte della conversione analogico digitale ha raggiunto prestazioni in termini di frequenza di acquisizione che evitano, in molti casi, la necessità di interpolare i dati. Questo non è del tutto vero quando si lavora con un numero elevato di sorgenti (canali di acquisizione), dalle quali fruiscono grosse moli di dati, e la frequenza di conversione è scelta in funzione della potenza di calcolo e capacità di memorizzazione del sistema a valle della sezione di acquisizione.
In questa tesi è stato realizzato un interpolatore per segnali ecografici da implementare nello strumento sviluppato nel laboratorio di Progettazione Sistemi Microelettronici. Lo strumento, denominato ULAOP (ULtrasound Advanced Open Platform) a differenza degli ecografi commerciali è pensato per essere totalmente programmabile: in questo modo è possibile modificare il suo funzionamento in qualsiasi modo si desideri, rimanendo nei limiti dell’hardware a disposizione. A tale scopo il sistema utilizza dispositivi programmabili come FPGA e DSP che possono modificare il loro funzionamento in base al programma che viene fornito: è possibile così aggiungere le funzioni che si rendono necessarie durante l’attività di ricerca portata avanti dal team del laboratorio. L’interpolatore ne è un esempio: tramite questo è possibile diminuire la differenza di fase tra i segnali di eco durante il cosiddetto “beamforming” in ricezione.
Infatti il sistema acquisisce simultaneamente i segnali da 64 canali, a 50 Msps e 12 bit, il che equivale a dire che il sistema supporta un flusso dati di 4.47 Gbyte al secondo. La frequenza di campionamento di 50 MHz è sufficiente per campionare e ricostruire i segnali in questione (tipicamente con frequenza massima di 15 MHz), ma per migliorare la somma in fase dei segnali (beamforming) sarebbe necessario aumentarla. Si capisce che un aumento della frequenza dei convertitori comporterebbe un aumento del flusso dati non supportato dal sistema. Dunque l’interpolazione consente, mantenendo il flusso dati inalterato, di attuare un sensibile miglioramento alla fase di beamforming.
Per comprendere il significato di beamforming, onde di eco e differenza di fase sono necessarie basi di teoria della propagazione delle onde e delle tecniche ecografiche in genere: il primo capitolo di questa tesi intende fornire un quadro generale su questi argomenti, entrando nei dettagli solo per gli argomenti di interesse per la comprensione dei capitoli successivi. Per esempio viene dato molto spazio alla descrizione della tecnica di beamforming per imaging ecografico e ai principi fisici su cui si basa.
Il secondo capitolo descrive invece il sistema ULAOP nelle sue componenti sia digitali che analogiche, seguendo tutto il percorso che parte dalla generazione dei segnali da trasmettere fino alla ricezione ed elaborazione dei segnali eco. Gli ultimi due capitoli sono dedicati alla spiegazione del lavoro svolto in questa tesi: nel capitolo 3 è riportata la teoria matematica alla base dell’interpolazione e i principali metodi esistenti; inoltre viene descritto l’approccio utilizzato per realizzare l’interpolazione nel caso di interesse oltre a mostrare le simulazioni al calcolatore che hanno permesso di scegliere il tipo di interpolazione da utilizzare.
Nel capitolo 4 infine viene descritto il progetto realizzato su FPGA, focalizzandosi sui problemi legati alla realizzazione hardware degli algoritmi utilizzati per le simulazioni. Il capitolo conclude verificando che le differenze tra l’elaborazione realizzata in hardware e quella condotta dal software di simulazione siano trascurabili.