DE60211673T2

DE60211673T2 - Verfahren und vorrichtung zur galvanisch getrennten übertragung von gigabitdaten mit einem schleifringübertrager

Info

Publication number: DE60211673T2
Application number: DE60211673T
Authority: DE
Inventors: Stefan Popescu
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: EP1377217A1; DE60211673D1; EP1377217B1; US6862299B2; JP2004526518A; IL157748A0; WO2002083000A1; ATE326903T1; US20020172228A1; JP4192000B2

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur galvanisch getrennten Übertragung von Daten im Bereich von Gigabit/s, wie etwa über eine Schleifringanordnung, insbesondere zwischen der rotierenden Gantry und der ortsfesten Datenverarbeitungseinheit einer Computertomographieeinrichtung.
US-A-5 336 897 offenbart eine optische Datenübertragungseinrichtung, die benutzt wird, um ein Signal mit hoher Geschwindigkeit zwischen der rotierenden Gantry und dem feststehenden Teil eines Röntgenstrahlen-Computertomographen zu übertragen.
US-A-6 075 634 offenbart Sender- und Empfänger-Rückgewinnungseinheiten, die bei der Übertragung von Daten mit einer Datenrate im Gigabit/s-Bereich über eine faseroptische Fernverbindung benutzt werden.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Medizinische bildgebende Vorrichtungen, wie etwa Computertomographiesysteme der dritten Generation, benutzen Schleifringe, um die Messdaten von dem Datenmesssystem (DMS), das an der gleichmäßig rotierenden Gantry angeordnet ist, zu dem ortsfesten Bildkonstruktionssystem (BKS) zu übertragen. Das DMS muss von der rotierenden Gantry galvanisch getrennt sein, um zu vermeiden, dass Leckströme und Störstrahlung die rauschempfindlichen Messkanäle des DMS stören. Außerdem sollte das BKS von der Gantry galvanisch getrennt sein, um sowohl eine elektrische Gefährdung der Bedienungsperson im Hinblick auf die Hochspannungen, die benutzt werden, um Komponenten an der Gantry zu betreiben, zu vermeiden, als auch zu vermeiden, dass eine von der Gantry erzeugte elektromagnetische Störung das BKS beeinflusst und eine von dem BKS erzeugte elektromagnetische Störung die Gantry-Komponenten beeinflusst.
Neuere Computertomographiesysteme benutzen eine zweidimensionale Detektoranordnung in dem DMS und sind folglich im Stande, mehr Schnitte pro Umdrehung zu messen. Beispielsweise erfasst der Siemens-Computertomograph der jüngsten Generation "Somatom Volume Zoom" vier Schnitte gleichzeitig, wodurch Messdaten mit einer Rate von ungefähr 200 Mbit/sec erzeugt werden. Neue klinische Anwendungen gehen mit einer weiteren Steigerung der Anzahl gleichzeitig gemessener Schnitte einher, wodurch sich die Datenrate, die von dem DMS zu dem BKS übertragen werden muss, in den Gigabit/s-Bereich erhöht.
Eine serielle Datenübertragung im Gigabit/s-Bereich von der Datenquelle zum Bestimmungsort der Daten ist auf Grund einer Akkumulation von Jitter besonders schwierig, wenn aneinander gereihte (verkettete) Übermittlungsabschnitte benutzt werden. Jitter ist ein Oberbegriff für die Wirkung zufälliger oder deterministischer Veränderungen von Eins-zu-Null-Übergängen und Null-zu-Eins-Übergängen in den binären Daten innerhalb eines seriellen Bitstroms, die nicht ganz in Phase zu dem Bezugstakt sind. Diese Veränderungen sind als Abweichungen von der mittleren Phase sichtbar, die in dem so genannten Augenoszillogramm auftritt. Bei einem Datenübertragungsabschnitt überträgt jede Komponente den Jitter, den sie an ihrem Eingang empfangen hat und fügt an ihrem Ausgang weiteren, intern erzeugten Jitter hinzu. Die Qualität einer Datenverbindung kann anhand der Jittermenge, der am Ausgangsende der Verbindung auftritt, beurteilt werden, da an dieser Stelle eine Takt- und Daten-Rückgewinnungsschaltung die Bits korrekt decodieren muss. Trotz des Jitters muss die Takt- und Daten-Rückgewinnungsschaltung eine zufrieden stellende Bitfehlerrate (BER) liefern. Neben Jitter verschlechtern Rauschen, das in die Verbindung eingekoppelt wird, und Impulsverzerrungen, die auf nichtlineare Bauelemente zurückzuführen sind, die Gesamtbitfehlerrate weiter.
Empfehlungen der Internationalen Fernmeldeunion (ITU-T), spezifizieren die Grenzwerte für die Jitterübertragung, die Jittererzeugung und die Jittertoleranz (siehe ITU-R BT.1363, "Jitter Specifications and Method for Jitter Measurements of Bit-serial Signals").
In einem Computertomographiesystem enthält die Datenquelle gewöhnlich einen optischen Sender, der die Messdaten seriell an das Schleifringsystem (SRS) sendet, wo ein rotierendes Empfangsmodul den ankommenden optischen Bitstrom in ein elektrisches Signal überführt. Das elektrische Signal wird entweder durch kapazitive Kopplung oder optisch, unter Verwendung eines Hochleistungslasers, zu dem ortsfesten SRS-Modul übertragen.
Das ortsfeste SRS-Modul überführt das von dem rotierenden Teil empfangene Signal in einen elektrischen Bitstrom und überträgt ihn ferner an den Empfänger – über einen optischen Sender zu dem Datenendnutzer (Bestimmungsort). Eine solche bekannte Anordnung ist hier in 1 schematisch dargestellt.
Folglich wird das Schleifringsystem (SRS) als ein Übertragungskanal wirksam, der für das höhere Protokoll durchlässig ist, das sich wie ein logisches Segment der Nachrichtenverbindung verhält. Damit die Verbindung funktioniert, muss sichergestellt sein, dass der Jitter-Beitrag aller Bauelemente zwischen dem Sender und dem Empfänger hinreichend niedrig ist, so dass der Empfänger immer noch fähig ist, den ankommenden Bitstrom bei einer vernünftigen Bitfehlerrate zu decodieren. Diese Anforderung kann für Datenraten unter 200 Mbit/s mit üblichen Bauelementen in zufrieden stellender Weise erfüllt werden.
Für Gigabit-Verbindungen (>1 000 Mbit/s) spezifizieren IEEE-Normen das Jitter-Budget der Nachrichtenverbindung und wie dieses über die Bauelemente der Verbindung verteilt ist in dem IEEE-Entwurf P802.3z/D5.0 vom 6. Mai 1998, "Supplement to Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (Csma/cd) Access Method & Physical Layer Specifications – Media Access Control (Mac) Parameters, Physical Layer, Repeater and Management Parameters for 1,000 Mb/s Operation". Der Abschnitt 38.5 dieser Spezifikation führt sowohl die Jitterspannen als auch die erforderliche Messanordnung auf. Wie hier in 2 gezeigt ist, definiert diese Norm vier konforme Punkte TP1, TP2, TP3 und TP4, an denen der Jitter spezifiziert ist, und drei Verbindungsabschnitte, die zusätzlichen Jitter hinzufügen können, nämlich von TP1 zu TP2, von TP2 zu TP3 und von TP3 zu TP4.
Das Jitter-Budget ist gemäß der folgenden Tabelle verteilt:
Die Zahlen in der obigen Tabelle stellen einen hochfrequenten Jitter (über 500 kHz) dar und schließen weder niederfrequenten Jitter noch langsame Phasenschwankungen ein, die im Falle einer Schleifringübertragung schon an sich durch die Drehbewegung auftreten.
3 zeigt hier die einzelnen Baugruppen der Gigabit-Verbindung unter dem Gesichtspunkt Jitter, wenn ein Schleifringsystem zwischen dem Sender und dem Empfänger benutzt wird, sowie das verfügbare und realisierbare Jitter-Budget. Wie in 3 gezeigt ist, gibt es auf Grund des Einbeziehens des Schleifringsystems (SRS) zusätzlichen Jitter erzeugende Bauelemente zwischen den normkonformen Punkten TP2 und TP3. Die optischen Komponenten der SRS-Module weisen einen deterministischen Jitter auf, wofür in 3 typische Figuren gezeigt sind. Außerdem trägt die Übertragung innerhalb des Schleifrings zusätzlichen Jitter bei. Beispielsweise wies eine kapazitive Schleifringanordnung, die versuchsweise bei 400 MHz ohne Rotation und außerhalb der normalerweise verrauschten Umgebung einer Computertomographie-Gantry betrieben wurde, einen Gesamtjitter von ungefähr 500 ps nur für die elektrische Übertragung an sich auf. Entsprechend diesen Werten erzeugt das SRS insgesamt ungefähr 600 ps Jitter, was den zulässigen Grenzwert von 136 ps bei weitem überschreitet. Folglich ist eine Datenübertragung im Gigabit/s-Bereich über eine galvanisch getrennte Schleifringanordnung unter Verwendung üblicher Bauelemente und bekannter Verfahren auf Grund des übermäßigen Jitters ungeeignet. Selbst der Versuch, extrem schnelle optische Bauelemente zu benutzen, um den Jitter zu vermindern, würde dieses Problem nicht beheben, da die Gesamtverbindung durch das Vorhandensein der kapazitiven Schleifring-Übertragungseinheit weiterhin zusätzlichem, von außen eingekoppeltem Rauschen ausgesetzt wäre.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und ein System zur Übertragung von Daten im Gigabit/s-Bereich auf eine galvanisch getrennte Weise zu schaffen, die die zuvor erwähnten Spezifikationen für diesen Typ von Datenübertragung erfüllt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines solchen Datenübertragungsverfahrens und einer solchen Anordnung zur Übertragung von Daten zwischen einem beweglichen Teil, wie etwa einem rotierenden Teil, an dem eine Gigabit/s-Daten-Quelle angeordnet ist, zu einem Datenbestimmungsort, der in Bezug auf das bewegliche Teil fest ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Datenübertragungsverfahrens und eines Systems, das sich zur Übertragung von Messdaten im Bereich von Gigabit/s von einem an einer rotierenden Gantry in einem Computertomographen angebrachten Detektionssystem zu einem ortsfesten Bildrekonstruktionssystem über ein Schleifringsystem, das die vorerwähnten Jitterspezifikationen erfüllt, eignet.
Die oben genannten Aufgaben werden gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung in einem Datenübertragungssystem und mit einem Verfahren, wobei Gigabit/s-Daten von einer Datenquelle, die an einem rotierenden Teil angeordnet ist, zu einem ortsfesten Teil über ein Schleifringsystem zu übertragen sind, gelöst, wobei ein erster Gigabit-Datenverbindungsabschnitt von der Quelle an dem rotierenden Teil zu einem rotierenden Modul des Schleifringsystems verläuft, wobei eine erste Takt-Rückgewinnungseinrichtung zwischen den ersten Datenverbindungsabschnitt und das rotierende Schleifringmodul geschaltet ist, wobei ein zweiter Gigabit-Datenverbindungsabschnitt von einem ortsfesten Modul des Schleifringsystems zu dem Datenbestimmungsort an dem ortsfesten Teil verläuft, wobei eine zweite Takt-Rückgewinnungseinrichtung zwischen das ortsfeste Schleifringmodul und den zweiten Datenverbindungsabschnitt geschaltet ist, und wobei die erste und die zweite Takt-Rückgewinnungseinrichtung zusammenwirken, um die Gigabit/s-Daten, die von dem ersten Datenverbindungsabschnitt kommen, und die Gigabit/s-Daten, die zu dem zweiten Datenverbindungsabschnitt weitergehen, zu einem stabilen Bezugstakt zu synchronisieren, um zu vermeiden, dass Jitter von der Quelle zum Bestimmungsort gelangt.
In einer Ausführungsform sind die erste und die zweite Takt-Rückgewinnungseinrichtung serielle Takt-Rückgewinnungseinrichtungen, und in einer weiteren Ausführungsform sind die erste und die zweite Takt-Rückgewinnungseinrichtung parallele Takt-Rückgewinnungseinrichtungen.
Der rotierende oder umlaufende Teil kann die Gantry eines Computertomographen sein, wobei in diesem Fall die Gigabit/s-Datenquelle der Strahlungsdetektor ist und die Gigabit/s-Daten Messdaten sind, die durch das Bestrahlen des Untersuchungssubjekts mit Röntgenstrahlen von einer Röntgenstrahlungsquelle erhalten werden, wobei die geschwächten Röntgenstrahlen auf den Empfänger fallen und von diesem gemessen werden. In dieser Ausführungsform ist der ortsfeste Teil das Bildrekonstruktionssystem, das aus den Messdaten, die ihm über das Schleifringsystem zugeführt werden, ein Bild von dem Untersuchungssubjekt rekonstruiert.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist, wie weiter oben vermerkt, ein Blockdiagramm einer herkömmlichen galvanisch getrennten Datenübertragungsanordnung, die ein Schleifringsystem für Daten im Mbit/s-Bereich benutzt.
2 ist, wie weiter oben vermerkt, ein Blockdiagramm einer Gigabit-Verbindung, wobei den IEEE-Normen konforme Punkte für Jitter aufgezeigt sind.
3 veranschaulicht, wie oben vermerkt, mit näheren Einzelheiten des Schleifringsystems die bekannte Anordnung von 1, wobei der Jitter an den normkonformen Punkten gemessen wird, die durch die IEEE-Normen in 2 angegeben sind.
4 ist ein Blockdiagramm einer Anordnung zur Übertragung von Daten im Gigabit/s-Bereich, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und arbeitet.
5 ist ein Blockdiagramm des rotierenden Moduls des Schleifringsystems in einer Ausführungsform der Erfindung, die serielle Takt-Rückgewinnungseinrichtungen benutzt.
6 ist ein Blockdiagramm des ortsfesten Moduls des Schleifringsystems in einer Ausführungsform der Erfindung, die serielle Takt-Rückgewinnungseinrichtungen benutzt.
7 ist ein Blockdiagramm des rotierenden Moduls des Schleifringsystems in einer Ausführungsform der Erfindung, die parallele Takt-Rückgewinnungseinrichtungen benutzt.
8 ist ein Blockdiagramm des ortsfesten Moduls des Schleifringsystems in einer Ausführungsform der Erfindung, die parallele Takt-Rückgewinnungseinrichtungen benutzt.
9 ist eine schematische Darstellung eines Computertomographen, der eine Anordnung zur Übertragung von Daten im Gigabit/s-Bereich gemäß einer der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und Systems benutzt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Grundbestandteile eines Systems zur Übertragung von Daten im Gigabit/s-Bereich gemäß der Erfindung sind in 4 gezeigt. Die Anordnung enthält Baugruppen, die in einem rotierenden Teil angeordnet sind, wie etwa eine rotierende Gantry eines Computertomographen, und Baugruppen, die in einem ortsfesten Teil angeordnet sind, wie etwa ein Bildrekonstruktionssystem des Computertomographen. Die Gigabit/s-Daten werden zwischen den Baugruppen an der rotierenden Gantry und den Baugruppen, die an dem ortsfesten Teil angeordnet sind, über ein Schleifringsystem (SRS) übertragen. Das SRS weist ein rotierendes Modul, in 4 als "SRS rotierend" bezeichnet, und ein ortsfestes Modul, in 4 als "SRS ortsfest" bezeichnet, auf. Die Gigabit/s-Daten werden an einem in 4 als Sender bezeichneten Ort erzeugt, der beispielsweise ein Detektorsystem des Computertomographen sein kann, das Messdaten erzeugt, die aus einer Bestrahlung eines Untersuchungssubjekts mittels einer Röntgenstrahlungsquelle resultieren. Die Gigabit/s-Daten werden von dem Sender zu dem rotierenden Modul des Schleifringsystems über einen optischen Verbindungsabschnitt an der rotierenden Gantry übertragen. Nach der Übertragung über das SRS werden die Daten von dem ortsfesten Modul des SRS über einen weiteren optischen Verbindungsabschnitt dem Datenbestimmungsort, in 4 als Empfänger bezeichnet, zugeführt. Der Empfänger kann beispielsweise eine Datenverarbeitungskette und ein Computersystem eines Computertomographen sein, welche die Gigabit/s-Daten in bekannter Weise verarbeiten, um ein Bild von dem Untersuchungssubjekt zu rekonstruieren.
Um das zuvor erwähnte Jitterakkumulationsproblem zu lösen benutzt die in 4 gezeigte erfindungsgemäße Anordnung Takt- und Daten-Rückgewinnungseinrichtungen, in 4 als Takt-Rückgewinnungseinrichtungen bezeichnet, in jedem der SRS-Module, d.h. eine Takt-Rückgewinnungseinrichtung in dem rotierenden SRS-Modul und eine Takt-Rückgewinnungseinrichtung in dem ortsfesten SRS-Modul. Die Takt-Rückgewinnungseinrichtung in dem rotierenden SRS-Modul beseitigt den Jitter, der bei der Übertragung vom Sender zu dem rotierenden SRS-Modul (die keine Direktübertragung zu sein braucht) akkumuliert worden ist. Die Takt-Rückgewinnungseinrichtung in dem ortsfesten SRS-Modul beseitigt den Jitter, der durch die SRS-Übertragung selbst erzeugt wird, und ermöglicht folglich eine korrekte Decodierung der empfangenen Daten im Empfänger.
Die Takt-Rückgewinnungseinrichtungen entfernen den Jitter durch Synchronisieren der Daten zu einem stabilen Bezugstakt und verhindern folglich, dass Jitter von einem Verbindungsabschnitt zum anderen transportiert wird.
In einer Ausführungsform, die in den 5 und 6 gezeigt ist, werden serielle Takt-Rückgewinnungseinrichtungen benutzt. Diese Ausführungsform benutzt übliche Takt- und Daten-Rückgewinnungsschaltungen, um den hochfrequenten Jitter, der in dem Bitstrom vorhanden ist, zu beseitigen. Die Takt-Rückgewinnungseinheit, etwa ein Phasenregelkreis (PLL), entfernt unter Verwendung eines Tiefpassfilters hochfrequenten Jitter aus den Daten. Der Phasenregelkreis ist außerdem im Stande, einen großen Anteil niederfrequenten Jitters (wie etwa Drift oder langsame Phasenschwankungen) unterhalb seiner Bandbreite zu verfolgen. Der niederfrequente Jitter wirkt sich jedoch nicht auf die Funktion der Verbindung aus.
Die Grundbestandteile des rotierenden SRS-Moduls in der Ausführungsform der Benutzung serieller Takt-Rückgewinnungseinrichtungen sind in 5 gezeigt. Das rotierende SRS-Modul empfängt den optischen Bitstrom über einen optischen Empfänger, der fähig ist, einen "Signalverlust"-Zustand zu erfassen und gegebenenfalls den Sender über diesen Zustand zu informieren. Der optische Empfänger überführt den ankommenden optischen Bitstrom in einen entsprechenden elektrischen Bitstrom, der einer Takt- und Daten-Rückgewinnungsschaltung wie etwa einer integrierten Schaltung (Chip) zugeführt wird.
Die Takt- und Daten-Rückgewinnungsschaltung decodiert den elektrischen Bitstrom und liefert die Datenbits und den zurückgewonnenen Takt, der frei von hochfrequentem Jitter ist. Der PLL-Fehler wird erfasst und zusammen mit den Takt- und Datensignalen an einen programmierbaren Logikbaustein (PLB) geliefert. Der PLB synchronisiert die Daten wieder mit dem gelieferten Takt und verarbeitet PLL-Fehler. Eine solche Wiederherstellung der Synchronisation geschieht sowohl durch die Takt- und Daten-Rückgewinnungsschaltung als auch durch den PLB, die mit demselben stabilen Bezugstakt betrieben werden. Der PLB liefert die Ausgangsdaten an die sendenden Elemente des rotierenden SRS-Moduls. Diese Daten können immer noch in einem geringen Umfang niederfrequentem Jitter und langsamen Phasenschwankungen unterliegen.
Alternativ kann der PLB die Daten synchron zu dem Bezugstakt übertragen. In diesem Fall muss die Frequenz des lokalen Taktes geringfügig höher als der Eingangstakt festgesetzt sein, um den Verlust von Datenbits zu vermeiden. Falls eine vernachlässigbare Bitfehlerrate tolerierbar ist, kann das Modul dieselben frequenzangepassten Taktquellen nutzen.
Die Bauelemente des ortsfesten SRS-Moduls, das in 6 gezeigt ist, arbeiten auf eine ähnliche Weise. Die SRS-Übertragungselemente empfangen die Daten von den Übertragungselementen des rotierenden SRS-Moduls. Die empfangenen Daten werden einem Begrenzungsverstärker zugeführt, der außerdem fähig ist, dem ortsfesten Empfänger einen "Signalverlust"-Zustand anzuzeigen. Der elektrische Bitstrom von dem Begrenzungsverstärker wird von der Takt- und Daten-Rückgewinnungsschaltung in dem ortsfesten SRS-Modul verarbeitet, um den Rückgewinnungstakt und den Datenbitstrom zu erhalten. Ein PLB, der mit dem PLB in dem rotierenden SRS-Modul identisch ist, führt die Wiederherstellung der Synchronisation und die Fehlererfassung in dem ortsfesten SRS-Modul aus. Wie in 5 sind die Takt- und Daten-Rückgewinnung und der PLB als mit demselben Bezugstakt betrieben dargestellt, jedoch können die gleichen Modifikationen im Hinblick auf das Taktsignal in dem ortsfesten SRS-Modul angewendet werden, die weiter oben mit Bezug auf das rotierende SRS-Modul erörtert wurden.
Die in den SRS-Modulen benutzten seriellen Takt-Rückgewinnungseinrichtungen beseitigen den hochfrequenten Jitter, der durch die vorhergehenden Bauelemente in die Verbindung eingebracht wurde. Die Daten werden folglich mit einer jitterfreien lokalen Taktquelle weitergeleitet. Auf diese Art und Weise hat der interne Datenverbindungsabschnitt innerhalb des SRS einen Spielraum von mehr als 400 ps für Jitter, was dem Verbindungsabschnitt von TP1 zu TP4 in der oben erörterten Tabelle äquivalent ist. Dies ist leicht zu erreichen, selbst mit Schleifringen großer Durchmesser, wie sie im Stand der Technik bei Computertomographiesystemen benutzt werden.
Infolge der Jitterverminderung ist die Fehlererfassung verbessert, wobei das System fähig ist, Kommunikationsfehler in jedem Verbindungsabschnitt, d.h. vom Sender zum rotierenden SRS-Modul, vom rotierenden zum ortsfesten SRS-Modul und vom ortsfesten SRS-Modul zum ortsfesten Empfänger, separat zu erfassen und zu lokalisieren. Beide, der rotierende Sender und der ortsfester Empfänger, "sehen" am anderen Ende des Verbindungsabschnitts einen üblichen Gigabit-Partner, wobei das SRS "unsichtbar" ist, zumindest, was den Jitter betrifft.
Die 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform, die parallele Takt-Rückgewinnungseinrichtungen benutzt. In dieser Ausführungsform werden übliche Parallel-Serien- und Serien-Parallel-Umsetzer (SerDes) benutzt, um die Daten als Parallelwörter zurückzugewinnen und um die Synchronisation des Ausgangswortes und des Bitstroms zu einem stabilen Bezugstakt ohne Verluste wiederherzustellen. Jede Takt-Rückgewinnungseinrichtung muss fähig sein, zwischen geringfügig verschiedenen Taktraten (dem zurückgewonnenen Takt am Eingang und dem lokalen Bezugstakt am Ausgang) zu handeln. Wenn der lokale Takt langsamer als der zurückgewonnene Takt ist, verwirft die Rückgewinnungseinrichtung einige wichtige Wörter, um den Datenstrom zu synchronisieren. Um die "Leerwörter" zu erkennen muss jede Rückgewinnungseinrichtung das Datenformat kennen, damit jedes Datenpaket separiert werden kann und, falls erforderlich, dann ein Leerzyklus zwischen den Paketen verworfen werden kann. Das rotierende SRS-Modul mit einer parallelen Takt-Rückgewinnungseinrichtung ist in 7 gezeigt. Wie zuvor empfängt das rotierende SRS-Modul den optischen Bitstrom von dem Sender mit einem optischen Empfänger mit einer "Signalverlust"-Zustandsanzeige. Eine so genannte PMA-Empfangsschaltung decodiert den elektrischen Bitstrom synchron zu dem zurückgewonnenen Takt und packt ihn in Wörter, die in einen kleinen FIFO-Speicher eingestellt werden. Die Wörter können beispielsweise 16-Bit-Wörter sein. Erfasste Coderegelverletzungen werden als Fehler signalisiert. Ein mit dem stabilen lokalen Takt betriebener PLB stellt die Synchronisation des Wortstroms wieder her, um den Jitter zu beseitigen. Schließlich entfernt der PLB Leerzustände, um einen Überlauf des FIFO-Speichers zu vermeiden, falls der lokale Takt etwas niedrigerer als der zurückgewonnene Takt ist.
Der PLB erfasst CRC- und Protokollfehler und sendet die Wörter zu der Parallel-Serien-PMA-Sendeschaltung zurück. Der jitterfreie serielle Bitstrom wird dann von der Parallel-Serien-PMA-Sendeschaltung zu den Übertragungselementen des SRS gesendet.
Der Aufbau des ortsfesten SRS-Moduls, das eine parallele Takt-Rückgewinnungseinrichtung benutzt, ist in 8 gezeigt, wobei er jenem des oben beschriebenen rotierenden SRS-Moduls von 7 ähnlich ist. Ein Begrenzungsverstärker, der fähig ist, ein "Signalverlust"-Zustandssignal zu liefern, wird mit dem ankommenden Strom von den SRS-Empfangselementen versorgt. Der Bitstrom wird in Wörter gepackt, die in einen FIFO-Speicher geschrieben werden. Ein PLB, der mit jenem identisch ist, der in dem in 7 gezeigten rotierenden Modul benutzt wird, führt die Wiederherstellung der Synchronisation und die Fehlererfassung aus. Die Wörter werden dann mittels des PMA-Sende-Parallel-Serien-Umsetzers wieder in einen jitterfreien Bitstrom umgesetzt und in optische Signale überführt, die zu dem ortsfesten Empfänger gesendet werden.
Dadurch, dass in der in den 7 und 8 gezeigten Ausführungsform der Bitstrom in Parallelwörter gepackt wird, ist jedes SRS-Modul im Stande, die Datenpakete zu erkennen und den zyklischen Blockprüfungs- (CRC-) Code für jedes Paket zu berechnen. Folglich sind die Fehlererkennung und -lokalisierung im Vergleich zu der Ausführungsform, welche die in den 5 und 6 gezeigten seriellen Takt-Rückgewinnungseinrichtungen benutzt, verbessert.
Außerdem ermöglicht die in den 7 und 8 gezeigte Ausführungsform, den weiterzusendenden Datenstrom ohne Datenverluste mit dem Bezugstakt zu synchronisieren. Folglich beseitigt jede Rückgewinnungseinrichtung auch den niederfrequenten Jitter und langsame Phasenschwankungen, die in dem vorhergehenden Verbindungsabschnitt oder den vorhergehenden Verbindungsabschnitten entstehen. Ein Vorsehen der Takt-Rückgewinnungseinrichtung in dem ortsfesten SRS-Modul trennt den ortsfesten Empfänger von den Drift- und langsamen Phasenschwankungs-/niederfrequenten Jitter-Komponenten, die während der Rotation erzeugt werden. Dieser Jitter mit sehr langsamen Phasenschwankungen entsteht durch die Laufzeitverzögerung, die infolge der veränderlichen Entfernung zwischen dem rotierenden SRS-Modul und dem ortsfesten SRS-Modul auftritt. Der Jitter mit sehr langsamen Phasenschwankungen kann sich auf mehr als 4 ns belaufen und ist ein reiner SRS-Nebeneffekt.
Bei Verwendung einer üblichen Schnittstelle zu dem SRS können verschiedene Typen von Schleifringen benutzt werden, ohne die Bauelemente, wie etwa den rotierenden Sender und den ortsfesten Empfänger, austauschen zu müssen. Wenn dem SRS beispielsweise eine Datenübertragung über einen Einfach-Verbindungsabschnitt nicht möglich ist, kann das SRS zwei oder mehr parallele Pfade benutzen, indem der Datenstrom in dem rotierenden SRS-Modul aufgespaltet und in dem ortsfesten SRS-Modul wieder zu einer einzigen Folge vereinigt wird. Dies kann für die übrigen Bauelemente in dem System "unsichtbar" ausgeführt werden.
Das SRS kann irgendein geeigneter Typ von Baueinheit zur Verwendung in CT-Systemen sein, etwa eine mechanische Schleifringbaueinheit, ein optisches Übertragungssystem oder ein Funkfrequenzübertragungssystem.
9 zeigt die Grundbestandteile eines Computertomographie-(CT-)Systems, bei dem irgendeine der oben beschriebenen Ausführungsformen der Gigabit/s-Datenübertragungsanordnung benutzt werden kann.
Das Computertomographiesystem weist eine Röntgenstrahlungsquelle 1 und einen Strahlungsdetektor 3 auf, die an einer drehbaren Gantry 14 angebracht sind. Die Röntgenstrahlungsquelle 1 wird mit einer Hochspannungsversorgung 9 betrieben, um von einem Brennpunkt 11 ein fächerförmiges Röntgenstrahlenbündel 2 auszusenden. Die Gantry 14 wird durch eine Antriebseinheit 15 in Richtung des Pfeils gedreht, so dass ein Patient 4, der sich in einem Untersuchungsraum 6 befindet, wobei er auf einem Patientenbett 5 liegt, mit dem Röntgenstrahlenbündel 2 aus einer Anzahl von verschiedenen Richtungen (Projektionen) bestrahlt wird. Für jede Projektion werden von dem Strahlungsdetektor 3 in Abhängigkeit von den darauf fallenden geschwächten Röntgenstrahlen Messdaten erzeugt. In der Ebene der in 9 gezeigten Skizze ist der Strahlungsdetektor 3 als aus einer Zeile von Detektorelementen gebildet dargestellt, jedoch wird der Strahlungsdetektor 3 eine Ausdehnung senkrecht zur Zeichnungsebene haben, derart, dass er aus einer Anzahl nebeneinander liegender Detektorzeilen gebildet sein wird. Bei CT-Systemen der späteren Generation hat das Röntgenstrahlenbündel 2 eine Ausdehnung längs der Systemachse 10, um die die Gantry 14 rotiert, so dass mehrere Detektorzeilen gleichzeitig bestrahlt werden können. Bei diesen CT-Systemen späterer Generation sind die Messdaten, die von dem Strahlungsdetektor 3 erzeugt werden, im Bereich von Gigabit/s. In 9 ist das Schleifringsystem schematisch als ein mit "SRS rotierend" bezeichnetes Modul an der Gantry 14 dargestellt, das mit der Gantry 14 rotiert, und als ein mit "SRS ortsfest" bezeichnetes ortsfestes Modul, das die Daten über die SRS-Verbindung empfängt, die in jeder der 4 bis 8 gezeigt ist. Die Daten im Gigabit/s-Bereich, die gemäß der Erfindung von Jitter befreit worden sind, werden an einen Computer 7 geliefert, der als der Empfänger dient, der bei den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden ist. Aus diesen Daten rekonstruiert der Computer 7 auf bekannte Art und Weise von dem Untersuchungssubjekt ein Bild, das auf einem Bildschirm 8 angezeigt wird.
Obwohl vom Fachmann Modifikationen und Änderungen vorgeschlagen werden können, ist es der Wille des Erfinders, dass in dem Patent, hierdurch berechtigt, alle Änderungen und Modifikationen, die vernünftigerweise und zu Recht in den Rahmen seines Beitrags zum Stand der Technik fallen, eingeschlossen sind.

Claims

Datenübertragungssystem, das Folgendes umfasst: einen ortsfesten Teil; einen rotierenden Teil, der gegenüber dem ortsfesten Teil rotierbar ist; eine Quelle für Gigabit/s-Daten an dem rotierenden Teil, wobei die Daten Jitter unterliegen; ein Schleifringsystem zur Übertragung der Daten von dem rotierenden Teil zu dem ortsfesten Teil, wobei das Schleifringsystem ein rotierendes Schleifringmodul an dem rotierenden Teil und ein ortsfestes Schleifringmodul an dem ortsfesten Teil aufweist; einen ersten Gigabit/s-Datenverbindungsabschnitt, der von der Quelle zu dem rotierenden Teil verläuft; eine erste Takt-Rückgewinnungseinrichtung, die mit dem ersten Datenverbindungsabschnitt an dem rotierenden Schleifmodul verbunden ist; einen Empfänger für die Gigabit/s-Daten an dem ortsfesten Teil; einen zweiten Gigabit/s-Datenverbindungsabschnitt, der zu dem Empfänger an dem ortsfesten Teil verläuft; und eine zweite Takt-Rückgewinnungseinrichtung, die mit dem zweiten Datenverbindungsabschnitt an dem ortsfesten Schleifringmodul verbunden ist, wobei die erste und die zweite Takt-Rückgewinnungseinrichtung die Gigabit/s-Daten, die von dem ersten Datenverbindungsabschnitt kommen und zu dem zweiten Datenverbindungsabschnitt weitergehen, zu einem stabilen Bezugstakt synchronisieren, um zu vermeiden, dass Jitter von der Quelle zum Empfänger gelangt.
Datenübertragungssystem nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Takt-Rückgewinnungseinrichtung serielle Takt-Rückgewinnungseinrichtungen sind.
Datenübertragungssystem nach Anspruch 2, wobei der Jitter hochfrequenten Jitter einschließt und wobei jede der seriellen Takt-Rückgewinnungseinrichtungen einen Rückgewinnungstakt und eine Takt- und Daten-Rückgewinnungsschaltung, die den hochfrequenten Jitter durch Synchronisieren der Ausgangsdaten zu dem Rückgewinnungstakt beseitigt, aufweist.
Datenübertragungssystem nach Anspruch 2, wobei jede der seriellen Takt-Rückgewinnungseinrichtungen einen lokalen Bezugstakt und eine Takt- und Daten-Rückgewinnungsschaltung, die allen Jitter durch Synchronisieren der Ausgangsdaten zu dem lokalen Bezugstakt beseitigt, aufweist.
Datenübertragungssystem nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Takt-Rückgewinnungseinrichtung parallele Takt-Rückgewinnungseinrichtungen sind.
Datenübertragungssystem nach Anspruch 5, wobei jede der parallelen Takt-Rückgewinnungseinrichtungen einen lokalen Bezugstakt und Parallel-Serien- und Serien-Parallel-Umsetzerschaltungen, die allen Jitter durch Synchronisieren der Ausgangsdaten zu dem lokalen Bezugstakt beseitigen, aufweist.
Datenübertragungssystem nach Anspruch 5, wobei jede der parallelen Takt-Rückgewinnungseinrichtungen eine Schaltung zur Überführung der Gigabit/s-Daten in mehrere Datenpakete mit jeweils Leerzyklen zwischen den Datenpaketen und eine Synchronisationsschaltung, welche die Gigabit/s-Daten durch gezieltes Entfernen von Leerzyklen zwischen Datenpaketen synchronisiert, einschließt.
Datenübertragungssystem nach Anspruch 7, wobei jede der parallelen Takt-Rückgewinnungseinrichtungen für jedes der Pakete einen CRC-Code berechnet und wobei die parallele Takt-Rückgewinnungseinrichtung an dem rotierenden Teil den zyklischen CRC-Code zu der Quelle überträgt, um den Jitter in dem ersten Datenverbindungsabschnitt zu minimieren, und wobei die parallele Takt-Rückgewinnungseinrichtung an dem ortsfesten Teil den zyklischen CRC-Code an den Empfänger überträgt, um den Jitter in dem zweiten Datenverbindungsabschnitt zu beseitigen.
Datenübertragungssystem nach Anspruch 1, wobei der rotierende Teil eine Computertomograph-Gantry mit einer Röntgenstrahlungsquelle und einem Strahlungsdetektor, der für eine Drehbewegung mit der Gantry daran befestigt ist, umfasst, wobei der Strahlungsdetektor die Quelle für Gigabit/s-Daten bildet und in Abhängigkeit von der Strahlung, die geschwächt durch ein Untersuchungssubjekt auf den Strahlungsdetektor fällt, während die Gantry um das Untersuchungssubjekt umläuft, die Gigabit/s-Daten erzeugt, und wobei der ortsfeste Teil ein Bildkonstruktionssystem umfasst, das aus den Gigabit/s-Daten ein Bild von dem Subjekt rekonstruiert.
Datenübertragungssystem nach Anspruch 9, wobei die Quelle für Gigabit-Daten einen Strahlungsdetektor umfasst, der mehrere parallele Zeilen von Strahlungsdetektorelementen aufweist, die nebeneinander in einer Richtung parallel zu einer Drehachse der Gantry angeordnet sind.
Verfahren zum Übertragen von Gigabit/s-Daten, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines ortsfesten Teils und eines rotierenden Teils, der gegenüber dem ortsfesten Teil rotierbar ist; Erzeugen von Gigabit/s-Daten an einer Quelle an dem rotierenden Teil, wobei die Daten Jitter unterliegen; Übertragen der Daten von dem rotierenden Teil zu dem ortsfesten Teil über ein Schleifringsystem, wobei das Schleifringsystem ein rotierendes Schleifringmodul an dem rotierenden Teil und ein ortsfestes Schleifringmodul an dem ortsfesten Teil aufweist; Übertragen der Daten über einen ersten Gigabit/s-Datenverbindungsabschnitt an dem rotierenden Teil, der von der Quelle zu dem rotierenden Schleifringmodul verläuft; Verbinden einer ersten Takt-Rückgewinnungseinrichtung mit dem ersten Datenverbindungsabschnitt an dem rotierenden Schleifmodul; Bereitstellen eines Empfängers für die Gigabit/s-Daten an dem ortsfesten Teil; Übertragen der Gigabit/s-Daten über einen zweiten Datenverbindungsabschnitt an dem ortsfesten Teil, der von dem ortsfesten Schleifringmodul zu dem Empfänger verläuft; Verbinden einer zweiten Takt-Rückgewinnungseinrichtung mit dem zweiten Datenverbindungsabschnitt an dem ortsfesten Schleifringmodul; und Betreiben der ersten und der zweiten Takt-Rückgewinnungseinrichtung in Kombination, um die Gigabit/s-Daten, die von dem ersten Datenverbindungsabschnitt kommen und zu dem zweiten Datenverbindungsabschnitt weitergehen, zu einem stabilen Bezugstakt zu synchronisieren, um zu vermeiden, dass Jitter von der Quelle zum Empfänger gelangt.
Verfahren nach Anspruch 11, das Bereitstellen einer ersten seriellen Takt-Rückgewinnungseinrichtung als erste Takt-Rückgewinnungseinrichtung und das Bereitstellen einer zweiten seriellen Takt-Rückgewinnungseinrichtung als zweite Takt-Rückgewinnungseinrichtung umfassend.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Jitter hochfrequenten Jitter einschließt, den Schritt des Beseitigens des hochfrequenten Jitters in jeder seriellen Takt-Rückgewinnungseinrichtung, der ersten und der zweiten, durch Synchronisieren der Ausgangsdaten zu einem Rückgewinnungstakt umfassend.
Verfahren nach Anspruch 12, das Beseitigen allen Jitters in jeder seriellen Takt-Rückgewinnungseinrichtung, der ersten und der zweiten, durch Synchronisieren der Ausgangsdaten zu einem lokalen Bezugstakt umfassend.
Verfahren nach Anspruch 11, das Bereitstellen einer ersten parallelen Takt-Rückgewinnungseinrichtung als erste Takt-Rückgewinnungseinrichtung und das Bereitstellen einer zweiten parallelen Takt-Rückgewinnungseinrichtung als zweite Takt-Rückgewinnungseinrichtung umfassend.
Verfahren nach Anspruch 15, das Beseitigen allen Jitters in jeder parallelen Takt-Rückgewinnungseinrichtung, der ersten und der zweiten, durch Synchronisieren der Ausgangsdaten zu einem lokalen Bezugstakt in Parallel-Serien- und Serien-Parallel-Umsetzerschaltungen umfassend.
Verfahren nach Anspruch 15, das Überführen der Gigabit/s-Daten in mehrere Datenpakete mit jeweils Leerzyklen zwischen den Datenpaketen in jeder parallelen Takt-Rückgewinnungseinrichtung, der ersten und der zweiten, und ein gezieltes Verwerfen von Leerzyklen zwischen Datenpaketen, um die Gigabit/s-Daten zu synchronisieren, umfassend.
Verfahren nach Anspruch 17, das Berechnen eines zyklischen CRC-Codes für jedes der Pakete in jeder parallelen Takt-Rückgewinnungseinrichtung, der ersten und der zweiten, und das Übertragen des in der ersten parallelen Takt-Rückgewinnungseinrichtung berechneten zyklischen CRC-Codes zu der Quelle, um den Jitter in dem ersten Datenverbindungsabschnitt zu minimieren, und das Übertragen des von der zweiten parallelen Takt-Rückgewinnungseinrichtung berechneten zyklischen CRC-Codes zu dem Empfänger, um den Jitter in dem zweiten Datenverbindungsabschnitt zu beseitigen, umfassend.
Verfahren nach Anspruch 11, das Erzeugen von Gigabit/s-Daten durch Bereitstellen eines Strahlungsdetektors als Quelle und Bestrahlen des Strahlungsdetektors mit Röntgenstrahlen umfassend, wobei ein Untersuchungssubjekt im Weg der Röntgenstrahlen angeordnet ist, so dass geschwächte Röntgenstrahlen auf den Strahlungsdetektor fallen, während die Gantry umläuft, um Messdaten von dem Empfänger als Gigabit/s-Daten zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Gantry eine Drehbewegung um eine Drehachse ausführt, den Schritt des Bereitstellens eines Strahlungsdetektors, der mehrere parallele Zeilen aufweist, die entlang der Achse nebeneinander angeordnet sind, umfassend.