DE19828955C2 - Digitaler Schwingungserzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen digitalen Schwingungserzeuger, der insbesondere für den Einsatz in einem Hochfrequenzsender eines diagnostischen Magnetresonanzgerätes geeignet ist.

Bei der Magnetresonanzbildgebung wird zur Ortsauflösung die Frequenzabhängigkeit der Magnetresonanzsignale vom Magnetfeld ausgenutzt. Bei den heute üblichen bildgebenden Sequenzen wird zusätzlich zum Hauptmagnetfeld ein Magnetfeldgradient im Abbildungsbereich so eingestellt, daß nur Kerne in einer be­ stimmten Schicht angeregt werden. Zum Anregen der Schicht wird ein Hochfrequenzsignal mit einer entsprechenden Mitten­ frequenz und Bandbreite in ein abzubildendes Gebiet gesendet. Die Ortsauflösung in der Schicht erfolgt über eine anschlie­ ßende Phasencodierung und beim Empfang der Magnetresonanzsi­ gnale über eine Frequenzcodierung mit entsprechenden magneti­ schen Gradientenfeldern.

Aus der US PS 5,170,123 ist ein Magnetresonanzgerät mit einem digitalen Sender-Empfänger bekannt. Der digitale Sender-Emp­ fänger umfaßt einen numerisch gesteuerten Modulationsoszilla­ tor (NCMO), dessen Frequenz und Phase mit digitalen Steuersi­ gnalen, die von einer Sequenzsteuerung erzeugt werden, vorge­ geben werden können. Ein weiterer Eingang ist zur Absenkung der Basisfrequenz vorgesehen. Der Ausgang des numerisch ge­ steuerten Modulationsoszillators gibt einen Wert aus, mit dem eine Sinustabelle in einem nachfolgenden Speicher adressiert wird. Das Ausgangssignal wird dann im Sender einem Modulator und im Empfänger einem Demodulator zugeführt.

In der US-Patentschrift 5,179,348 A sind digitale Schwin­ gungserzeuger beschrieben, die rückgekoppelte Addierer auf­ weisen. Die Ausgänge der Addierer sind über Multiplexer und Register mit einer Look-up-Tabelle verbunden. Als Steuersi­ gnale sind dem Schwingungserzeuger eine feste (ideale) Fre­ quenz und eine Frequenzabweichung zuführbar, woraus in einem Voraddierer die Frequenz des Schwingungserzeugers gebildet wird.

Die DE 690 29 592 T2 beschreibt einen Pulsgenerator mit einem Addierer, dessen Ausgang mit einem Verzögerungselement ver­ bunden ist. Der Ausgang des Verzögerungselements ist mit ei­ nem ersten Eingang verbunden. Einem zweiten Eingang des Ad­ dierers wird eine konstante Erhöhungszahl zugeführt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen digitalen Schwingungserzeuger anzugeben, mit dem auf einfache Weise die Frequenz- und Phasenlage des Signals am Schwingungsausgang steuerbar ist.

Die Aufgabe wird durch einen digitalen Schwingungserzeuger gelöst, umfassend einen ersten rückgekoppelten Addierer, der eingangsseitig mit einem ersten Steuereingang verbunden ist, einem zweiten rückgekoppelten Addierer, der eingangsseitig mit einem zweiten Steuereingang verbunden ist, einem Addie­ rer, der eingangsseitig mit einem dritten Steuereingang und jeweils einem Ausgang des ersten und des zweiten Addierers verbunden ist, und einem Speicher, der eingangsseitig mit ei­ nem Ausgang des Addierers und der einen ersten Schwingungs­ ausgang aufweist. Damit kann die Frequenz- und Phasenlage des Schwingungserzeugers beliebig eingestellt werden. Insbesonde­ re ist damit die in diagnostischen Magnetresonanzgeräten für die verschiedenen bildgegebenden Sequenzen erforderliche Pha­ senkohärenz auf der Hochfrequenzseite leicht herzustellen. In diesem Zusammenhang bedeutet Phasenkohärenz, daß die Phase zu einer bestimmten Zeit einen bestimmten Wert besitzt. Durch die Aufteilung der Frequenzsteuerung in eine konstante Basis­ frequenz und eine variable Zusatzfrequenz ergibt sich bei mi­ nimaler Wortlänge der digitalen Steuersignale eine hohe Ge­ nauigkeit. Dabei wird dem ersten Steuereingang das bei gege­ bener Taktrate die Basisfrequenz bestimmende Winkelinkrement und dem zweiten Steuereingang das bei gegebener Taktrate den variablen Frequenzanteil bestimmende Winkelinkrement zuge­ führt. Der Nullphasenwinkel kann über den dritten Steuerein­ gang zugeführt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß der Speicher einen zweiten Schwingungsausgang aufweist, wobei der erste Schwingungsausgang als Inphaseausgang und der zweite Schwinungsausgang als Quadraturausgang ausgebildet ist. Prinzipiell kann aus einer einzigen Sinus- oder Cosinus- Tabelle das Inphase- und das Quadratursignal erzeugt werden, indem gleichzeitig verschiedene Speicherinhalte ausgelesen werden.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ad­ dierer eingangsseitig mit einem Phasenkorrekturspeicher ver­ bunden. Damit können Phasenfehler der nachfolgenden Signal­ kette schon über den digitalen Schwingungserzeuger selbst auf einfache Art kompensiert werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besitzt der zweite rückgekoppelte Addierer einen Rücksetzeingang. Damit kann beim Einsatz in einem Magnetresonanzgerät nach jeder Sendeoperation der Schwingungserzeuger zurück auf die Basis­ frequenz gesetzt werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist mindestens einer der Schwingungsausgänge mit einem Modulator verbunden. Die volldigitale Ausgestaltung des Schwingungserzeugers als Sender erfüllt hohe Anforderungen an die Langzeitstabilität.

Auf einfache Weise lassen sich Amplitudenfehler, die in den Gliedern der nachfolgenden Signalkette erzeugt werden, korri­ gieren, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Modulator mit einem Betragskorrekturspeicher verbunden ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand von zwei Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines digitalen Schwingungserzeu­ gers und

Fig. 2 beispielhaft einen Signalverlauf des Phasenwinkels, der den Signalformspeicher adressiert.

Bei dem in Fig. 1 als Blockschaltbild dargestellten digitalen Schwingungserzeuger sind aus Gründen der Übersichtlichkeit erforderliche Taktgeneratoren und Takteingänge der digitale Bausteine nicht dargestellt. Mit üblichen Bauteilen läßt sich der Schwingungserzeuger mit einer Taktrate von 10 MHz betrei­ ben. Der digitale Schwingungserzeuger arbeitet nach dem Prin­ zip eines numerisch gesteuerten Oszillators, bei dem mit Hil­ fe der Phase der zu erzeugenden Schwingung ein Schwingungs­ formspeicher adressiert wird. Der digitale Schwingungserzeu­ ger kann in einem diagnostischen Magnetresonanzgerät einge­ setzt werden zur Erzeugung und Modulation der hochfrequenten Sendesignale im MHz-Bereich und zur Demodulation der empfan­ genen Magnetresonanzsignale.

Der Schwingungserzeuger umfaßt einen ersten rückgekoppelten Addierer 2, der eingangsseitig mit einem ersten Steuereingang 4 verbunden ist. Der Addierer 2 erhöht den am Ausgang 6 aus­ gegebenen Datenwert mit jedem Takt um den am Eingang 4 anlie­ genden Wert.

Ein zweiter rückgekoppelter Addierer 8 ist eingangsseitig mit einem zweiten Steuereingang 10 verbunden. Der zweite rückge­ koppelte Addierer 8 erzeugt ebenso wie der erste rückgekop­ pelte Addierer 2 an seinem Ausgang 12 einen Digitalwert, der nach jedem Takt um den am zweiten Steuereingang 10 anliegen­ den Wert erhöht ist.

Die Ausgänge 6 bzw. 12 des ersten bzw. des zweiten rückgekop­ pelten Addierer 2, 8 sind mit Eingängen eines Addierers 14 verbunden. Der Addierer 14 ist eingangsseitig noch mit einem dritten Steuereingang 16 verbunden. Zusätzlich weist der Ad­ dierer 14 einen Phasenkorrektureingang 18 auf.

Alle an den Eingängen des Addierers 14 anliegende Digitalwer­ te werden addiert und an seinem Ausgang 20 als Phasensignal ϕ ausgegeben. Das Phasensignal ϕ am Ausgang 20 adressiert einen Sinus-Cosinus-Speicher 22, der einem Inphase-Schwin­ gungsausgang 24 und einem Quadratur-Schwingungsausgang 26 aufweist. Die jeweiligen Wortlängen der Steuersignale und die Taktfrequenz, womit die rückgekoppelten Addierer 2 und 8, der Addierer 14 und der Speicher 22 arbeiten, wird durch die An­ forderungen an die Genauigkeit des Schwingungssignals be­ stimmt.

Der zweite rückgekoppelte Addierer 8 besitzt noch einen Rück­ setzeingang 28, worüber der Ausgabewert des Addierers 8 auf Null zurückgesetzt werden kann. Wird dann gleichzeitig als Wert am Eingang des Addierers 8 auch der Null vorgegeben, dann bleibt der Ausgabewert unverändert Null.

Der Inphase-Schwingungsausgang 24 und der Quadratur- Schwingungsausgang 26 sind mit entsprechenden Eingängen eines digitalen Einseitenbandmodulators 30 verbunden, sie können auch - was nicht weiter ausgeführt ist - mit einem Demodula­ tor zum z. B. zum Demodulieren der empfangenen Magnetreso­ nanzsignale verbunden sein. Einem weiteren Eingang 32 des Einseitenbandmodulators 30 wird ein Modulationssignal zuge­ führt, womit die Inphase- und Quadraturschwingungen entspre­ chend in ihrer Amplitude moduliert werden. Aus den beiden mo­ dulierten Schwingungen (modulierte Inphase- und modulierte Quadraturschwingung) wird dann das hochfrequente modulierte Einseitenbandsignal in digitaler Form erzeugt.

Zusätzlich sind noch zwei Korrekturspeicher 34 und 36 vorhan­ den, womit Signalverzerrungen in den nachfolgenden Signalket­ ten kompensiert werden können. Der erste Korrekturspeicher 34 ist ausgangsseitig mit dem Modulator 30 und der zweite Kor­ rekturspeicher 36 ist ausgangsseitig mit dem Phasenkorrek­ tureingang 18 des Addierers 14 verbunden. Den beiden Korrek­ turspeichern werden ein ideales Modulationssignal |B₁| und ein Abschwächercode-Signal (Tx Attenuator Code) als Adress- Signale zugeführt. Zuvor, z. B. bei der Einrichtung der An­ lage, ermittelte Korrekturwerte, die die Verzerrungen bzw. die einstellbaren Abschwächungen berücksichtigen, sind in den beiden Speichern 34, 36 abgelegt. Das dann vorverzerrte (preemphasis) Modulationssignal wird von dem Betragskorrek­ turspeicher 34 geliefert. Die beiden Speicher 34 und 36 sind z. B. als FLASH EPROM oder EEPROM ausgeführt, die zwar mit neuen Werten beschreibbar sind, aber auch im stromlosen Zu­ stand den Speicherinhalt nicht verlieren.

Dem ersten Steuereingang 4 ist hier das Winkelinkrement ω₀dt der Basisfrequenz zugeführt. Das Winkelinkrement ω₀dt bleibt im allgemeinen über einen längeren Zeitraum konstant. Fre­ quenzabweichungen Δω von der Grundfrequenz werden als varia­ bles Winkelinkrement Δωdt dem zweiten Steuereingang 10 zuge­ führt. Der Nullphasenwinkel ϕ_RF wird über den dritten Steuer­ eingang dem Addierer 14 zugeführt. Auch der Nullphasenwinkel bleibt im allgemeinen über einen längeren Zeitraum konstant. Dagegen können über den Phasenkorrektureingang 18 Phasenkor­ rekturen vorgegeben werden, die in den nachfolgenden Gliedern der Signalverarbeitungskette, wie z. B. in einem Modulator oder einem Leistungsverstärker, erzeugte Phasenfehler korri­ gieren.

Fig. 2 zeigt nun den zeitlichen Verlauf des am Ausgang des Ad­ dierers 20 erzeugten Phasensignals, jedoch ohne den von der Grundschwingung ω₀ herrührenden Anteil, also den Verlauf des Phasenwinkels ϕ - ω₀t. Zum Zeitpunkt t1 soll ein Signal er­ zeugt werden, das einen Nullphasenwinkel von z. B. ϕ₀₁ be­ sitzt, symbolisiert durch einen Pfeil 37. Der Wert des Null­ phasenwinkels ϕ₀₁ wird über den Eingang 16 dem Addierer 14 zugeführt. Zusätzlich soll zu diesem Zeitpunkt die Frequenz erhöht werden, was in Fig. 2 einen linear ansteigenden Verlauf 38 im Phasensignal bedeutet. Durch von Null verschiedene Wer­ te am Phasenkorrektureingang 18 kann sich auch ein nichtline­ ar ansteigender Verlauf ergeben. Der ansteigende Teil 38 ist zum Zeitpunkt t2 beendet. Zu diesem Zeitpunkt t2 wird der rückgekoppelte Addierer 8 über den Rücksetzeingang 28 auf z. B. Null gesetzt, symbolisiert durch einen Pfeil 40. Zum Zeit­ punkt t3 soll eine niedrigere Frequenz als die Grundschwin­ gung ω₀ erzeugt werden, was ein linear fallender Phasenwert 42 bedeutet. Zusätzlich soll der Phasenwinkel zum Zeitpunkt t3 den Wert ϕ₀₂ annehmen, was durch ein entsprechendes Steu­ ersignal am dritten Steuereingang 16 bewirkt wird und durch einen Pfeil 44 verdeutlicht ist. Auch hier kann sich aufgrund von Werten am Phasenkorrektureingang 18 ein nichtlinearer Verlauf ergeben. Am Ende t4 des abfallenden Teils im Phasen­ verlauf wird der zweite rückgekoppelte Addierer 8 über den Rücksetzeingang 28 zurückgesetzt (Pfeil 45).

Claims (9)

1. Digitaler Schwingungserzeuger mit einem ersten rückgekop­ pelten Addierer (2), der eingangsseitig mit einem ersten Steuereingang (4) verbunden ist, einem zweiten rückgekoppel­ ten Addierer (8), der eingangsseitig mit einem zweiten Steu­ ereingang (10) verbunden ist, einem Addierer (14), der ein­ gangsseitig mit einem dritten Steuereingang (16) und jeweils einem Ausgang (6 bzw. 12) des ersten und des zweiten Addie­ rers (2 bzw. 8) verbunden ist, und einem Speicher (22), der eingangsseitig mit einem Ausgang (20) des Addierers (22) und der einen ersten Schwingungsausgang (24, 26) aufweist.

2. Digitaler Schwingungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Speicher (22) eine Sinus-Kosinus- Tabelle enthält.

3. Digitaler Schwingungserzeuger nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Speicher (22) einen zweiten Schwingungsausgang (26) aufweist, wobei der erste Schwin­ gungsausgang (24) als Inphaseausgang und der zweite Schwin­ gungsausgang (26) als Quadraturausgang ausgebildet ist.

4. Digitaler Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Addierer (22) ein­ gangsseitig mit einem Phasenkorrektureingang (18) verbunden ist.

5. Digitaler Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite rückgekoppelte Addierer (8) einen Rücksetzeingang (28) besitzt.

6. Digitaler Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Schwingungsausgänge (24, 26) mit einem Modulator (30) verbun­ den ist.

7. Digitaler Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schwingungsausgänge (24, 26) mit einem Einseitenbandmodulator (30) verbunden sind.

8. Digitaler Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenkorrektureingang (18) mit einem Phasenkorrekturspeicher (36) verbunden ist.

9. Digitaler Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (30) mit ei­ nem Betragskorrekturspeicher (34) verbunden ist.