CN102724162B - 一种多通道核磁共振射频信号发射机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道核磁共振射频信号发射机，包括基带信号调制模块、正交上变频模块和射频信号发生模块，其中基带信号调制模块包括现场可编程门阵列控制模块和直接数字信号合成器；正交上变频模块由功分器、正交调制器和可变增益放大器等组成；射频信号发生模块为正交上变频模块提供本振信号；基带信号调制模块至少为一个，正交上变频模块与基带信号调制模块连接且数量与基带信号调制模块的数量相同。本发明实现了多路射频信号的单独控制和并行发射；所有调制功能都在单片DDS中实现，提高了系统的集成度；能够进行宽频带的射频发射，实现了信号的全频段覆盖；射频信号的产生采用正交调制，有效的抑制镜像频带并提高射频功率利用率。
Description
技术领域
本发明涉及核磁共振仪器技术领域，具体涉及一种多通道核磁共振射频信号发射机，适用于核磁共振成像仪和核磁共振波谱仪中，用于产生频率、相位和幅度可以快速改变的射频激发信号。
背景技术
射频信号发射装置是核磁共振仪器必不可少的组成部分，它产生频率、相位和幅度可以快速改变的射频信号，该信号经过功率放大器后发送到探头，使静磁场中的原子核发生共振从而获得磁共振信号。
包括核磁共振成像在内的核磁共振仪器系统日益呈现向更高场强发展的趋势，这些高场强核磁共振系统需要采用多通道并行发射技术，用以解决发射场不均匀性与射频能量吸收的难题，采用多通道并行发射技术要求发射多路并行的频率、相位、幅度可调的射频脉冲。
多通道并行发射目前主要采用单路射频信号扩展为多路射频信号的方式实现，如图3所示。这种方案只有一个射频信号源，通过功分器将其分为多路信号，然后再使用移相器和衰减器来调整每一路信号的相位和幅度。该方案所实现的多路并行的射频信号输出主要存在两个问题：1.射频移相器一般是窄带的，不能进行宽频的射频发射；2.不能实现各通道调制信号的独立调节，导致所有输出信号的调制方式都相同，仅存在相位和幅度上的差别，对于需要输出不同调制参数的应用场合这种方案将不能满足要求。
为了解决现有技术方案只能用于窄带发射且不能独立调节各通道调制方式的问题，本发明采用多路射频信号并行发射的方案产生射频信号，如图4所示。这种方案采用多个并行的DDS电路实现了中频信号的产生和调制，由于各个信号单独使用一个DDS，所以可以实现对每一路信号的单独调制，然后将中频信号经过正交混频把载波频率搬移到观察核的共振频率附近，从而实现全频段的射频发射。DDS的相位偏移控制字为16bits，对应的最小可变相位步进为0.005°，能够满足多通道核磁共振发射机对相位精度的要求。另外，由于DDS中集成了现有技术方案中的移相器和衰减器，这将极大的提高设计的集成度和通道间的抗干扰能力，因此，本发明采用的多路射频信号并行发射的方案能够有效的解决现有技术方案只能用于窄带发射且不能独立调节各通道调制方式的问题。
发明内容
本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种多通道核磁共振射频信号发射机，本装置可进行宽频的射频发射，能实现各通道调制信号的独立调节。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种多通道核磁共振射频信号发射机，包括基带信号调制模块、正交上变频模块和射频信号发生模块，
射频信号发生模块，用于为正交上变频模块提供本振信号；
基带信号调制模块包括：
FPGA控制模块，用于发送基带IQ信号到DDS；DDS，用于接收FPGA控制模块的基带IQ信号并产生频率、幅度和相位均可调的中频信号；和
低通滤波器，用于抑制DDS输出的中频信号中的杂散分量；
正交上变频模块包括：
功分器，用于将射频信号发生模块产生的本振信号分为多路信号，并传送到正交调制器；
正交调制器，用于将基带信号调制模块输出的中频信号的载频通过正交调制的方式搬移到观察核的共振频率附近，抑制镜像频带并输出到可变增益放大器；和
可变增益放大器，用于调整射频信号的输出功率。
如上所述的正交调制器包括高频带正交调制通路和低频带正交调制通路，基带信号调制模块输出的中频信号由FPGA控制模块进行控制以切换的方式输入到高频带正交调制通路和低频带正交调制通路中，高频带正交调制通路包括依次连接的第一正交功分器和高频正交调制器，低频带正交调制通路包括依次连接的第二正交功分器和低频正交调制器。
如上所述的正交调制器至少为一个，DDS的个数与正交调制器相同。
如上所述的FPGA控制模块控制可变增益放大器的功率放大倍数。
如上所述的基带信号调制模块还包括用于接收脉冲序列同步信号并传送到FPGA控制模块的同步信号接口。
如上所述的基带信号调制模块还包括用于存储脉冲序列数据和扩展FPGA控制模块的存储容量的SSRAM。
如上所述的基带信号调制模块还包括用于接收脉冲序列数据的数据通讯接口模块。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、可实现多路射频信号的并行发射，能够单独控制每一路信号的调制方式；
2、信号的所有调制功能都在单片DDS中实现，提高了系统的集成度；
3、采用外部SSRAM来存储脉冲序列数据，能够极大的扩展数据存储容量；
4、能够进行宽频带的射频发射，实现了信号的全频段覆盖；
5、射频信号的产生采用正交调制，能够有效的抑制镜像频带并提高射频功率利用率；
6、基带信号调制模块与正交上变频模块分布于不同的PCB上，最大程度的减小了数字信号与模拟信号之间的干扰。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为正交调制器的原理示意图；
图3为传统多通道并行发射的原理示意图；
图4为本发明的多通道并行发射的原理示意图。
图中：1-功分器；2-正交调制器；3-可变增益放大器；4-射频信号发生模块；DDS-直接数字频率综合器；LPF-低通滤波器；SSRAM-同步静态随机存储器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。
实施例1
如图1所示，
一种多通道核磁共振射频信号发射机，包括基带信号调制模块、正交上变频模块和射频信号发生模块4，
射频信号发生模块4，用于为正交上变频模块提供本振信号，本振信号为宽频本振信号；
基带信号调制模块包括：
FPGA控制模块，用于发送基带IQ信号到DDS；
DDS，用于接收FPGA控制模块的基带IQ信号并产生频率、幅度和相位均可调的中频信号；和
低通滤波器，用于抑制DDS输出的中频信号中的杂散分量；
正交上变频模块包括：
功分器1，用于将射频信号发生模块4产生的本振信号分为多路信号，并传送到正交调制器2；多路信号的路数与预先设定的通道数匹配。
正交调制器2，用于将基带信号调制模块输出的中频信号的载频通过正交调制的方式搬移到观察核的共振频率附近，抑制镜像频带并输出到可变增益放大器3；和可变增益放大器3，用于调整射频信号的输出功率。
正交调制器2包括高频带正交调制通路和低频带正交调制通路，基带信号调制模块输出的中频信号由FPGA控制模块进行控制以切换的方式输入到高频带正交调制通路和低频带正交调制通路中，高频带正交调制通路包括依次连接的第一正交功分器和高频正交调制器，其中第一正交功分器核心器件为JYPQ-30，高频正交调制器核心器件为AD8345；低频带正交调制通路包括依次连接的第二正交功分器和低频正交调制器，其中第二正交功分器核心器件为JYPQ-30，低频正交调制器核心器件为ADE-11X和TCP-2-10。
正交调制器2至少为一个，DDS的个数与正交调制器2相同。
FPGA控制模块控制可变增益放大器3的功率放大倍数。
基带信号调制模块还包括用于接收脉冲序列同步信号并传送到FPGA控制模块的同步信号接口。
基带信号调制模块还包括用于存储脉冲序列数据和扩展FPGA控制模块的存储容量的SSRAM。
基带信号调制模块还包括用于接收脉冲序列数据的数据通讯接口模块。
本发明采用可编程门阵列（FPGA，Field Programmable GateArray）作为系统的控制核心，完成控制参数的存储解析和各个模块电路的控制，结构紧凑，操作方便；采用多路并行的直接数字频率合成器（DDS，Direct Digital Synthesizer）产生已调制的中频信号，实现频率、相位和幅度灵活、快速的改变；采用正交混频的方式将中频搬移到观察核的共振频率处，使得频率覆盖范围广，并能有效的克服镜像频带的产生。FPGA控制模块外部的同步静态随机存储器（SSRAM）可以作为脉冲序数据的扩展存储器。FPGA控制模块与远程控制计算机之间的数据通信使用高性能的数据通讯接口模块，保证了通信数据的实时性和可靠性。
基带信号调制模块对脉冲序列数据进行解析，并采用CORDIC算法生成基带IQ信号，然后在DDS中通过正交调制产生已调制的中频信号；正交上变频模块将已调制的中频信号作为调制信号，将射频信号发生模块的输出信号作为载波，对这两个信号进行正交调制，使得已调制的中频信号的中心频率搬移至观察核的共振频率处，并对输出功率进行调整。
基带信号调制模块通过数据通讯接口模块与远程计算机通信，远程计算机将配置参数写入FPGA控制模块中存储，通过FPGA控制模块完成写入脉冲序列数据和配置直接数字频率合成器（DDS）的工作。当脉冲序列数据包含大量元素时，外部的SSRAM可以作为脉冲序列数据的扩展存储器。FPGA控制模块内部的脉冲序列控制器的同步信号来自同步信号接口。FPGA控制模块根据写入的脉冲序列数据，产生多路并行的基带信号输出给DDS，DDS通过数字正交调制把基带信号调制到中频，中频信号经低通滤波器后输出给正交上变频模块。FPGA控制模块输出一组外部控制信号，用来控制正交上变频模块中可变增益放大器3的输出增益。FPGA控制模块将接收到的脉冲序列数据按照一定格式转换成二进制数据，并将这些二进制数据存储到内部FIFO或者外部SSRAM中。
根据软件无线电设计思想，设计中采用DDS和数字正交调制来产生已调制的中频信号。FPGA控制模块配置DDS工作在正交调制模式，输入的基带IQ信号经过半带滤波器、CIC滤波器内插后与NCO输出信号正交调制，最后由DAC输出模拟信号。DDS的主要功能是根据输入的基带IQ信号，完成脉冲的幅度、相位和频率的调制，FPGA则在脉冲序列控制器的控制下采用CORDIC算法产生基带IQ信号，其表达式为式中k、ω1、分别表示脉冲幅度、相位和频率偏移。DDS存在的主要问题是输出杂散分量较多，因此在其输出端添加一个7阶椭圆低通滤波器,能够有效的抑制输出杂散分量。DDS输出信号表达式为式中ω2表示中频的角频率。
正交上变频模块将DDS输出信号的频谱中心搬迁至观察核的共振频率附近，同时抑制上变频产生的另一个边带。正交上变频模块要求能对频带范围较宽的本振信号作90度移相处理，目前单一的有源或无源器件无法实现宽频带移相要求。因此，根据现有的芯片将最终输出划分成两个频带。高频带采用高频信号正交调制器（Quadrature Modulator）来移相（即高频带正交调制通路）；低频带采用低频本振信号正交功分器（即低频带正交调制通路）对本振信号作正交功分处理。而中频信号近似为点频，其两路正交功分处理比较容易，本振由射频信号发生模块提供。
如图2所示，当需要输出高频信号时，中频信号IF经过输入选择开关S1送入高频带正交调制通路，由第一正交功分器处理后输出到高频正交调制器产生高频调制信号，然后经过输出选择开关S2输出到可变增益放大器3；当需要输出低频信号时，输入选择开关S1将中频信号IF切换到低频带正交调制通路，由第二正交功分器处理后输出到低频正交调制器产生低频调制信号，经输出选择开关S2输出到可变增益放大器3。
为了达到理想的正交调制效果，选用了幅度、相位不平衡度都较小的功分器。上变频输出频率的有效边带表达式为fO＝fLO-fIF，其中fLO为本振频率，fIF为中频，对于两路正交功分器，输出相位关系为0°和-90°，假设本振和中频输入均为余弦形式，则输出表达式为cos(ωIFt-90°)cos(ωLOt-90°)+cosωIFtcosωLOt＝cos(ωLO-ωIF)t，其中ωIF为中频角速度，ωLO为本振角速度。高频带正交调制采用高频信号正交调制器来实现，该调制器的输出表达式为Qcos(ωLOt-90°)+IcosωLOt ，故取Q＝cos(ωIFt-90°),I＝cos ωIFt，输出有效边带也为fO＝fLO-fIF，与低频带调制输出有效边带一致。
在正交上变频模块的最后一级对输出信号的功率进行了调整，以输出满足要求的射频激发信号。为提高射频信号的隔离度，在本振输入端、中频输出端以及正交上变频输出端分别接入本振选择开关、中频信号选择开关和射频信号选择开关。同时，在脉冲结束后立即将基带IQ信号的幅度设为0，进一步提高射频信号的隔离度。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (6)
1.一种多通道核磁共振射频信号发射机，包括基带信号调制模块、正交上变频模块和射频信号发生模块(4)，其特征在于，
射频信号发生模块(4)，用于为正交上变频模块提供本振信号；
基带信号调制模块包括：
FPGA控制模块，用于发送基带IQ信号到DDS；
DDS，用于接收FPGA控制模块的基带IQ信号并产生频率、幅度和相位均可调的中频信号；和
低通滤波器，用于抑制DDS输出的中频信号中的杂散分量；
正交上变频模块包括：
功分器(1)，用于将射频信号发生模块(4)产生的本振信号分为多路信号，并传送到正交调制器(2)；
正交调制器(2)，用于将基带信号调制模块输出的中频信号的载频通过正交调制的方式搬移到观察核的共振频率附近，抑制镜像频带并输出到可变增益放大器(3)；和
可变增益放大器(3)，用于调整射频信号的输出功率，
所述的正交调制器(2)包括高频带正交调制通路和低频带正交调制通路，基带信号调制模块输出的中频信号由FPGA控制模块进行控制以切换的方式输入到高频带正交调制通路和低频带正交调制通路中，高频带正交调制通路包括依次连接的第一正交功分器和高频正交调制器，低频带正交调制通路包括依次连接的第二正交功分器和低频正交调制器。
2.根据权利要求1所述的一种多通道核磁共振射频信号发射机，其特征在于，所述的正交调制器(2)至少为一个，DDS的个数与正交调制器(2)相同。
3.根据权利要求1所述的一种多通道核磁共振射频信号发射机，其特征在于，所述的FPGA控制模块控制可变增益放大器(3)的功率放大倍数。
4.根据权利要求1所述的一种多通道核磁共振射频信号发射机，其特征在于，所述的基带信号调制模块还包括用于接收脉冲序列同步信号并传送到FPGA控制模块的同步信号接口。
5.根据权利要求1所述的一种多通道核磁共振射频信号发射机，其特征在于，所述的基带信号调制模块还包括用于存储脉冲序列数据和扩展FPGA控制模块的存储容量的SSRAM。
6.根据权利要求1所述的一种多通道核磁共振射频信号发射机，其特征在于，所述的基带信号调制模块还包括用于接收脉冲序列数据的数据通讯接口模块。
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