CN1870481B - F_tdm多通道接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁共振成像技术，具体的讲是涉及一种用于磁共振成像接收技术的FDM_TDM相结合的多通道接收方法，该方法将时分复用技术和频分复用技术组合使用，减少接收通道的物理维度，减小了接收通道的物理维数，在不降低系统性能指标和功能的前提下，简化了结构，降低了成本。

Description

F_TDM多通道接收方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像技术，具体的讲是涉及一种用于磁共振成像接收技术的FDM_TDM相结合的多通道接收方法。

背景技术

近年来，成像技术在磁共振成像(MRI)领域的实现和发展对磁共振成像仪接收技术提出了更高的要求。相控阵和并行成像线圈的使用要求接收装置同时采集所有通道的信号。最通用的方法就是对原单路接收机进行复制，如有64通道，就需要64个接收机。很显然，在通道数目较多的情况下，这种接收装置的结构复杂、体积笨重、价格昂贵。所以，需要优化多通道接收装置的结构以满足相控阵线圈数目的快速增加。90年代以后，提出了时分复用技术(TDM)，即采用射频多路复用器分时、单路接收各通道信号。这一改进虽然大大简化了结构也降低了成本，但由于TDM技术需要牺牲谱宽来避免交调失真和信噪比的降低，通道数目的增加还是受到了的限制。而应用频分复用技术(FDM)，即把各路信号调制到不同频段，只用一个模数转换器(ADC)采样后解调。显然，这种多载波数字调制技术将带宽分成多个子信道，ADC的动态范围成为通道数目的瓶颈。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种F_TDM多通道接收方法，该方法将时分复用技术和频分复用技术有机的组合使用，从根本上解决了现有技术存在的问题，满足了磁共振成像系统对多通道接收的要求。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种F_TDM多通道接收方法，其特征在于该方法将时分复用技术和频分复用技术组合使用，减少接收通道的物理维度。

上述的组合使用方法是：A.首先将信号进行放大、滤波、补偿处理；B.之后信号由射频多路复用器(RF Switch)分组分时接收；C.之后采用FDM频分复用技术，将各组分时复用的信号分别调制到不同的频段；D.之后采用单路数模转换器进行信号采样；E.使用信号处理器对采集信号解调还原。

上述的组合方法也可以是：A.首先将信号进行放大、滤波、补偿处理；B.之后采用FDM频分复用技术，分组将信号分别调制到不同的频段；C.之后采用TDM时分复用技术，将各组频分复用的信号，采用交叉接收(分时)复合为单路信号；D.之后采用单路数模转换器进行信号采样；E.使用信号处理器对采集信号解调还原。

在上述不同频段间留有保护频带，以隔离相邻信号，防止信号干扰。

信号的解调还原过程依次为频率变换和数字滤波单元。

本发明具有下列优点：

1、TDM和FDM技术的结合，减小了接收通道的物理维数，在不降低系统性能指标和功能的前提下，简化了结构，降低了成本。

2、化整为零，避免了技术上对通道数的限制。将通道数N分为n₂组，每组n₁路信号分时复用(N＝n₁×n₂)，只需调制n₂路信号到不同频段，单路ADC采样。

3、可以根据实际要求选择最佳组合(如64通道有8×8/4×16/16×4等多种组合)，能更有效地利用谱宽并达到更好的指标。

4、用带通滤波器替换低通滤波器，并在时间复用转换前滤波，有效地减少了交调失真。

5、FDM采用多载波系统芯片(Multi-carrier System On Chip)接收信号处理器实现，不仅简化了结构，而且可以达到更好的性能。

附图概述

附图1为本发明结构框图；

附图2为本发明TDM调制信号示意图；

附图3为本发明FDM信号频谱示意图；

附图4为本发明16通道(4×4)信号接收示意图；

具体技术方案

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

本实施例涉及的方法，在其过程中首先由射频多路复用器分组分时接收；之后采用频分复用技术(FDM)，将各组中的各路信号分别调制到不同的频段。

假设通道数为N，结构框图如图1。

首先，信号经过放大、滤波、补偿，每n₁路为一组，分为n₂组，各组由射频多路复用器复合为单路信号。以一组信号为例分析，与原信号不同的是多路复用的信号经过了一个转换信号的调制，如图2所示。设原信号为S(t)，调制方波为m(t)，则调制后的信号S_tdm在时域可表示为，

S_tdm(t)＝S(t)m(t)(1)

经傅立叶变换到频率空间，有

$S_{\mathrm{tdm}}\left(f\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{n}S(f-n{f}_m)---\left(2\right)$

其中，f_m为调制防波的频率，C_n为傅立叶级数展开式的n阶系数，

$C_n=\frac{\sin \left(\frac{\mathrm{n\π}}{N}\right)}{\mathrm{n\π}}---\left(3\right)$

(3)式中N为通道数。

理论上通道数为N时，采样速率应是单路采样的N倍。但从(2)式和(3)式中可以看出复合后的信号不再是简单的处于一段频带内以Larmor频率为中心MR信号，而转变为各谐波调制信号的叠加。而如果带宽不够，滤波就会产生交调失真(crosstalk)，导致信噪比减小，各通道图像干扰。所以需用带通滤波器取代低通滤波器并且在时间复用转换前滤波，这样可以避免通道间的交调失真。同时，为保证由于时分复用(TDM)引起的交调失真低于-35dB(相比相控阵线圈引起的交调失真-20dB，可忽略)，如果原单通道采样频率为12.5kHz，N＝4时最小采样频率需要0.763MHz；N＝8时需要1.263MHz；N＝16时需要2.388MHz。而实际选用的谱宽一般为上述最小值的25倍左右。可见，即使去掉低通滤波器，复用的通道数仍然受接收机谱宽的限制。

为实现多通道接收，每组信号采用TDM技术复合后由N通道减小为n₂通道，再采用FDM技术仅需要调制解调n₂通道。

FDM是一种多载波调制技术，本发明将多路信号并行调制到多个频段，各载波上的信号频谱没有重叠，以便接收机中能用传统的滤波器方法将其分离、提取。FDM信号频谱如图3所示，带宽分成几个子信道，中间用保护频带来降低干扰。这样仅需要单路ADC采样就可以接收所有通道的信号。但是，FDM技术的应用使接收谱宽和信号的峰值振幅增加，例如8路原谱宽为200kHz的MR信号，调制后谱宽需大于5MHz，信号峰值为原MR信号的4倍左右。这就要求ADC具有很高的采样率(SR)和动态范围(DR)，目前ADC可以达到每秒几百兆的采样率，但是，动态范围仍难以满足多通道接收的要求。例如，若SR＝10MSPS，DR＝164dB/Hz，需要18位有效位(ENOB)，就目前的技术还难以达到。所以，若不采用TDM技术先将通道数减小而直接采用FDM技术接收所有信号，在通道数很少的情况下也是可以的；但是当通道数增加，ADC动态范围的损失、有效位的减少将会增大量化噪声导致信噪比(SNR)降低。

本实施例中将通道数N转化为n₁+n₂(n₁×n₂＝N)，应用FDM技术调制的通道数仅为n₂，确保了多通道接收的性能指标。根据实际情况选择的最优的n₁、n₂组合，计算两者独立所需的谱宽值，最终的谱宽为较大的值。

以16通道(4×4)为例，本实施例信号接收示意图如图4所示，主要涉及的设备包括前置放大器(Preamp)、带通滤波器、射频四路复用器(RFSwitch)、混频器、低通滤波器、16位精度高速数模转换器(ADC)、多载波接收信号处理器。

16路信号首先分别放大、滤波、补偿后，分为4组，每组4路信号经过射频四路复用器(SP4T)高速切换，复合为单路信号。其中，放大信号时需要考虑由于采用了射频复用器而引入了插入损耗(Insertion Loss)。带通滤波器的带宽为MR的谱宽，矩形系数(-6dB的带宽与-60dB的带宽之比)需大于1.3。带通滤波器的选择性越好，交调失真越小。

复合后的信号由16路减少为4路，这4路信号由混频器(Analog Devices，AD835)分别调制到不同的频段，各频段间留有保护频带以隔离相邻信号来防止信号干扰。把各子频段相加，采用16位精度高速ADC(Analog Devices，AD9446)将整个频谱上的信号同时采集。采集到的信号可以直接应用多载波接收信号处理器(Analog Devices，AD6624)解调还原，集成芯片的使用简化了硬件结构，保证了良好的性能。

AD6624单片集成了四路接收通道，由于时钟的限制，每个信道主要用于窄带载频。各信道解调过程依次为频率变换单元、二阶重采样级联积分梳状滤波单元(rCIC2)、五阶级联积分梳状FIR滤波单元(CIC5)和RAM系数抽取滤波单元(RCF)。频率变换单元的作用是实现数字下变频(DDC)，包括两个16位乘法器和一个32位复数数控振荡器(NCO)，可产生分辨率达f_SAMP/2³²，f_SAMP/2到f_SAMP/2³²的本振信号。rCIC2是一个二阶固定系数抽取滤波器，内插率可达512，抽取率可达4096。CIC5是一个滤波特性曲线比rCIC2更为陡峭的五阶固定系数抽取滤波器。RCF是一个积和形式、系数可编程的滤波器。数据存储器I-RAM、Q-RAM存储了256个最新的复采样值，系数存储器C-RAM可存储256个系数，分辨率均为20位。每个时钟周期对I、Q进行计算，抽取率可选1到256之间的任意整数。

解调后的信号还需要进一步处理，可使用数字信号处理器(DSP)，还原为16通道的信号。

Claims (5)

1.一种F_TDM多通道接收方法，其特征在于该方法提供一种用于磁共振成像的多通道接收装置，包括前置放大器、带通滤波器、射频复用器、混频器、低通滤波器、高速数模转换器、多载波接收信号处理器，通过如下步骤将时分复用技术和频分复用技术组合使用：A.首先将多路线圈接收的信号进行放大、滤波、补偿处理；B.由射频多路复用器分时接收信号，然后采用FDM频分复用技术，将各组分时复用的信号分别调制到不同的频段；或者采用FDM频分复用技术，分组将信号分别调制到不同的频段，然后采用TDM时分复用技术，将各组频分复用的信号采用分时复合为单路信号；C.采用单路数模转换器进行信号采样；D.使用信号处理器对采集信号解调还原。

2.根据权利要求1所述的一种F_TDM多通道接收方法，其特征在于所述的不同频段间留有保护频带，以隔离相邻信号，防止信号干扰。

3.根据权利要求1所述的一种F_TDM多通道接收方法，其特征在于所述的采用数模转换器进行信号采样是用单路16位精度高速数模转换器采样。

4.根据权利要求1所述的一种F_TDM多通道接收方法，其特征在于所述的信号的解调还原过程依次为频率变换和数字滤波单元。

5.根据权利要求1所述的一种F_TDM多通道接收方法，其特征在于所述的用于解调还原的信号处理器采用的是多载波系统芯片接收信号处理器实现。