JP6946296B2 - 磁気共鳴イメージング（ｍｒｉ）システムのための無線通信のためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本システムは、一般に、無線タイプの無線周波数（ＲＦ）コイル部分を有する磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システム及びその動作方法に関する。

磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）は、一般に、画像再構成のためにプロトンの周波数及び位相の符号化を使用するイメージング方法である。最近、ＭＲＩシステムは、ＭＲＩ検査の下で被検体から放射される磁気共鳴信号を検知するために無線タイプのＲＦコイルを使用し始めている。具体的には、無線ＲＦコイルは、取得期間中にアナログＭＲ情報を取得し、次いで、関連付けられたＲＦコイルユニット（本明細書では無線ＲＦ局とも呼ばれる）が、アナログＭＲ情報を変換して、デジタル化された生データ（ｋ空間）情報などのデジタル化された情報を形成する。その後、無線ＲＦ局は、デジタル化された情報を、さらなる処理のために及び／又はＭＲＩシステムのディスプレイ上に表示するためにシステムコントローラに通信する。

ここで、無線ＲＦ局は、ＭＲＩシステムのシステムクロック（例えば、マスタークロック）との正確な同期のために内部クロックに依存する。しかしながら、無線ＲＦコイルの無線特性、誘導ＲＦジッタ及び位相ドリフトのために、従来の無線通信方法を使用して、無線ＲＦ局の内部クロックをＭＲＩのシステムクロックと正確に同期させることは、しばしば困難である。例えば、ＲＦ局と、マスタークロックに結び付けられているＭＲＩシステムの残りの部分の通信局との間の見通し線（ＬＯＳ）経路、障害物を有するＬＯＳ経路、及び／又は非ＬＯＳ経路には、変化する時間遅延が存在し、これは、送信機と受信機との間の動き及び／又はチャネル・モデルの変化によって引き起こされる。この時間的に変化する時間遅延は、ＲＦ局の内部クロックとマスタークロックとの間のドリフトを引き起こす可能性がある。

不幸にして、無線ＲＦ局の内部クロックがＭＲＩのシステムクロックと正確に同期していない場合、無線ＲＦ局の内部クロックの位相ノイズは、特に長時間の取得中に、使用される符号化方法の性質のために、再構築された画像に画像アーチファクトを引き起こす可能性がある。例えば、生の画像データのクロック誘導二乗平均平方根（ＲＭＳ）位相誤差が１度未満に留まることが要求される場合、ＲＭＳ時間ジッタは、６４ＭＨｚで４４ピコ秒（ｐｓ）未満、及び１２８ＭＨｚで２２ｐｓ未満に留まるように制御されなければならないことを示すことができる。

したがって、ＭＲＩシステムのための無線通信のシステム及び方法を提供することが望まれる。ＲＦ局と、ＭＲＩシステムの残りの部分の通信局との間の通信経路における変化する時間遅延を補償することが可能な、無線ＲＦ局の内部クロックのクロック再生、及びＭＲＩシステムのマスタークロックへの同期を容易にするＭＲＩシステムのための無線通信のシステム及び方法を提供することがさらに望まれる。さらに、無線ＲＦ局が、多重経路伝播を介して受信したＭＲＩシステムの送信に基づいて、無線ＲＦ局の内部クロックをＭＲＩのシステムクロックに同期させるためのシステム及び方法を提供することが望ましい。

一態様において、本発明は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムの第１の無線通信局の無線周波数（ＲＦ）送信機から、第１の搬送波信号によってアップコンバートされた第１のベースバンド信号を含む第１の送信信号を送信するステップであって、第１の搬送波信号が、第１の値と第１の無線通信局の第１のローカル発振器（ＬＯ）の第１のＬＯ周波数との積である第１の搬送波周波数を有し、第１の搬送波信号が第１の無線通信局の第１のローカル発振器（ＬＯ）と同期している、ステップと、ＭＲＩシステムの第２の無線通信局のＲＦ受信機において、無線チャネルを介して、無線チャネルの時間遅延に第１の搬送波周波数を乗算したものに等しい第１のチャネル位相シフトだけシフトされている第１の送信信号を含む、位相シフトされた第１の送信信号を受信するステップと、第２の無線通信局において、第２のベースバンド信号に補正信号を乗算して補正された第２のベースバンド信号を生成し、第２の搬送波信号によってアップコンバートされた補正された第２のベースバンド信号を含む第２の送信信号を送信するステップであって、第２の搬送波信号が、第２の値と第２の無線通信局の第２のＬＯの第２のＬＯ周波数との積である第２の搬送波周波数を有し、第２の送信信号が、第２の値と第１のＬＯ周波数との積であり且つ第１の無線通信局の第１のローカル発振器（ＬＯ）と周波数で同期している第２の送信搬送波周波数を有する、ステップと、第１の無線通信局のＲＦ受信機において、無線チャネルを介して、無線チャネルの時間遅延に第２の送信搬送波周波数を乗算したものに等しい第２のチャネル位相シフトだけシフトされている第２の送信信号を含む、位相シフトされた第２の送信信号を受信するステップと、第１の無線通信局において、受信した位相シフトされた第２の送信信号から無線チャネルの時間遅延を確認するステップと、を含む方法を提供することができる。

一般に、第２のＬＯ周波数は、第１のＬＯ周波数に対してオフセットされた周波数を有する。有益には、第２の無線通信局は、第２の送信信号を第１の無線通信局に送り返す際に、この周波数オフセットを調整する。しかしながら、無線チャネルに起因する位相シフト又は誤差が残る。第１の無線通信局は、全位相誤差を検出し、位相補正項を決定し、その位相補正項を第２の無線通信局に返信するメッセージに符号化することができる。その場合、第２の無線通信局は、この位相補正項を使用して、第１の無線局の第１のローカル発振器（ＬＯ）と同期する第３の信号を生成することができる。一部の実施形態では、第３の信号は、第２の値（Ｎ_１）と第１のＬＯ周波数との積である周波数を有する。一部の実施形態では、第３の信号は、元の第１のＬＯ周波数に達するように、Ｎ_１分周器／プリスケーラを通過する。

本発明の別の態様は、第１の無線通信局及び第２の無線通信局を備えるシステムを提供することができる。第１の無線通信局は、第１のローカル発振器（ＬＯ）周波数を有する第１のＬＯ信号を生成するように構成された第１のローカル発振器（ＬＯ）と、第１の無線周波数（ＲＦ）送信機と、第１のＲＦ受信機と、を含み、第１のＲＦ送信機が第１の搬送波信号によってアップコンバートされた第１のベースバンド信号を含む第１の送信信号を送信するように構成され、第１の搬送波信号が、第１の値と第１のＬＯ周波数との積である第１の搬送波周波数を有し、第１の搬送波信号が第１のローカル発振器（ＬＯ）と同期している。第２の無線通信局は、第２のＬＯ周波数を有する第２のＬＯ信号を生成するように構成された第２のローカル発振器（ＬＯ）と、第２のＲＦ送信機と、第２のＲＦ受信機と、を含み、第２のＲＦ受信機が、無線チャネルを介して、無線チャネルの時間遅延に第１の搬送波周波数を乗算したものに等しい第１のチャネル位相シフトだけシフトされている第１の送信信号を含む、位相シフトされた第１の送信信号を受信するように構成されている。第２の無線通信局は、第２のベースバンド信号に補正信号を乗算して、補正された第２のベースバンド信号を生成するように構成され、第２のＲＦ送信機が、第２の搬送波信号によってアップコンバートされた補正された第２のベースバンド信号を含む第２の送信信号を送信するように構成され、第２の搬送波信号が、第２の値と第２の無線通信局の第２のＬＯの第２の周波数との積である第２の搬送波周波数を有し、第２の送信信号が、第２の値と第１のＬＯ周波数との積であり且つ第１の無線通信局の第１のＬＯ周波数と同期している第２の送信搬送波周波数を有するが、無線チャネルの時間遅延に第２の搬送波周波数を乗算したものに等しい第１のチャネル位相シフトに起因する可変位相を有する。第１のＲＦ受信機は、無線チャネルを介して、無線チャネルの時間遅延に第２の送信搬送波周波数を乗算したものに等しい第２のチャネル位相シフトだけシフトされている第２の送信信号を含む、位相シフトされた第２の送信信号を受信するように構成され、第１の無線通信局が、受信した位相シフトされた第２の送信信号から無線チャネルの時間遅延を確認する。

本発明のさらに別の態様は、第１の無線通信局及び第２の無線通信局を備えるシステムを提供することができる。第１の無線通信局は、第１のローカルクロックと、第１のローカルクロックを使用して第１の擬似乱数（ＰＲＮ）シーケンスを生成するように構成された第１のＰＲＮシーケンス発生器と、第１のＰＲＮシーケンスを含む第１の送信信号を送信するように構成された第１の送信機と、を含む。第２の無線通信局は、無線チャネルを介して、無線チャネルの時間遅延に依存する第１のチャネル位相シフトだけシフトされている第１の送信信号を含む、位相シフトされた第１の送信信号を受信するように構成されている。第２の無線通信局は、第２のローカルクロックと、第２のローカルクロックを使用して第１のＰＲＮシーケンスを生成するように構成された第２のＰＲＮシーケンス発生器と、受信した位相シフトされた第１の送信信号から再生された、再生された第１のクロックと、再生された第１のクロックを使用して、受信した位相シフトされた第１の送信信号から第１のＰＲＮシーケンスを再生し、第２のＰＲＮシーケンスを再生された第１のＰＲＮシーケンスと比較して第１の無線通信局と第２の無線通信局との間のコード位相シフト誤差を決定するように構成されたプロセッサと、を含む。

本発明は、添付図面と併せて検討される以下に提示された例示的な実施形態の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。

磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システム１００の例示的な実施形態である。 同期していない２つの通信局のローカルクロックの例である。 同期している２つの通信局のローカルクロックの例である。 ゆっくり変化する経路遅延を有する無線チャネルを介して通信する、２つの無線通信局間のクロック同期のための条件を示す図である。 無線通信システムにおける搬送波位相同期のプロセスを示す概念図である。 無線通信システムにおける搬送波位相同期のための構成を示す機能ブロック図である。 遠隔局又は移動局と無線通信する主局又は基地局のクロック管理システムの機能ブロック図である。 主局又は基地局と無線通信する遠隔局又は移動局のクロック管理システムの機能ブロック図である。 受信した擬似ランダムノイズ（ＰＲＮ）コードとローカルに生成されたＰＲＮコードとの間の位相合わせのための構成の機能ブロック図である。 ＭＲＩシステムのための無線通信システムで起こる多重経路伝播の現象である。 多重経路伝播を特徴付ける無線通信チャネルに対するインパルス応答の例である。 多重経路伝播を特徴付ける無線通信チャネルのモデルである。 多重経路伝播を特徴付ける通信チャネルにおいて無線信号を受信するために用いられる受信機アーキテクチャの例示的な実施形態である。 無線通信局によって送信される同期シーケンスの例の自己相関である。

次に、本発明は、本発明の実施形態が示されている添付図面を参照して以降でより完全に記載される。しかしながら、本発明は、異なる形態で具現化されてもよく、本明細書に述べた実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本発明の教示例として提供される。

図１は、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システム１００の例示的な実施形態を示す。

ＭＲＩシステム１００は、静磁場磁石１、傾斜磁場コイル２、傾斜磁場電源１０３、患者テーブル又はベッド１０４、患者テーブル・コントローラ１０５、ＲＦコイルユニット１０６ａ、無線ＲＦ局１０６ｂ、送信機１０７、クロック発生器１０８、ＲＦ／傾斜磁場コントローラ１０９、ドライバー１１０、無線ユニット１１１、再構成フロントエンド１１５、再構成システム１２０、記憶装置１２１、ディスプレイ１２２、入力ユニット１２３、メイン・コントローラ１２４、及びデータ発生器１２５を含む。

一部の実施形態では、無線ＲＦ局１０６ｂ以外の構成要素は、無線ＲＦ局１０６ｂとは別のメイン・ユニットに含まれている。さらに、メイン・ユニットは、ガントリーと処理システムに分割される。この場合、例えば、静磁場磁石１０１、傾斜磁場コイル１０２、傾斜磁場電源１０３、患者テーブル１０４、患者テーブル・コントローラ１０５、ＲＦコイルユニット１０６ａ、送信機１０７、ＲＦ／傾斜磁場コントローラ１０９、及び無線ユニット１１１は、ガントリーに設けられ、一方、クロック発生器１０８、ドライバー１１０、再構成フロントエンド１１５、再構成システム１２０、記憶装置１２１、ディスプレイ１２２、入力ユニット１２３、及びメイン・コントローラ１２４は、処理システムに設けられる。

静磁場磁石１０１は、中空の円筒形状を有し、その内部空間内に均一の静磁場を生成する。例えば、永久磁石又は超伝導電磁石が静磁場磁石１０１として使用される。

傾斜磁場コイル１０２は、中空の円筒形状を有し、静磁場磁石１０１の内側に配置されている。傾斜磁場コイル１０２は、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸に対応する３種類のコイルの組合せを含む。傾斜磁場コイル１０２は、３種類のコイルに傾斜磁場電源１０３からの電流が別々に供給されたときに、その強度がＸ、Ｙ、Ｚ軸に沿って傾斜した傾斜磁場を生成する。加えて、Ｚ軸は、例えば、静磁場の方向と同じ方向にある。Ｘ、Ｙ、及びＺ軸の傾斜磁場は、例えば、スライス選択傾斜磁場Ｇｓ、位相符号化傾斜磁場Ｇｅ、及び読み出し傾斜磁場Ｇｒにそれぞれ対応する。スライス選択傾斜磁場Ｇｓは、所与の撮像断面を決定するために使用される。位相符号化傾斜磁場Ｇｅは、空間位置に応じて磁気共鳴信号の位相を変化させるために使用される。読み出し傾斜磁場Ｇｒは、空間位置に応じて磁気共鳴信号の周波数を変化させるために使用される。

被検体２０は、患者テーブル１０４の天板１０４ａに載せられている間に傾斜磁場コイル１０２の内部空間（撮像空間）に挿入される。患者テーブル１０４は、天板１０４ａを、患者テーブル・コントローラ１０５の制御の下でその長手方向（図１の左右方向）及び垂直方向に移動させる。通常は、患者テーブル１０４は、この長手方向が静磁場磁石１０１の中心軸と平行になるように据え付けられている。

ＲＦコイルユニット１０６ａは、円筒状ケースに収容された１つ又は複数のコイルを含む。ＲＦコイルユニット１０６ａは、傾斜磁場コイル１０２の内側に配置されている。ＲＦコイルユニット１０６ａは、送信機１０７から無線周波数パルス（ＲＦパルス）が供給され、ＲＦ磁場を生成する。

ＲＦ局１０６ｂは、天板１０４ａに搭載されていても、天板１０４ａに埋め込まれていても、又は被検体２０に取り付けられていてもよい。撮像時に、無線ＲＦ局１０６ｂは、被検体２０と一緒に撮像空間に挿入され、被検体２０から放射された磁気共鳴信号を電磁波として受信又は検知し、これに応答して、検知した磁気共鳴信号を表わすデジタル・データを生成する。無線ＲＦ局１０６ｂは、被検体２０から放射された磁気共鳴信号を検知するための任意の種類のコイルを含む、１つ、２つ又はそれ以上の受信ＲＦコイルユニットを含み、又はそれらに取り付けられている。無線ＲＦ局１０６ｂは、被検体２０から受信した磁気共鳴信号を表わすデジタル・データを電気信号として、例えば、デジタル信号として無線送信する機能を含む。

送信機１０７は、ＲＦコイルユニット１０６ａにラーモア周波数に対応するＲＦパルスを供給する。

クロック発生器１０８は、所定の周波数を有する第１のクロック信号を生成する。この第１のクロック信号は、ＭＲＩシステム１００の全体的な動作のタイミングのための基準として働くシステムクロックとして使用される。

ＲＦ／傾斜磁場コントローラ１０９は、メイン・コントローラ１２４の制御の下で、要求されるパルスシーケンスに応じて傾斜磁場を変化させ、ＲＦパルスが送信されるように傾斜磁場電源１０３及び送信機１０７を制御する。加えて、ＲＦ／傾斜磁場コントローラ１０９には、信号レベルがドライバー１１０によって適切に調整された後、第１のクロック信号が提供される。ＲＦ／傾斜磁場コントローラ１０９は、この第１のクロック信号に同期してパルスシーケンスを実行する。

無線ユニット１１１は、無線ＲＦ局１０６ｂからデジタル的に無線送信された磁気共鳴信号を受信する。無線ユニット１１１は、受信したデジタル磁気共鳴信号をデジタル的に復調し、次いで、復調された信号を再構成フロントエンド１１５に出力する。無線ユニット１１１は、データ発生器１２５によって出力されたデータ信号によって第１のクロック信号を変調し、それによってデータ信号を第１のクロック信号と一緒に第１の送信信号としてＲＦ局１０６ｂに無線送信する。

再構成フロントエンド１１５は、無線ユニット１１１から提供された磁気共鳴信号を利得制御、周波数変換、及び直交検波にかける。再構成フロントエンド１１５は、無線ＲＦ局１０６ｂにおいて圧縮された磁気共鳴信号の振幅をさらに復元する。

再構成システム１２０は、再構成フロントエンド１１５において処理された磁気共鳴信号の少なくとも１つに基づいて被検体２０の画像を再構成する。

記憶装置１２１は、再構成システム１２０で再構成された画像を示す画像データなどの様々な種類のデータを記憶する。

ディスプレイ１２２は、メイン・コントローラ１２４の制御の下で、再構成システム１２０において再構成された画像、又はユーザがＭＲＩシステム１００を操作するための様々な種類の操作画面を含む様々な種類の情報を表示する。液晶ディスプレイなどの任意の都合のよい表示装置をディスプレイ１２２として使用することができる。

入力ユニット１２３は、ＭＲＩシステム１００のオペレータからの様々なコマンド及び情報入力を受け入れる。入力ユニット１２３は、マウス又はトラックボールなどのポインティングデバイス、モード切換スイッチなどの選択デバイス、及び／又はキーボード入力装置を含む。

メイン・コントローラ１２４は、図示されていないＣＰＵ、メモリなどを有し、ＭＲＩシステム１００全体を制御する。

データ発生器１２５は、メイン・コントローラ１２４の制御の下で、無線ユニット１１１を介してＲＦ局１０６ｂと通信するためのデータ信号を生成する。

ＭＲＩシステム又は装置の一般的な動作は、よく知られており、したがって、ここでは繰り返されない。

無線ＲＦ局１０６ｂは、ＭＲＩシステムのクロック発生器と正確に同期するために内部クロックに依存する。しかしながら、無線ＲＦコイルの無線特性及び誘導ＲＦノイズのために、従来の無線通信方法を使用して受信機クロックをシステムクロックに正確に同期させることは、しばしば困難である。

以下の議論では、第１の通信局、特に第１の無線通信局、及び第２の通信局、特に第２の無線通信局が参照される。一部の実施形態では、第１の無線通信局は、基地局であると考えられ、第２の無線通信局は、遠隔局又は移動局であると考えられる。一部の実施形態では、特に、ＲＦコイルユニット１０６ａ、送信機１０７、無線ユニット１１１、クロック発生器１０８、ドライバー１１０、及びメイン・コントローラ１２４を含むＭＲＩシステム１００のメイン・ユニットの部分は、以下に記載される第１の無線通信局に対応し、無線ＲＦ局１０６ｂは、以下に記載される第２の無線通信局に対応する。

ＭＲＩシステムは、適切に機能するように、且つ他の電磁装置と干渉しないように、安定性のある、十分に制御された医療施設と共存することができるエコシステムを維持することが要求される。これは、微弱な患者の信号及び強力なＭＲＩ送信機の非常に敏感な性質による。これらの要求事項により、ＭＲＩシステムが制限された、閉じ込められたＲＦ遮蔽された部屋内部に位置することが必要になる。ＭＲＩの位置及びエコシステムは、無線通信のための特別な独特の条件を必要とする。無線通信プロトコルは、ＭＲＩ信号又は信号対雑音比（ＳＮＲ）に影響を与えることなく、場所、周波数、及び時間にわたる信号伝播の大きな変動による高電力スプリアス放射、高密度多重経路チャネル状態から成る予測不可能なＭＲＩ状態を有する環境内部で高レベルの品質サービスを維持するべきである。

これらの１つ又は複数の問題に対処するために、一部の実施形態では、ＭＲＩシステム１００のメイン・ユニットの第１の無線通信局は、短パルス（例えば、数ナノ秒未満）の位相シフト・キーイング（ＰＳＫ）変調された信号が広いスペクトルにわたって分布する超広帯域（ＵＷＢ）通信のための規格に準拠した通信プロトコルに従って無線ＲＦ局１０６ｂと通信する。この短パルスＵＷＢ技術は、直接シーケンスＵＷＢ（ＤＳ−ＵＷＢ）又はインパルス無線ＵＷＢ（ＩＲ−ＵＷＢ）とも呼ばれる。信号伝播条件によって大きく影響を受ける従来の狭帯域技術（ブルートゥース（登録商標）、ＷｉＦｉ（登録商標）など）又は直交周波数分割多重ＵＷＢ（ＯＦＤＭ−ＵＷＢ）と異なり、パルスＵＷＢは、ＭＲＩ室で見出されるような多重経路環境でうまくいく。ここで、ＵＷＢは、所与の電力放射マスクに対して５００ＭＨｚを超える帯域幅を有する送信を意味し、短パルスＰＳＫ ＵＷＢについては、１ビット当たりのエネルギー（Ｅｂ）が５００ＭＨｚを超えるチャネル帯域幅と等しい分布係数を有することを意味すると理解される。ＥｂがＵＷＢチャネル全体にわたって分布しているため、ゼロ平均フェージングがある。また、短パルスは、反射される経路遅延のタイミングが送信期間よりも大きいことから利益を得る。短パルスＵＷＢチャネルに対する確率密度関数は、多重経路環境における自由空間性能よりも大きい。また、分布係数及び放射限界は、短パルスＵＷＢが、強力なＭＲＩ周波数及び高調波スプリアスが生成される環境で共存することに要求される、干渉及び傍受に対する低い確率を有することを意味する。ＵＷＢ規格は、３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚの周波数範囲での送信を可能にし、これによって、２．４ＧＨｚ及び５．８ＧＨｚのような非常に混雑したスペクトルを回避するように、用いられる正確な周波数を選択することが可能になる。

無線ＭＲＩシステム通信におけるクロック同期のための課題の１つは、無線クロック同期信号に対する伝播遅延の時間的変動である。そのような時間的変動は、患者、患者テーブル、又はＭＲＩ室内部の操作者の動きによって引き起こされる。

図２Ａ及び図２Ｂは、光速での信号の交換を使用したクロック同期の課題を強調する単純な例を示す。具体的には、図２Ａは、同期していない２つの通信局のローカルクロック２１０１及び２２０２の例を示し、図２Ｂは、同期しているローカルクロック２１０１及び２２０２の例を示す。ここで、ローカルクロック２１０１は、第１の通信局（例えば、基地局）の（第１の）ローカルクロックであり、ローカルクロック２２０２は、第２の通信局（例えば、遠隔局又は移動局）の（第２の）ローカルクロックであり、ローカルクロック２２０２のタイミングは、第１の通信局から第２の通信局で受信した信号のタイミングに基づいて、第２の通信局によって制御又は整えられることが仮定されている。

本例では、問題の２つのローカルクロック２１０１及び２２０２は、５光分、離れて配置されている。これは、例えば、一方のクロックが地球上に、及びもう一方のクロックが火星の軌道に配置されている場合に当てはまる。本例は、光が１ナノ秒当たり約３０ｃｍ進み、ＭＲＩ環境の無線チャネルの長さが３０ｃｍ〜３ｍのオーダであるため、「分」を「ナノ秒」に置き換えることによって、ＭＲＩ環境に容易にスケーリングすることができる。

図２Ａは、第１の通信局のローカルクロック２１０１は、第１の通信局が第２の通信局から受信した信号から再生された再生クロック２１０２と１０分異なり、一方、第２の通信局のローカルクロック２２０２と、第２の通信局が第１の通信局から受信した信号から再生された再生クロック２２０１が完全に揃っている例を示す。チャネルの伝播遅延が５分であることが分かっているため、ローカルクロック２１０１と２２０２が同期していないと結論付けることができる。

図２Ｂは、第１の通信局でのローカルクロック２１０１と再生クロック２１０２との差、及び第２の通信局でのローカルクロック２２０２と再生クロック２２０１との差が、両方とも伝播遅延と等しい５分である例を示す。チャネル伝播遅延が一定であるか、又はクロック更新レートよりもはるかに低いレートで変化する場合は、両方の位置で測定された時間差が同一の場合、２つのクロック２１０１と２２０２が同期しており、同期したままであることを容易に示すことができる。

図３は、ゆっくり変化する経路遅延を有する無線チャネル１０を介して通信する第１の無線通信局３１０と第２の無線通信局３２０との間のクロック同期のための条件を示す図面である。具体的には、図３に示すように、第１の無線通信局３１０（例えば、主局又は基地局）は、（第１の）ローカルクロック３１０２、及び第１の通信局３１０が第２の通信局３２０から受信した信号から再生された再生クロック３１０１を含み、第１のローカルクロック３１０２と再生クロック３１０１との位相差がΔφ_１である。第２の無線通信局３２０（例えば、遠隔局又は移動局）は、（第２）ローカルクロック３２０２、及び第２の通信局３２０が第１の通信局３１０から受信した信号から再生された再生クロック２２０１を含み、第２のローカルクロック３２０２と再生クロック２２０１との位相差がΔφ_２である。Δφ_１＝Δφ_２の場合、クロック３１０１、３２０２、３１０２、及び２２０１は、同期している。

第２の無線通信局（例えば、ＭＲＩシステム１００のＲＦ局１０６ｂ）のローカルクロックを第１の無線通信局（例えば、ＲＦコイルユニット１０６ａ、送信機１０７、無線ユニット１１１、クロック発生器１０８、ドライバー１１０、及びメイン・コントローラ１２４を含むＭＲＩシステムのメイン・ユニット）のローカルクロックと同期させる課題に対処するために、第１の無線通信局及び／又は第２の無線通信局は、搬送波位相追跡を用いる、その実施形態が以下に記載される。ここで、搬送波位相追跡は、受信した無線信号について再生された搬送波の位相を測定及び追跡する方法を指す。位相測定は、再生された搬送波の位相をローカルクロックと同期しているローカル基準信号、したがってローカル時間と比較することによって確立される。ローカル基準は、次に、それぞれの送信信号に対する搬送波を生成するために使用される。有益には、これは、第１の無線通信局及び第２の無線通信局の両方に対して行われる。

第１及び第２の無線通信局の両方において搬送波位相を連続的に追跡し、位相情報を有するメッセージを交換することによって、第１及び第２の無線通信局の両方における搬送波位相測定が同一の結果をもたらすように、１つのローカル基準、有益には第２の無線通信局の位相を調整することが可能である。第１及び第２の無線通信局の両方における搬送波位相測定が、望ましい精度目標又はしきい値内で同一の結果をもたらすと、クロックは、同期していると考えられる。

図４は、無線チャネル１０を介して通信する第１の無線通信局４１０及び第２の無線通信局４２０を含む無線通信システム４００における搬送波位相同期のためのプロセスを説明する概念図を示す。図５は、第１の無線通信局５１０及び第２の無線通信局５２０を含む無線通信システム５００における搬送波位相同期のための構成を説明するより詳細な機能ブロック図を示す。無線通信システム５００は、無線通信システム４００の一実施形態である。

第１の無線通信局４１０は、信号ｅ^{ｊω０・ｔ}を出力する第１のローカル発振器４１１５を含み、第２の無線通信局４２０は、信号ｅ^{ｊ（ω０・ｔ＋Δω０・ｔ）}を出力する第２のローカル発振器４２１５を含む。すなわち、一般に、第１のＬＯ４１１５の第１のＬＯ周波数（ω_０）と第２のＬＯ４２１５の第２のＬＯ周波数（ω_０＋Δω_０）との間には、周波数差Δω_０がある。

動作において、第１の無線通信局４１０は、第２の無線通信局４２０に通信するデータを含む第１のベースバンド信号４１１１（Ｓ_１（ｔ））を処理して、第１の無線通信局４１０が無線チャネル１０を介して送信する第１の送信信号４１１９（Ｓ_１（ｔ）・ｅ^{ｊＮ０（ω０・ｔ）}）を生成する。有益には、第１のベースバンド信号４１１１の一部は、同期シーケンス（例えば、バーカーコード）であり、そのパターンが第２の無線通信局４２０によって先験的に知られている。第１のベースバンド信号４１１１の別の部分は、第１の無線通信局４１０で測定される搬送波位相差に関する情報を含む。

無線通信システム５００では、第１の無線通信局５１０は、第１の値（例えば、Ｎ_０）５１２５と第１のＬＯ４１１５の第１のＬＯ周波数ω_０との積である第１の搬送波周波数を有する第１の搬送波信号５１１１によって第１のベースバンド信号４１１１をアップコンバートして、第１の送信信号４１１９を生成する。有益には、第１の搬送波周波数（Ｎ_０・ω_０）を有する第１の搬送波信号５１１１は、第１のＬＯ４１１５と同期している。

第１の送信信号４１１９は、無線チャネル１０を介して伝播遅延Δｔだけ遅延し、遅延された第１の送信信号４２２９（Ｓ_１（ｔ）・ｅ^{ｊ Ｎ０（ω０・ｔ＋ω０・Δｔ）}）として第２の無線通信局４２０によって受信される。受信した遅延された第１の送信信号４２２９に応答して、第２の無線通信局４２０は、再生されたベースバンド信号４２２８（Ｓ_１（ｔ）・ｅ^{ｊ Ｎ０（−Δω０・ｔ＋ω０・Δｔ）}）を生成する。

無線通信システム５００では、第２の無線通信局５２０は、受信した遅延された第１の送信信号４２２９を、第１の値（例えば、Ｎ_０）５２２５と第２のＬＯ４２１５の第２のＬＯ周波数（ω_０＋Δω_０）との積である周波数を有するダウンコンバージョン信号５２１１によってダウンコンバートして、再生されたベースバンド信号４２２８を生成する。

ここで、再生されたベースバンド信号４２２８は、第１のＬＯ４１１５の第１のＬＯ周波数と第２のＬＯ４２１５の第２のＬＯ周波数との周波数差Δω_０を識別する情報、及び無線チャネル１０を介した時間遅延Δｔを含むことが分かる。以下で説明するように、この情報を使用して、周波数差Δω_０及び時間遅延Δｔの補正を行い、第２のＬＯ４２１５と第１のＬＯ４１１５を同期させることができる。

第２の無線通信局４２０は、第２のベースバンド信号Ｓ_２（ｔ）に補正信号（ｅ^{ｊＮ１（−Δω０・ｔ＋ω０・Δｔ）}）を乗じて、補正された第２のベースバンド信号４２１１（Ｓ_２（ｔ）・ｅ^{ｊＮ１（−Δω０・ｔ＋ω０・Δｔ）}）を生成する。ここで、補正信号の周波数及び位相は、それぞれ第１のＬＯ４１１５の第１のＬＯ周波数と第２のＬＯ４２１５の第２のＬＯ周波数との周波数差Δω_０、及び無線チャネル１０を介した時間遅延Δｔのスケーリングされた倍数であり、これらは、再生されたベースバンド信号４２２８中に存在することが分かる。有益には、第２のベースバンド信号Ｓ_２（ｔ）の一部は、同期シーケンス（例えば、バーカーコード）であり、そのパターンが第１の無線通信局４１０によって先験的に知られている。一部の実施形態では、第２のベースバンド信号Ｓ_２（ｔ）は、第１のベースバンド信号Ｓ_１（ｔ）の再生された、クリーンアップされたバージョンである。Ｓ_１（ｔ）及びＳ_２（ｔ）中に同一のメッセージ内容を有することによって、第１の無線通信局４１０においてビットエラー推定が可能になる。これは、受信した信号のメッセージ内容Ｓ_２（ｔ）を第１の無線通信局４１０によって送信される信号のメッセージ内容Ｓ_１（ｔ）と比較することによって行われる。

補正された第２のベースバンド信号４２１１に応答して、第２の無線通信局４２０は、第２の無線通信局４２０が無線チャネル１０を介して送信する第２の送信信号４２１９（Ｓ_２（ｔ）・ｅ^{ｊＮ１（ω０・ｔ＋ω０・Δｔ）}）を生成する。

無線通信システム５００では、第２の無線通信局５２０は、第２の値（例えば、Ｎ_１）５２１５と第２のＬＯ４２１５の第２のＬＯ周波数（ω_０＋Δω_０）との積である周波数を有する第２の搬送波信号５２１３によって、補正された第２のベースバンド信号４２１１をアップコンバートして、第２の送信信号４２１９を生成する。有益には、第２の搬送波周波数（Ｎ_１・（ω_０＋Δω_０））を有する第２の搬送波信号５２１３は、第２のＬＯ４２１５と同期している。

このプロセスの結果、第２の送信信号４２１９は、第２の値（Ｎ_１）と第１のＬＯ周波数ω_０との積であり且つ第１のＬＯ４１１５と周波数で同期した第２の送信搬送波周波数（Ｎ_１・ω_０）を有する。しかしながら、第２の送信信号４２１９も、チャネル１０に起因した位相オフセット（Ｎ_１・Δω_０・Δｔ）を有する。この位相オフセットは、時間が経つにつれ変化するため、やはり評価され、補償される必要がある。この位相オフセット補正のための方法の例が次に記載される。

第２の送信信号４２１９は、無線チャネル１０を介して伝播遅延Δｔだけ遅延され、遅延された第２の送信信号４１２９（Ｓ_２（ｔ）・ｅ^{ｊＮ１（ω０・ｔ＋２・ω０・Δｔ）}）として第１の無線通信局４１０／５１０によって受信される。受信した遅延された第２の送信信号４１２９に応答して、第１の無線通信局４１０／５１０は、再生されたベースバンド信号４１２８（Ｓ_１（ｔ）・ｅ^{ｊＮ１（２・ω０・Δｔ）}）を生成する。

無線通信システム５００では、第１の無線通信局５１０は、受信した遅延された第２の送信信号４１２９を、第２の値（例えば、Ｎ_１）５１１５と第１のＬＯ４１１５の第１のＬＯ周波数ω_０との積である周波数を有するダウンコンバージョン信号５１１３によってダウンコンバートして、再生されたベースバンド信号４１２８を生成する。

ここで、再生されたベースバンド信号４１２８は、無線チャネル１０を介した時間遅延Δｔを識別する情報を含むことが分かる。この情報を使用して、第１のＬＯ４１１５及び／又は第２のＬＯ４２１５の搬送波位相の補正を行い、第１の無線通信局４１０／５１０並びに第２の無線通信局４２０／５２０のＬＯ及びクロックを互いに同期させることができる。例えば、一部の実施形態では、第２の無線通信局４２０／５２０は、無線チャネル１０を介した伝播遅延Δｔに対処するために、それ自体のローカル発振器及びクロックの位相を調整する。一部の実施形態では、第２の無線通信局４２０／５２０は、同期パルス又はタイミング・データなどの信号を第１の無線通信局４１０／５１０に送信して、第１の無線通信局４１０／５１０に無線チャネル１０を介した伝播遅延Δｔに対処させる。

伝播遅延Δｔ及び／又は搬送波位相オフセットΔｔ・ω_０に関する情報は、メッセージ内容として第１のベースバンド信号４１１１（Ｓ_１（ｔ））に追加され、第１の無線通信局４１０／５１０から第２の無線通信局４２０／５２０に送ることができる。第２の無線通信局４２０／５２０において伝播遅延Δｔ及び／又は搬送波位相オフセットΔｔ・ω_０に関する情報を受信した後、第２の無線通信局４２０／５２０は、第３のベースバンド信号４２３７（ｅ^{ｊＮ１（−ω０・Δｔ）}）を形成する。次いで、第２の無線通信局４２０／５２０は、第２の値（例えば、Ｎ_１）５２１５と第２のＬＯ４２１５の第２のＬＯ周波数（ω_０＋Δω_０）との積である周波数を有する第２の搬送波信号５２１３によって第３のベースバンド信号４２３７をアップコンバートして、搬送波のみの第３の送信信号４２３９（ｅ^{ｊＮ１（ω０・ｔ）}）を生成する。搬送波のみの第３の送信信号４２３９は、第１の無線通信局５１０の第１のＬＯ４１１５の周波数の正確にＮ_１倍の周波数を有する。比率Ｎ_１を有する分周器（プリスケーラ）４２４１を使用して、第１の無線通信局４１０／５１０の第１のＬＯ４１１５と同一の周波数及び位相を有する再生クロック信号４２４３（ｅ^{ｊω０・ｔ}）を、第２の無線通信局４２０／５２０のＬＯに起因するいかなる周波数オフセットもなしに、また無線チャネル１０の可変伝播遅延Δｔに起因するいかなる可変位相オフセットもなしに、第２の無線通信局４２０／５２０によって再生することができる。

上記したような搬送波位相追跡によって、遠隔に位置する無線通信局間のクロック同期が可能になるが、相対時間測定及び同期を提供するだけである。本方法に対するさらなる改善は、データ・ストリームとして公知の擬似乱数（ＰＲＮ）シーケンスを使用することである。同様の位相追跡方法（ここでは「コード位相追跡」とも呼ばれる）をＰＲＮシーケンスに適用することによって、絶対時間測定を確立することができ、２つの無線通信局間で絶対クロック時間を同期させることができる。

図６は、第１の通信局６１０、例えば、主局又は基地局のためのクロック管理システムの機能ブロック図を示し、図７は、第１の通信局６１０と無線で通信する第２の通信局６２０、例えば、遠隔局又は移動局のためのクロック管理システムの機能ブロック図を示す。第１の通信局６１０は、図３、図４、並びに図５の第１の通信局３１０、４１０及び／又は５１０の一実施形態である。第１の通信局６１０は、クロック発生器１０８を含むＭＲＩシステム１００のメイン・ユニットの無線通信局の一実施形態である。第２の通信局６２０は、図３、図４、並びに図５の第２の通信局３２０、４２０及び／又は５２０の一実施形態である。第２の通信局６２０は、ＭＲＩシステム１００のＲＦ局１０６ｂの一実施形態である。

第１の通信局６１０は、（第１の）ローカルクロック６１０１、再生された第２のクロック６１０２、ローカルコード数値制御発振器（ＮＣＯ）６１１０、（第１の）送信ＰＲＮコード発生器６１１２、ローカル搬送波ＮＣＯ６１１５、送信時間レジスタ６１１６、送信又はアップコンバージョン・ミキサー６１１７、送信ＰＲＮシーケンス・レジスタ６１１８、再生コードＮＣＯ６１２０、再生された第２のＰＲＮコード発生器６１２２、相互相関器６１２４、再生搬送波ＮＣＯ６１２５、受信時間レジスタ６１２６、受信又はダウンコンバージョン・ミキサー６１２７、受信ＰＲＮシーケンス・レジスタ６１２８、関連付けられたメモリを有するプロセッサ６１５０、送信機６９１０、及び受信機６９２０を含む。

動作において、（第１の）送信ＰＲＮコード発生器６１１２は、ローカルコードＮＣＯ６１１０のタイミングに基づいて、公知の生成多項式から第１の送信ＰＲＮシーケンス６１１３を生成し、これをローカルクロック６１０１に同期させる。送信時間レジスタ６１１６は、第１の送信ＰＲＮシーケンス６１１３の送信時間を記憶し、第１の送信ＰＲＮシーケンス６１１３が送信ＰＲＮコード・レジスタ６１１８に記憶される。送信ミキサー６１１７は、第１の送信ＰＲＮシーケンス６１１３を、ローカルクロック６１０１に同期したローカル搬送波ＮＣＯ６１１５によって生成されたローカル搬送波と混合し、送信機６９１０によって送信される第１の送信信号６１１９を、無線チャネルを介して第２の無線通信局６２０に出力する。一方で、受信機６９２０は、第２の無線通信局６２０から無線チャネルを介して受信した、無線チャネルの時間遅延に依存する第２のチャネル位相シフトだけシフトされている第２の送信信号を含む、位相シフトされた第２の送信信号６１２９を受信する。受信ミキサー６１２７は、受信した位相シフトされた第２の送信信号６１２９を、再生された第２のクロック６１０２に同期した再生搬送波ＮＣＯ６１２５によって生成されたダウンコンバージョン信号と混合し、第１の送信ＰＲＮシーケンス６１１３を生成するために第１の無線通信局６１０によって用いられた同一の公知の生成多項式から第２の無線通信局６２０で生成された受信ＰＲＮシーケンス６１２３を出力する。相互相関器６１２４は、再生コードＮＣＯ６１２０のタイミングに基づいて、受信ＰＲＮシーケンス６１２３を、第２のＰＲＮコード発生器６１２２によって生成されたＰＲＮシーケンスと相関させ、再生された第２のクロック６１０２に同期させる。受信時間レジスタ６１２６は、受信ＰＲＮシーケンス６１２３の受信時間を記憶し、受信ＰＲＮシーケンス６１２３がシーケンス・レジスタ６１２８に記憶される。

プロセッサ６１５０は、送信ＰＲＮシーケンス６１１３のタイミングを受信ＰＲＮシーケンス６１２３のタイミングと比較して、第１の無線通信局６１０と第２の無線通信局６２０との間のコード位相シフト誤差を決定する。

第２の通信局６２０は、（第２の）ローカルクロック６２０２、再生された第２のクロック６２０１、ローカルコード数値制御発振器（ＮＣＯ）６２１０、（第２の）送信ＰＲＮコード発生器６２１２、ローカル搬送波ＮＣＯ６２１５、送信時間レジスタ６２１６、送信又はアップコンバージョン・ミキサー６２１７、送信ＰＲＮシーケンス・レジスタ６２１８、再生コードＮＣＯ６２２０、再生された第２のＰＲＮコード発生器６２２２、相互相関器６２２４、再生搬送波ＮＣＯ６２２５、受信時間レジスタ６２２６、受信又はダウンコンバージョン・ミキサー６２２７、受信ＰＲＮシーケンス・レジスタ６２２８、関連付けられたメモリを有するプロセッサ６２５０、送信機７９１０、及び受信機７９２０を含む。

動作において、（第２の）送信ＰＲＮコード発生器６２１２は、ローカルコードＮＣＯ６２１０のタイミングに基づいて、第２の送信ＰＲＮシーケンス６２１３を生成し、これをローカルクロック６２０２に同期させる。送信時間レジスタ６２１６は、第２の送信ＰＲＮシーケンス６２１３の送信時間を記憶し、第２の送信ＰＲＮシーケンス６２１３が送信ＰＲＮコード・レジスタ６２１８に記憶される。送信ミキサー６２１７は、第２の送信ＰＲＮシーケンス６２１３を、ローカルクロック６２０１に同期したローカル搬送波ＮＣＯ６２１５によって生成されたローカル搬送波と混合し、送信機７９１０によって送信される第２の送信信号６２１９を、無線チャネルを介して第１の無線通信局６１０に出力する。一方で、受信機７９２０は、第１の無線通信局６１０から無線チャネルを介して受信した、無線チャネルの時間遅延に依存する第１のチャネル位相シフトだけシフトされている第１の送信信号６１１９を含む、位相シフトされた第２の送信信号６２２９を受信する。受信ミキサー６２２７は、受信した位相シフトされた第１の送信信号６１２９を、再生された第１のクロック６２０１に同期した再生搬送波ＮＣＯ６２２５によって生成されたダウンコンバージョン信号と混合し、受信ＰＲＮシーケンス６２２３を出力する。相互相関器６２２４は、再生コードＮＣＯ６２２０のタイミングに基づいて、受信ＰＲＮシーケンス６２２３を、第２のＰＲＮコード発生器６２２２によって生成されたＰＲＮシーケンスと相関させ、再生された第１のクロック６２０１に同期させる。受信時間レジスタ６２２６は、受信ＰＲＮシーケンス６２２３の受信時間を記憶し、受信ＰＲＮシーケンス６２２３がシーケンス・レジスタ６２２８に記憶される。

プロセッサ６２５０は、送信ＰＲＮシーケンス６２１３のタイミングを受信ＰＲＮシーケンス６２２３のタイミングと比較して、第１の無線通信局６１０と第２の無線通信局６２０との間のコード位相シフト誤差を決定する。

一部の実施形態では、第１無線通信局６１０及び第２の無線通信局６２０は両方とも、第１の無線通信局６１０と第２の無線通信局６２０の両方の間の搬送波位相及びコード位相の差を追跡する。一部の実施形態では、搬送波位相及び／又はコード位相のすべての偏位を修正するために、第１の無線通信局６１０と第２の無線通信局６２０との間でメッセージが交換される。一部の実施形態では、一方の無線通信局、例えば、（クロック発生器１０８を含むＭＲＩシステム１００のメイン・ユニットの無線通信局の実施形態である）第１の無線通信局６１０は、クロック基準として働き、もう一方の局、例えば、（ＭＲＩシステム１００のＲＦ局１０６ｂの一実施形態である）第２の無線通信局６２０は、交換されたメッセージに従ってそのローカルクロック及びコード位相を調整する。

上で説明したように、第１無線通信局６１０及び第２の無線通信局６２０は両方とも、公知の生成多項式から同一のＰＲＮシーケンスを生成する。ローカルに生成されたＰＲＮシンボルのストリングを、相互相関ブロックによって受信ストリングと比較することによって、受信ＰＲＮシーケンスとローカルに生成されたＰＲＮシーケンスとの間の正確な位相合わせが可能になる。コード位相が見つかると、受信ＰＲＮコードを、図８に示すような構成によって追跡することができる。

図８は、受信した擬似ランダムノイズ（ＰＲＮ）コードとローカルに生成されたＰＲＮコードとの間の位相合わせのための構成８００の機能ブロック図を示す。一部の実施形態では、構成８００は、第１の無線通信局６１０及び／又は第２の無線通信局６２０に含まれている。構成８００は、コードＮＣＯ８２０、ＰＲＮコード発生器８２２、Ｉチャネル相互相関器８２４Ａ、Ｑチャネル相互相関器８２４Ｂ、再生搬送波ＮＣＯ８２５、送信時間レジスタ８２６、ダウンコンバータ８２７、シフトレジスタ８３０、及び関連付けられたメモリを有するプロセッサ８５０を含む。

Ｉチャネル相互相関器８２４Ａは、乗算器８２４２−Ｌ、８２４２−Ｐ、８２４２−Ｅ、並びに累算ダンプ素子８２４４−Ｌ、８２４４−Ｐ、８２４４−Ｅを含む。Ｑチャネル相互相関器８２４Ｂは、Ｉチャネル相互相関器８２４Ａと同一の構成を有する。

一部の実施形態では、関連付けられたメモリを有するプロセッサ８５０は、プロセッサ６１５０及び関連付けられたメモリ、又はプロセッサ６２５０及び関連付けられたメモリを備える。

動作において、ダウンコンバータ８２７は、別の無線通信端末で生成されたＰＲＮシーケンスを含む受信信号８２９を無線チャネルを介して受信する。ダウンコンバータは、再生搬送波ＮＣＯ８２５からダウンコンバージョン信号を受信し、これを用いて、受信信号８２９を同相（「Ｉ」）チャネル及び直交位相（「Ｑ」）チャネルのベースバンド信号にダウンコンバートし、対応するＩチャネル相互相関器８２４Ａ及びＱチャネル相互相関器８２４Ｂに供給する。一方で、再生ＰＲＮコード発生器８２２は、シフトレジスタ８３０に供給するローカルＰＲＮシーケンス８２３を生成し、ローカルＰＲＮシーケンス８２３の生成時間を送信時間レジスタ８２６に記憶する。シフトレジスタは、３つの時間シフトされた、すなわち、１つは早い、１つは即時の、１つは遅い、ＰＲＮシーケンス８２３のコピーを生成し、これらのコピーを乗算器８２４２−Ｌ、８２４２−Ｐ、及び８２４２−Ｅにそれぞれ供給する。乗算器８２４２−Ｌ、８２４２−Ｐ、及び８２４２−Ｅは、ダウンコンバータ８２７からの同相チャネルのベースバンド信号をＰＲＮシーケンス８２３の３つの時間シフトされたコピーと乗算し、３つの同相相関値又は結果Ｉ_Ｅ、Ｉ_Ｐ、及びＩ_Ｌを生成し、プロセッサ８５０に供給する。同様に、Ｑチャネル相互相関器８２４Ｂは、ダウンコンバータ８２７からの直交位相チャネルのベースバンド信号をＰＲＮシーケンス８２３の３つの時間シフトされたコピーと相関させて、３つの直交位相相関値又は結果を生成し、プロセッサ８５０に供給する。

したがって、構成８００では、受信信号８２９における入力ＰＲＮコードは、同じＰＲＮシーケンス８２３の３つのローカルに生成されたコピー、すなわち１つは早い、１つは即時の、１つは遅いものと連続的に比較される（すなわち、相関がとられる）。適切に調整された場合、ＰＲＮシーケンス８２３の即時のコピーに対する相関は、早い及び遅いコピーに対する相関よりも著しく高い相関値を有するはずである。さらに、早い及び遅いシーケンスに対する相関結果は、ほぼ同じ絶対値を有するはずである。早い、即時の、及び遅い相関器からの出力信号を使用して、ローカルに再生されたＰＲＮシーケンス（例えば、図６のＰＲＮコード発生器６１２２）にフィードバックとして適用される弁別器信号を生成することができる。このフィードバックは、再生されたＰＲＮシーケンスが、受信ＰＲＮシーケンスと同相であることを保証する。

上記のように、一部の実施形態では、第１の無線通信局６１０及び第２の無線通信局６２０は、ＰＲＮシーケンスの２つのコピーを連続的に生成する。一方のコピーは、受信した信号ストリームから再生されたＰＲＮシーケンスを表わし、もう一方のコピーは、それぞれのもう一方の局に送信されるＰＲＮシーケンスを表わす。搬送波位相追跡と同様に、コード位相追跡では、両端部の受信ＰＲＮコード及び送信ＰＲＮコードが同一の位相を有する場合、クロックが同期していることが必要である。

第１の無線通信局６１０と第２の無線通信局６２０との間にコード位相の差がある場合、一方の端部は、コード位相が第１の無線通信局６１０及び第２の無線通信局６２０の両方に対して同じになるように、その送信ＰＲＮシーケンスの位相を調整する。第１の無線通信局６１０及び第２の無線通信局６２０がロックされ、搬送波位相及びコード位相の両方を適切に追跡すると、両方の局の送信ＰＲＮシーケンスを時間の表現として使用することができる。例として、ＰＲＮシーケンスが１ｍｓの全長を有し、それぞれの個別のシンボルが１ｎｓの持続時間を有すると仮定すると、この構成によって、１ｎｓの分解能及び１ｍｓのクロック周期を有する時間測定が可能になる。シンボルの持続時間を細分化して時間を測定することによって、より高い時間分解能を達成することができる。より長いＰＲＮシーケンスを使用することによって、より長い周期性を達成することができる。

ＭＲＩシステム１００などのＭＲＩシステム内部では、ＭＲＩ画像を生成するために必要な様々なアナログ信号を生成しサンプリングするために、サンプリングクロックが使用される。これらのサンプリングクロックは、非常に高い精度で互いに同期していなければならない。ＲＦサンプリングクロックの場合、これらのクロックの最大ドリフトは、生の画像データの位相誤差を１度未満に維持するために、２２ｐｓ未満でなければならない。一方で、２２ｐｓは、無線信号が約７ｍｍ進むのにかかる時間である。

ＭＲＩコイル用の無線デジタル受信機、例えば、無線ＲＦ局１０６ｂの場合、そのような受信機内部のサンプリングクロックは、無線同期信号によってＭＲＩシステムの残りの部分（例えば、クロック発生器１０８）に同期していなければならない。ＭＲＩシステムの環境では同期信号の無線送信に関連付けられたいくつかの課題がある。これらの課題の１つが多重経路伝播である。

図９は、ＭＲＩシステムのための無線通信システムで起こる多重通路伝播の現象を示す。図９は、（例えば、ＭＲＩシステム１００のメイン・ユニットの無線通信局の）無線送信機９１０及び（例えば、無線ＲＦ局１０６ｂの）無線受信機９２０を示す。ここで、無線送信機９１０は、複数の反射器９０２が存在する状態で無線チャネルを介して無線受信機９２０に無線信号を送信する。無線信号は、見通し線（ＬＯＳ）経路９０５並びに複数の追加の経路９１５ａ、９１５ｂ、９１５ｃ及び９１５ｄを含む様々な経路を介して、無線送信機９１０から無線受信機９２０に伝わる。さらに、追加の経路９１５ａ、９１５ｂ、９１５ｃ及び９１５ｄの１つ又は複数は、例えば、反射器９０２、及び／又は無線送信機９１０、及び／又は無線受信機９２０の１つ或いは複数の動きに起因して、時間が経つにつれ変化する。この効果は、「多重経路フェージング」を引き起こし、追加の経路９１５ａ、９１５ｂ、９１５ｃ及び９１５ｄ上の信号は、異なる遅延、振幅、及び位相で無線受信機９２０に到達し、したがってＬＯＳ経路９０５を介して受信した信号を部分的に相殺又は増強する。非常に短いシンボル持続時間を有する無線信号の場合、多重経路信号は、現在のシンボルとは全く無関係の以前のシンボルからの情報を担持することさえある。

図１０は、多重経路伝播を特徴付ける無線通信チャネルのインパルス応答１０００の例を示す。具体的には、図１０は、５００ＭＨｚを超えるチャネル帯域幅を有する超広帯域（ＵＷＢ）送信チャネルの典型的なインパルス応答関数を示す。元のパルスの様々な遅延エコーが、非常に大きなチャネル帯域幅のために時間的にはっきりと識別可能である。インパルス応答関数の遅延広がりは、無線チャネルの環境の性質に依存する。ＭＲＩスキャナー内部の典型的な遅延広がりは、１０ｎｓのオーダであり、これは、遅延信号に追加される進行距離の約１０ｆｔに相当する。したがって、この環境の特性に対処することができる１つ又は複数の多重経路伝播軽減技法を提供することが有益である。

図１１は、多重経路伝播を特徴付ける無線通信チャネルのモデル１１００を示す。ここで、送信された信号１１１９は、複数の経路（ＬＯＳ経路及び追加の経路）に沿って伝播し、各経路が固有の遅延τ_１．．．τ_Ｍを有する遅延線１１１２−１、１１１２−２．．．１１１２−Ｍ、及び複素利得Ｇ_１（ｔ）．．．Ｇ_Ｍ（ｔ）を有する複素乗算器１１１４−１、１１１４−２．．．１１１４−Ｍとして表されている。これらの経路はすべて、結合器１１１６によって加法性ガウス雑音（ＡＧＮ）１１２０及び多重アクセス干渉１１３０のさらなる障害を伴って一緒に結合され、単一の受信信号ｒ（ｔ）１２２９を生成する。

上記のように、混合信号処理に関与するＭＲＩシステム内部のクロックはすべて、高精度で同期がとられていなければならない。そうしないと、信号チェーンにエラーがもたらされ、これが信号の上にノイズとして、又は符号化エラーによるアーチファクトとして現れる。信号チェーンの一部が無線で行われる場合、無線信号からクロックを再生する必要がある。

しかしながら、無線信号は、多重経路フェージング、変化するチャネル遅延、望ましくない閉塞信号、及び他の要因のために障害を受ける。これらの障害のそれぞれは、再生クロック信号の品質に悪影響を及ぼす。これらの障害に対処するため、超広帯域（ＵＷＢ）無線信号（例えば、送信帯域幅＞５００ＭＨｚ）の使用、バーカーコード又はゴールドコードなどの擬似ランダムノイズ（ＰＲＮ）コードに基づく特殊な信号符号化の使用、短いインパルスレーダ（ＩＲ）タイプの信号の使用、受信端での整合フィルタ及び／又はレイク受信機の使用、並びに／或はチャネルの時間及び／又は周波数応答の測定によるチャネルの周期的な特徴付けを含む、様々な対策が用いられる。

多重経路チャネルの悪影響に対処する１つのやり方は、チャネルを注意深く調べて、次いで、受信信号に補正を適用することによる。例えば、チャネルの時間的な変動よりもはるかに高いレートでチャネルのインパルス応答を記録し、この情報を受信端の「レイク受信機」に使用することができる。チャネルのインパルス応答は、短いインパルスレーダ（ＩＲ）スタイルのパルスを印加することによって時間領域で、又はチャープ・スタイルの信号を使用してチャネル帯域幅にわたってスイープすることによって周波数領域で見出すことができる。

図１２は、多重経路伝播を特徴付ける通信チャネルにおいて無線信号１２２９を受信するのに用いる受信機１２００の一部分の例示的な実施形態を示す。受信機１２００は、複数の相関器１２１２−１、１２１２−２．．．１２１２−Ｍ、並びに可変利得素子１２１４−１、１２１４−２．．．１２１４−Ｍ、結合器１２１６、積分器１２１８、及び判定ブロック１２２０を含む信号プロセッサ１２５０を含む。

動作において、受信した無線信号１２２９は、相関器１２１２−１、１２１２−２．．．１２１２−Ｍに提供され、各相関器が受信した無線信号１２２９を、多重経路チャネルの１つの経路に対応するように選択された対応する時間遅延と相関させる。信号プロセッサ１２５０は、各相関器の出力を、多重経路チャネルの対応する経路の相対的強度に対応する、対応する係数α１、α２、．．．αＭによって重み付けすること、相関器の重み付けされた出力を加算して和を生成すること、この和を、受信した位相シフトされた第２の送信信号の１ビット期間にわたって積分すること、及びこの和をしきい値と比較して、ビット期間における受信した無線信号１２２９のビットに対する値を決定し、多重経路の補償された出力信号１２３９を出力すること、によって複数の相関器の相関出力を処理する。

多重経路エコーも、長い符号化長を有するＵＷＢ信号を同期化パルスとして使用することによって、受信した信号において低減する。符号化信号は、低いサイドローブを有する強い自己相関ピークを有するように選択される。図１３は、多重経路伝播の影響に対処するために無線通信局によって送信された同期シーケンスの例の自己相関を示し、強い自己相関ピーク１３１０を示している。そのような信号に対する例は、バーカーコード又はゴールドコードなどの擬似ランダムノイズ（ＰＲＮ）コードである。

好ましい実施形態が本明細書に開示されているが、本発明の概念及び範囲内に留まる多くの変形形態が可能である。そのような変形形態は、本明細書、図面及び特許請求の範囲を検証した後に当業者には明らかになるであろう。したがって、本発明は、添付された特許請求の範囲内を除いては限定されるべきではない。

Claims (17)

1. 磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムの第１の無線通信局の無線周波数（ＲＦ）送信機から、第１の搬送波信号によってアップコンバートされた第１のベースバンド信号を含む第１の送信信号を送信するステップであって、前記第１の搬送波信号が、第１の値と前記第１の無線通信局の第１のローカル発振器（ＬＯ）の第１のＬＯ周波数との積である第１の搬送波周波数を有し、前記第１の搬送波信号が前記第１の無線通信局の前記第１のローカル発振器（ＬＯ）と同期している、ステップと、
   前記ＭＲＩシステムの第２の無線通信局のＲＦ受信機において、無線チャネルを介して、前記無線チャネルの時間遅延に前記第１の搬送波周波数を乗算したものに等しい第１のチャネル位相シフトだけシフトされている前記第１の送信信号を含む、位相シフトされた第１の送信信号を受信するステップと、
   前記第２の無線通信局において、第２のベースバンド信号に補正信号を乗算して補正された第２のベースバンド信号を生成し、第２の搬送波信号によってアップコンバートされた補正された前記第２のベースバンド信号を含む第２の送信信号を送信するステップであって、前記第２の搬送波信号が、第２の値と前記第２の無線通信局の第２のローカル発振器（ＬＯ）の第２のＬＯ周波数との積である第２の搬送波周波数を有し、前記第２の送信信号が、前記第２の値と前記第１のＬＯ周波数との積であり且つ前記第１の無線通信局の前記第１のローカル発振器（ＬＯ）と周波数で同期している第２の送信搬送波周波数を有する、ステップと、
   前記第１の無線通信局のＲＦ受信機において、前記無線チャネルを介して、前記無線チャネルの前記時間遅延に前記第２の送信搬送波周波数を乗算したものに等しい第２のチャネル位相シフトだけシフトされている前記第２の送信信号を含む、位相シフトされた第２の送信信号を受信するステップと、
   前記第１の無線通信局において、受信した位相シフトされた前記第２の送信信号から前記無線チャネルの前記時間遅延を確認するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記第１の無線通信局が第１のクロックを含み、前記第２の無線通信局が第２のクロックを含み、前記第１及び前記第２のクロックのうちの１つを前記無線チャネルの確認された前記時間遅延に応じて調整するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２のベースバンド信号及び前記第１のベースバンド信号が同一のメッセージ内容を有する、請求項１に記載の方法。
4. 前記補正信号が（１）前記第２の値と、（２）前記第１のＬＯ周波数と前記第２のＬＯ周波数との差との積に等しい周波数を有し、前記補正信号が（１）前記第２の値と、（２）前記第１のＬＯ周波数と、（３）前記無線チャネルの前記時間遅延との積に等しい位相を有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の無線通信局において、受信した位相シフトされた前記第２の送信信号から前記チャネル位相シフトを再生するステップが、受信した位相シフトされた前記第２の送信信号を、前記第２の値と前記第１のＬＯ周波数との積であり且つ前記第１のローカル発振器（ＬＯ）と同期している周波数を有するダウンコンバージョン信号と混合するステップを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１の無線通信局において、
   前記第１の無線通信局のローカルクロックを使用して送信擬似乱数（ＰＲＮ）シーケンスを生成するステップと、
   受信した位相シフトされた前記第２の送信信号から再生された前記第１の無線通信局の再生クロックを使用して、受信した位相シフトされた前記第２の送信信号から、受信ＰＲＮシーケンスを再生するステップであって、前記受信ＰＲＮシーケンスが、前記第２の無線通信局のローカルクロックを使用して前記第２の無線通信局において生成された、ステップと、
   前記送信ＰＲＮシーケンスを前記受信ＰＲＮシーケンスと比較して、前記第１の無線通信局と前記第２の無線通信局との間のコード位相シフト誤差を決定するステップと、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記無線チャネルが多重経路チャネルであり、前記第１の無線通信局において、
   受信した位相シフトされた前記第２の送信信号を複数の相関器に供給するステップであって、各相関器が、受信した位相シフトされた前記第２の送信信号を、前記多重経路チャネルの１つの経路に対応するように選択された対応する時間遅延と相関させる、ステップと、
   前記多重経路チャネルの対応する前記経路の相対強度に対応する、対応する係数によって各相関器の出力を重み付けするステップと、
   前記相関器の重み付けされた前記出力を加算して和を生成するステップと、
   前記和を、受信した位相シフトされた前記第２の送信信号のビット間隔にわたって積分するステップと、
   前記和をしきい値と比較して、前記ビット間隔における受信した位相シフトされた前記第２の送信信号のビットに対する値を決定するステップと、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 第１のローカル発振器（ＬＯ）周波数を有する第１のＬＯ信号を生成する第１のローカル発振器（ＬＯ）、
   第１の無線周波数（ＲＦ）送信機、及び
   第１のＲＦ受信機、
   を有する第１の無線通信局であって、
   前記第１のＲＦ送信機が、第１の搬送波信号によってアップコンバートされた第１のベースバンド信号を含む第１の送信信号を送信し、前記第１の搬送波信号が第１の値と前記第１のＬＯ周波数との積である第１の搬送波周波数を有し、前記第１の搬送波信号が前記第１のローカル発振器（ＬＯ）と同期している、
   第１の無線通信局と、
   第２のＬＯ周波数を有する第２のＬＯ信号を生成する第２のローカル発振器（ＬＯ）、
   第２のＲＦ送信機、及び
   第２のＲＦ受信機、
   を有する第２の無線通信局であって、
   前記第２のＲＦ受信機が、無線チャネルを介して、前記無線チャネルの時間遅延に前記第１の搬送波周波数を乗算したものに等しい第１のチャネル位相シフトだけシフトされている前記第１の送信信号を含む、位相シフトされた第１の送信信号を受信し、、
   第２のベースバンド信号に補正信号を乗算して、補正された第２のベースバンド信号を生成し、
   前記第２のＲＦ送信機が、第２の搬送波信号によってアップコンバートされた補正された前記第２のベースバンド信号を含む第２の送信信号を送信し、前記第２の搬送波信号が、第２の値と前記第２の無線通信局の第２のＬＯの第２の周波数との積である第２の搬送波周波数を有し、前記第２の送信信号が、前記第２の値と前記第１のＬＯ周波数との積であり且つ前記第１の無線通信局の前記第１のローカル発振器（ＬＯ）と周波数で同期している第２の送信搬送波周波数を有する、
   第２の無線通信局と、
   を備え、
   前記第１のＲＦ受信機が、前記無線チャネルを介して前記無線チャネルの前記時間遅延に前記第２の送信搬送波周波数を乗算したものに等しい第２のチャネル位相シフトだけシフトされている前記第２の送信信号を含む、位相シフトされた第２の送信信号を受信し、
   前記第１の無線通信局が、受信した位相シフトされた前記第２の送信信号から前記無線チャネルの前記時間遅延を確認する、
   システム。
9. 磁石と、
   患者を保持する患者テーブルと、
   前記患者の少なくとも一部分を少なくとも部分的に取り囲む傾斜磁場コイルと、
   撮像されている患者の少なくとも一部分にＲＦ信号を印加し、磁場のアライメントを変える無線周波数（ＲＦ）コイルユニットと、
   前記ＲＦ信号に応じて前記患者から放射された磁気共鳴信号を検知する受信コイルユニットと、
   をさらに備え、
   前記第２の無線通信局が、検知された前記磁気共鳴信号を表わすデータを、前記無線チャネルを介して前記第１の無線通信局に送信する、
   請求項８に記載のシステム。
10. 前記補正信号が、（１）前記第２の値と、（２）前記第１のＬＯ周波数と前記第２のＬＯ周波数との差との積に等しい周波数を有し、前記補正信号が、（１）前記第２の値と、（２）前記第１のＬＯ周波数と、（３）前記無線チャネルの前記時間遅延との積に等しい位相を有する、請求項８に記載のシステム。
11. 前記第１の無線通信局が、受信した位相シフトされた前記第２の送信信号を、前記第２の値と前記第１のＬＯ周波数との積であり且つ前記第１のローカル発振器（ＬＯ）と同期している周波数を有するダウンコンバージョン信号と混合するダウンコンバータをさらに含む、請求項８に記載のシステム。
12. 前記第１の無線通信局が第１のローカルクロックを含み、前記第２の無線通信局が、
    第２のローカルクロックと、
    受信した位相シフトされた前記第１の送信信号から再生された再生クロックと、
    前記第２のローカルクロックを使用して送信擬似乱数（ＰＲＮ）シーケンスを生成する送信ＰＲＮシーケンス発生器と、
    前記再生クロックを使用して、受信した位相シフトされた前記第１の送信信号から、前記第１の無線通信局において前記第１のローカルクロックを使用して生成された受信ＰＲＮシーケンスを再生し、
    前記送信ＰＲＮシーケンスを前記受信ＰＲＮシーケンスと比較して、前記第１の無線通信局と前記第２の無線通信局との間のコード位相シフト誤差を決定する、
    プロセッサと、
    を含む、請求項８に記載のシステム。
13. 前記無線チャネルが多重経路チャネルであり、前記第１の無線通信局は、
    相関器それぞれが、受信した位相シフトされた前記第２の送信信号を、前記多重経路チャネルの１つの経路に対応するように選択された対応する時間遅延と相関させる、複数の相関器と、
    前記多重経路チャネルの対応する前記経路の相対強度に対応する、対応する係数によって各相関器の出力を重み付けすること、
    前記相関器の重み付けされた前記出力を加算して和を生成すること、
    前記和を、受信した位相シフトされた前記第２の送信信号の１ビット期間にわたって積分すること、及び
    前記和をしきい値と比較して、前記ビット期間における受信した位相シフトされた前記第２の送信信号のビットに対する値を決定すること、
    によって前記複数の相関器の相関出力を処理するプロセッサと、
    を備える、請求項８に記載のシステム。
14. 第１のローカルクロック、
    前記第１のローカルクロックを使用して第１の擬似乱数（ＰＲＮ）シーケンスを生成する第１のＰＲＮシーケンス発生器、及び
    前記第１のＰＲＮシーケンスを含む第１の送信信号を送信する第１の送信機
    を含む第１の無線通信局と、
    無線チャネルを介して、前記無線チャネルの時間遅延に依存する第１のチャネル位相シフトだけシフトされている前記第１の送信信号を含む、位相シフトされた第１の送信信号を受信する第２の無線通信局であって、
    第２のローカルクロック、
    前記第２のローカルクロックを使用して第２のＰＲＮシーケンスを生成する第２のＰＲＮシーケンス発生器、
    受信した位相シフトされた前記第１の送信信号から再生された、再生された第１のクロック、及び
    再生された前記第１のクロックを使用して、受信した位相シフトされた前記第１の送信信号から前記第１のＰＲＮシーケンスを再生し、
    前記第２のＰＲＮシーケンスを再生された前記第１のＰＲＮシーケンスと比較して、前記第１の無線通信局と前記第２の無線通信局との間のコード位相シフト誤差を決定するプロセッサ、
    を含む、第２の無線通信局と、
    を備える、システム。
15. 前記第２の無線通信局が、前記第２のＰＲＮシーケンスを含む第２の送信信号を送信する第２の送信機をさらに含み、
    前記第１の無線通信局が、前記無線チャネルを介して、前記無線チャネルの前記時間遅延に依存する第２のチャネル位相シフトだけシフトされている前記第２の送信信号を含む、位相シフトされた第２の送信信号を受信し、
    前記第１の無線通信局が、
    受信した位相シフトされた前記第２の送信信号から再生された、再生された第２のクロックと、
    再生された前記第２のクロックを使用して、受信した位相シフトされた前記第２の送信信号から前記第２のＰＲＮシーケンスを再生し、
    前記第１のＰＲＮシーケンスを再生された前記第２のＰＲＮシーケンスと比較して、前記第１の無線通信局と前記第２の無線通信局との間のコード位相シフト誤差を決定する
    プロセッサと、
    をさらに含む、
    請求項１４に記載のシステム。
16. 前記プロセッサは、再生された前記第１のＰＲＮシーケンスを前記第２のＰＲＮシーケンスの少なくとも３つの時間シフトされたコピーと比較し、前記第２のＰＲＮシーケンスの前記少なくとも３つの時間シフトされたコピーのどれが、再生された前記第１のＰＲＮシーケンスと最も高い相関性を有するかを判定する相関器を含み、前記システムは、前記第２のＰＲＮシーケンスの前記少なくとも３つの時間シフトされたコピーのうちのどれが、前記第１及び前記第２のＰＲＮシーケンス発生器を互いに同期させるために、再生された前記第１のＰＲＮシーケンスと最も高い相関性を有するかに応じて、前記第１及び前記第２のＰＲＮシーケンス発生器のうちの１つのタイミングを調整する、請求項１４に記載のシステム。
17. 前記無線チャネルが多重経路チャネルであり、前記第２の無線通信局は、
    相関器それぞれが、受信した位相シフトされた前記第１の送信信号を、前記多重経路チャネルの１つの経路に対応するように選択された対応する時間遅延と相関させる、複数の相関器と、
    前記多重経路チャネルの対応する前記経路の相対強度に対応する、対応する係数によって各相関器の出力を重み付けすること、
    前記相関器の重み付けされた前記出力を加算して和を生成すること、
    前記和を、受信した位相シフトされた第２の送信信号の１ビット期間にわたって積分すること、及び
    前記和をしきい値と比較して、前記ビット期間における受信した位相シフトされた前記第２の送信信号のビットに対する値を決定すること、
    によって前記複数の相関器の相関出力を処理する信号プロセッサと、
    備える、請求項１４に記載のシステム。

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