CN101345534B - 一种mri射频信号的产生、发送装置及方法 - Google Patents

一种mri射频信号的产生、发送装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种MRI射频信号的产生、发送装置，包括数字域及模拟域，数字域基于FPGA实现，其内部具有：射频信号参数缓冲单元，保存由并行处理器输入的MRI序列的各种参数信息并加载到中频正交振幅调制单元；中频正交振幅调制单元，对射频信号参数缓冲单元输入的MRI序列进行数字化正交振幅调制；高频载波信号生成单元，将MRI序列的各种参数信息进行数字合成后输出数字高频载波信号至模拟域的数/模转换器；控制接口单元，对各种参数信息进行译码处理；接口配置单元，在MRI系统复位时产生控制信号送至DAC模块。本发明采用FPGA技术实现，完全可以根据用户需求灵活升级，避免由于关键器件生命周期终止而导致的整机产品无法持续推出或随之停产等潜在危机，精度高且没有影响DDS的响应速度。

Description

一种MRI射频信号的产生、发送装置及方法
技术领域
本发明涉及一种MRI技术领域中的射频技术，具体地说是一种MRI射频信号的产生、发送装置及方法。
背景技术
MRI射频信号产生与发送单元是MRI扫描控制系统中的核心部件，并且射频脉冲的传输都是基于二次调制的原理实现的，其主要参数是中心频率、相位、带宽、持续时间。在MRI系统中，脉冲持续时间很短，一般为2～6ms；而且，为了有选择的激发自旋核，RF脉冲的频宽要限制在一定的范围内，一般从几KHz到几百KHz；因此在硬件上就要求RF脉冲发射必须能迅速的改变频率，精确的调整相位、控制带宽。
MRI射频信号的传输是基于软件无线电中频数字化原理实现的，随着数字信号处理技术的广泛应用，使传统采用模拟域内的调制方案完全可以在数字域内完成，现有的MRI射频信号中频正交调制及高频幅度调制主要集中在采用专用的集成芯片和现场可编程门阵列(FPGA)器件来实现，采用专用的集成芯片实现大致分为两类：一类是采用直接数字合成器(DDS)系列专用芯片；另一类是采用直接向上频率变换(DUC)系列的专用芯片实现。
但是采用专用集成芯片实现往往会受到集成芯片自身功能配置的局限而不能灵活应用，并且由于关键器件生命周期终止而导致的整机产品无法持续推出或随之停产等潜在危机，相应产品的生命周期也会受到芯片供应商的限制。
与本发明最接近的实现方案是同样采用现场可编程门阵列器件完成直接数字合成器(DDS)功能的设计方案。应用FPGA器件实现的直接数字合成器(DDS)采用的方法主要有两种：方法一是采用ROM查询表实现DDS；方法二是采用CODEIC算法计算正弦/余弦值来实现DDS。
针对采用ROM查询表实现DDS的方法，ROM查找表范围是2π，这种方案结构简单，同时DDS输出的信噪比也较高，但这种查找表结构的DDS的特点是占用了较多的FPGA内部块存储器资源，这在块存储器资源应用较紧张的FPGA设计中是不可取的；为了节省FPGA的块存储器资源，也有根据正弦波和余弦波对称性的特点，将查找表范围确定为π、π/2等方案，这些方案最大的缺点是DDS输出信号的信噪比会有所降低。
CODEIC算法是通过实时计算sin/cos值实现DDS功能的一种方案，CORDIC算法在硬件实现上只需要移位和加法、减法运算，很容易在FPGA芯片上实现，但sin/cos值的精度与CODEIC的迭代次数是关联的，所以要想获得高精度必然会影响DDS的响应速度。
发明内容
针对现有技术中MRI射频信号的传输存在受集成芯片自身功能的局限而不能灵活应用以及相应产品的生命周期也会受到芯片供应商的限制的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种应用灵活、不因关键器件生命周期终止而影响整机产品持续推出或导致停产的MRI射频信号的产生与发送装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明MRI射频信号的产生、发送装置，包括数字域及模拟域，数字域基于FPGA实现，其内部具有：
射频信号参数缓冲单元，在控制接口单元的控制下保存由并行处理器输入的MRI序列的各种参数信息，再将MRI序列的各种参数有序的加载到中频正交振幅调制单元；
中频正交振幅调制单元，在控制接口单元的控制下对射频信号参数缓冲单元输入的MRI序列进行数字化正交振幅调制，并输出至模拟域的数/模转换器；
高频载波信号生成单元，在控制接口单元的控制下将由并行处理器输入的MRI序列的各种参数信息进行数字合成后，输出数字高频载波信号至模拟域的数/模转换器；
控制接口单元，用于对并行处理器输入的MRI序列的各种参数信息进行译码处理，并输出相应的控制信号至射频信号参数缓冲单元、中频正交振幅调制单元以及高频载波信号生成单元；
接口配置单元，在MRI系统复位时产生控制信号送至DAC模块。
所述中频正交振幅调制单元包括：
移位寄存器，接收射频信号参数缓冲单元输入的参数信息进行移位处理，并将移位后的数据分别发送至各控制寄存器；
控制寄存器，包括命令寄存器，根据接收到的控制数据产生正交混频单元的控制信号；第1、2频率寄存器，用于保存接收到的频率控制数据，供数据选择单元选择输出频率控制字；相位寄存器，用于保存接收到的相位控制数据，供相位累加器使用；幅度寄存器，用于保存接收到的幅度控制数据，供正交混频单元使用；
频率累加器与相位累加器，根据频率控制字及相位控制字产生存储器查找表的地址数据；
存储器查找表，存储标准正弦及余弦信号的波形数据；
DSP运算单元，接收存储器查找表输出的标准正弦及余弦信号的波形数据，产生正交混频单元所需的正弦及余弦信号；
正交混频单元，根据控制寄存器输出的控制信号及幅度寄存器输出的幅度数据与正弦及余弦信号进行正交混频处理，输出至DAC模块；
寄存器地址译码器，对来自并行处理的控制数据进行译码操作，输出控制信号到各控制寄存器。
本发明一种MRI射频信号的产生、发送方法包括以下步骤：
开始，对MRI射频信号的产生、发送装置进行初始化操作；
由并行处理器分配波形数据空间；
由MRI射频信号的产生、发送装置中的接口配置单元配置DAC模块；
由控制接口模块对并行处理器输入数据进行译码；
判断输入数据为高频载波参数、信号波形参数或正交振幅调制单元参数中的哪一种；
如果上述数据为信号波形参数，则将该参数存入预留存储器中；
当有同步信号时，将波形数据调入信号参数缓冲单元；
当再有同步信号时，将波形数据写入正交振幅调制单元；
输出信号数据至DAC模块；
由DAC模块输出信号波形。
如果所述数据为高频载波参数，则配置高频载波信号产生单元，由高频载波信号产生单元输出载波数据，由DAC模块输出高频载波信号。
如果所述数据为正交振幅调制单元参数，则将其写入正交振幅调制单元相应的寄存器；
将波形数据写入正交振幅调制单元；
输出信号数据至DAC模块；
由DAC模块输出信号波形。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.可以灵活应用。本发明采用FPGA(Field Programmable Gate Array)技术实现，完全可以根据用户需求灵活升级，完全避免由于关键器件生命周期终止而导致的整机产品无法持续推出或随之停产等潜在危机，因此采用FPGA技术实现一个全数字化，高精度，载波频率和频带宽度均可灵活调节的射频脉冲输出单元是非常有效的方法。
2.本发明应用现场可编程门阵列器件完成MRI射频信号的中频数字化技术，是通过硬件描述语言编程配置DDS和DUC的功能来实现的，从而实现了真正意义上的硬件平台的软件化设计，并且该方案的正确性和实用性在MRI扫描控制系统中得到了验证。
3.本发明中使用查找表和乘法运算、加减法运算相结合的实现方案，克服了ROM查找表法和CODEIC算法的不足，使得DDS输出信号的信噪比会有所提高，获得高精度且没有影响DDS的响应速度。
4.应用广泛。本发明提供的装置及方法同样可以应用到现代通信领域，实现射频信号发送的中频数字化方案。
附图说明
图1为本发明装置结构框图；
图2为本发明装置中中频正交振幅调制单元结构框图；
图3为本发明实现方法总流程图；
图4为本发明装置中SSB调制器实现结构图；
图5为本发明装置中32Bit移位寄存器的数据加载格式示图；
图6为本发明装置采用二分法算法的结构示意图。
具体实施方式
本发明MRI射频信号的产生、发送装置应用于Panorama谱仪工作平台中的频率合成板，包括数字域及模拟域，数字域基于FPGA实现，其数字化处理是内嵌在FPGA器件中完成的，如图1所示，主要包括：
射频信号参数缓冲单元，在控制接口单元的控制下保存由并行处理器输入的MRI序列的各种参数信息，再将MRI序列的各种参数有序的加载到中频正交振幅调制单元；
中频正交振幅调制单元，在控制接口单元的控制下对射频信号参数缓冲单元输入的MRI序列进行中频数字化正交振幅调制，并输出至模拟域的数/模转换器；
高频载波信号生成单元，在控制接口单元的控制下使用由并行处理器输入的高频载波参数信息配置高频载波单元控制寄存器，输出数字高频载波信号至模拟域的数/模转换器；
控制接口单元，用于对并行处理器输入的MRI序列的各种参数信息进行译码处理，并输出相应的控制信号至射频信号参数缓冲单元、中频正交振幅调制单元以及高频载波信号生成单元；
接口配置单元，在MRI系统复位时产生配置信号送至DAC模块。
本实施例中，射频信号参数缓冲单元由9Bit*4096的FIFO(先进先出)存储器组成，用于缓冲存放MRI序列进行正交振幅调制(QAM)时所需要的载波的频率控制字、相位控制字及调制波的波形数据(包括波形幅值和持续时间)信息。并行处理器通过检测FIFO存储器的满(full)和半满(halffull)信号的状态向FIFO存储器中写入数据；通过检测FIFO存储器的空(empty)信号的状态从FIFO存储器中读出数据。
中频正交振幅调制单元在FPGA器件内部采用寄存器控制执行结构，如图2所示，包括由一个移位寄存器，寄存器地址译码器、五个控制寄存器、一个相位累加器、一个频率累加器、四个分别独立的存储器(ROM)查找表、一个DSP运算单元以及一个正交混频单元组成。其中移位寄存器(32位)，接收射频信号参数缓冲单元输入的参数信息进行移位处理，并将移位后的数据分别发送至各控制寄存器；控制寄存器，包括命令寄存器，根据接收到的控制数据产生正交混频单元的控制信号；第1、2频率寄存器，用于保存接收到的频率控制数据，供数据选择单元选择输出频率控制字；相位寄存器，用于保存接收到的相位控制数据，供相位累加器使用；幅度寄存器，用于保存接收到的幅度控制数据，供正交混频单元使用；频率累加器与相位累加器，根据频率控制字及相位控制字产生存储器查找表的地址数据；存储器查找表，存储所需标准正弦及余弦信号的波形数据；
DSP运算单元，接收存储器查找表输出的标准正弦及余弦信号的波形数据，产生正交混频单元所需的正弦及余弦信号；正交混频单元，根据控制寄存器输出的控制信号及幅度寄存器输出的幅度数据与正弦及余弦信号进行正交混频处理，输出至DAC模块；寄存器地址译码器，对来自并行处理的控制数据进行译码操作，输出控制信号到各控制寄存器。
中频正交振幅调制单元接口信号的定义分别如下：
Clk：时钟输入信号；Reset：寄存器复位信号，高电平有效；/CS：模块选择信号，低电平有效；Load：寄存器加载信号，高电平有效；TC3-TC0：寄存器地址控制信号，与Load加载信号组合，完成各控制寄存器的写操作。其功能表见表1所示：
  TC3   TC2   TC1   TC0   Load   Register
  X   X   X   X   0   N/A
  0   0   X   X   1   COMM
  1   0   0   0   1   FREQ0
  1   0   0   1   1   FREQ1
  1   0   1   0   1   PHASE
  1   0   1   1   1   IQMOD
表1
/WR：写使能信号，在此信号的下降沿，将数据总线上的数据写到32Bit移位寄存器的并口输入端；Fsel：频率寄存器输出选择控制信号，Fsel＝0时选择频率寄存器0输出；Fsel＝1时选择频率寄存器1输出；D15-D0：输入到32Bit移位寄存器并行输入口的数据总线。
本实施例采用了两种总线位宽的数据格式，正常模式采用8Bit的数据宽度，另外还有一种16Bit的数据宽度格式。这两种数据宽度类型的选择有命令寄存器的第0位决定，见表2所示。当CMD(0)＝0时选择8Bit数据宽度，当CMD(0)＝1时选择16Bit数据宽度。32Bit移位寄存器的数据加载格式如图5所示。
Sleep：节电模式配置输出信号，通过配置命令寄存器(见表2所示)的第1位为1来实现DDS模块及QAM模块进入节电工作模式。在节电模式下，时钟停振，DDS模块及QAM模块无信号输出；AM_Enable：正交振幅调制输出使能信号，此信号控制QAM单元使能，此信号的输出使能由命令寄存器的第2位控制(见表2所示)；QAM_dout：正交振幅调制输出信号。
Figure S2008100120953D00061
表2
在FPGA器件中，正交载波的正弦和余弦信号的输出采用直接数字合成(DDS)技术实现的，其结构由频率累加器、相位累加器、数字查找表以及DSP运算单元组成，在数字查找表和DSP运算单元的结构设计当中采用一种二分法的结构方式，如图6所示，其基本思想就是综合优化利用FPGA器件内部块RAM查找表和DSP模块资源，实现的一种节省并合理分配FPGA资源，而性能却与应用全ROM查找表相当的结构方式。首先把单位圆平均分为N等分，N＝2D(D＝1，2...)，每等分用Φ表示；然后在每等分Φ角内再平均分为N等分，每等分用θ表示，这样单位圆内任意角度的正弦和余弦值都可以表示为：
sin(nΦ+mθ)(n，m＝0，1...N-1)         (1)
cos(nΦ+mθ)(n，m＝0，1...N-1)         (2)
将式(1)和式(2)展开后得到下面式(3)和式(4)：
sin(nΦ+mθ)＝sinnΦcosmθ+cosnΦsinmθ(3)
cos(nΦ+mθ)＝cosnΦcosmθ-sinnΦsinmθ(4)
通过以上分析，若D＝9，如果采用全ROM的结构，则ROM表的长度为524288，即使采用半周期的ROM表或者1/4周期的ROM表，相应的存储器长度数量也是较大的，而本发明的设计方案，只需要用四个具有512个存储单元的sinθ、sinΦ、cosθ以及cosΦ ROM查找表，再加上DSP运算单元中四个乘法器，一个加法器和一个减法器即可实现。ROM表只需要2048个存储单元，所以合理的利用FPGA中的块存储器和数字乘法器模块资源，使直接数字合成单元(DDS)在结构上得到优化，在性能上得到了较大的提升，同时把FPGA器件中的各种资源都得到了合理的利用。
中频正交振幅调制单元由直接数字合成(DDS)单元输出的SIN信号和COS信号分别与IQ幅度寄存器(IMMOD)中的I幅度值和Q幅度值做乘加运算实现的数字混频。本发明装置添加此中频正交振幅调制单元可以在FPGA器件内实现完全的数字中频正交振幅调制。
高频载波信号生成单元也同样采用了本发明装置的直接数字合成技术，输出数字高频载波信号，此高频载波信号经数模转换单元转换为模拟信号后与同样经过数模变换的中频信号进行单边带(SSB)调制。
本实施例采用将TxDAC(AD9786)的同步串行接口(SPI)的接口配置单元同样集成到FPGA器件内部，将选择好的配置TxDAC内部寄存器的数据存储到一个ROM查找表中，上电后自动通过集成到FPGA器件中的同步串行接口(SPI)将存储到ROM表中的配置数据传输给TxDAC模块。
所述模拟域基于单边带调制技术实现。MRI射频信号的模拟域主要完成数字域内输出的中频数字正交振幅调制信号和高频LO本振信号的数模转换及转换后两信号的单边带调制(SSB)及输出。数模转换部分由AD公司的数模转换芯片AD9786完成，单边带调制处理采用相移法实现。MRI射频信号的SSB调制实现框图如图4所示。
本实施例中FPGA器件采用的是Altera公司Cyclone II系列的EP2C70F672C6N芯片，在不改变VHDL源程序的前提下，可以将VHDL源程序直接移植到Altera公司的Cyclone III系列、Stratix II系列和Stratix III系列或更为高端的FPGA芯片中，重新编译执行即可。
如图3所示，本发明MRI射频信号的产生、发送方法包括以下步骤：
开始，对MRI射频信号的产生、发送装置进行初始化操作；
由并行处理器分配波形数据空间；
由MRI射频信号的产生、发送装置中的接口配置单元配置DAC模块；由系统要求及器件特性确定相关控制字，在FPGA内部产生相关的工作时序及波形，将控制字准确写入DAC模块，配置DAC的工作方式。
由接口控制模块对并行处理器输入数据进行译码；产生相应的控制信号并区分输入数据的用途。
判断输入数据为高频载波参数、信号波形参数或正交振幅调制单元参数中的哪一种；
如果上述数据为信号波形参数，则将该参数存入预留存储器中；暂存序列波形数据，然后处于等待状态。
当有同步信号时，将波形数据调入信号参数缓冲单元；此缓冲单元主要由FIFO组成，完成高速数据的接收和数据的顺序读出。缓冲完成时，处于等待状态。
当再有同步信号时，将FIFO中的序列波形数据写入正交振幅调制单元中相关的控制寄存器；
输出信号数据至DAC模块；
由DAC模块输出信号波形。
如果所述数据为正交振幅调制单元参数，则将其写入正交振幅调制单元相应的寄存器；与序列波形数据一起，共同控制正交振幅调制单元的信号波形数据输出；
将信号波形数据写入正交振幅调制单元；
输出信号波形数据以一定的数据格式送至DAC模块；
由DAC模块进行数/模转换输出信号波形。
如果所述数据为高频载波参数，则用来配置高频载波信号产生单元，由高频载波信号产生单元输出载波数据，经DAC模块进行数/模转换输出高频载波信号。
本发明方法还可以应用于通信等方面的射频信号发送模块。

Claims (5)

1.一种MRI射频信号的产生、发送装置，包括数字域及模拟域，其特征在于：数字域基于FPGA实现，其内部具有：
射频信号参数缓冲单元，在控制接口单元的控制下保存由并行处理器输入的MRI序列的载波的频率控制字、相位控制字及调制波的波形数据信息，再将MRI序列的所述载波的频率控制字、相位控制字及调制波的波形数据信息有序的加载到中频正交振幅调制单元；
中频正交振幅调制单元，在控制接口单元的控制下对射频信号参数缓冲单元输入的MRI序列进行数字化正交振幅调制，并输出至模拟域的数/模转换器；
高频载波信号生成单元，在控制接口单元的控制下将由并行处理器输入的MRI序列的各种参数信息进行数字合成后，输出数字高频载波信号至模拟域的数/模转换器；
控制接口单元，用于对并行处理器输入的MRI序列的各种参数信息进行译码处理，并输出相应的控制信号至射频信号参数缓冲单元、中频正交振幅调制单元以及高频载波信号生成单元；
接口配置单元，在MRI系统复位时产生控制信号送至DAC模块。
2.按权利要求1所述的MRI射频信号的产生、发送装置，其特征在于：所述中频正交振幅调制单元包括：
移位寄存器，接收射频信号参数缓冲单元输入的参数信息进行移位处理，并将移位后的数据分别发送至各控制寄存器；
控制寄存器，包括命令寄存器，根据接收到的控制数据产生正交混频单元的控制信号；第1、2频率寄存器，用于保存接收到的频率控制数据，供数据选择单元选择输出频率控制字；相位寄存器，用于保存接收到的相位控制数据，供相位累加器使用；幅度寄存器，用于保存接收到的幅度控制数据，供正交混频单元使用；
频率累加器与相位累加器，根据频率控制字及相位控制字产生存储器查找表的地址数据；
存储器查找表，存储标准正弦及余弦信号的波形数据；
DSP运算单元，接收存储器查找表输出的标准正弦及余弦信号的波形数据，产生正交混频单元所需的正弦及余弦信号；
正交混频单元，根据控制寄存器输出的控制信号及幅度寄存器输出的幅度数据与正弦及余弦信号进行正交混频处理，输出至DAC模块；
寄存器地址译码器，对来自并行处理的控制数据进行译码操作，输出控制信号到各控制寄存器。
3.一种MRI射频信号的产生、发送方法，其特征在于包括以下步骤：
开始，对MRI射频信号的产生、发送装置进行初始化操作；
由并行处理器分配波形数据空间；
由MRI射频信号的产生、发送装置中的接口配置单元配置DAC模块；
由控制接口模块对并行处理器输入数据进行译码；
判断输入数据为高频载波参数、信号波形参数或正交振幅调制单元参数中的哪一种；
如果所述输入数据为信号波形参数，则将该参数存入预留存储器中；
当有同步信号时，将波形数据调入信号参数缓冲单元；
当再有同步信号时，将波形数据写入正交振幅调制单元；
输出信号数据至DAC模块；
由DAC模块输出信号波形。
4.按权利要求3所述的MRI射频信号的产生、发送方法，其特征在于：
如果所述输入数据为高频载波参数，则配置高频载波信号产生单元，由高频载波信号产生单元输出载波数据由DAC模块输出高频载波信号。
5.按权利要求3所述的MRI射频信号的产生、发送方法，其特征在于：
如果所述输入数据为正交振幅调制单元参数，则将其写入正交振幅调制单元相应的寄存器；
将波形数据写入正交振幅调制单元；
输出信号数据至DAC模块；
由DAC模块输出信号波形。
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