專利名稱：一種多通道核磁共振射頻信號發射機的制作方法
技術領域：
本發明涉及核磁共振儀器技術領域，具體涉及一種多通道核磁共振射頻信號發射機，適用于核磁共振成像儀和核磁共振波譜儀中，用于產生頻率、相位和幅度可以快速改變的射頻激發信號。
背景技術：
射頻信號發射裝置是核磁共振儀器必不可少的組成部分，它產生頻率、相位和幅度可以快速改變的射頻信號，該信號經過功率放大器后發送到探頭，使靜磁場中的原子核發生共振從而獲得磁共振信號。包括核磁共振成像在內的核磁共振儀器系統日益呈現向更高場強發展的趨勢，這 些高場強核磁共振系統需要采用多通道并行發射技術，用以解決發射場不均勻性與射頻能量吸收的難題，采用多通道并行發射技術要求發射多路并行的頻率、相位、幅度可調的射頻脈沖。多通道并行發射目前主要采用單路射頻信號擴展為多路射頻信號的方式實現，如圖3所示。這種方案只有一個射頻信號源，通過功分器將其分為多路信號，然后再使用移相器和衰減器來調整每一路信號的相位和幅度。該方案所實現的多路并行的射頻信號輸出主要存在兩個問題1.射頻移相器一般是窄帶的，不能進行寬頻的射頻發射；2.不能實現各通道調制信號的獨立調節，導致所有輸出信號的調制方式都相同，僅存在相位和幅度上的差別，對于需要輸出不同調制參數的應用場合這種方案將不能滿足要求。為了解決現有技術方案只能用于窄帶發射且不能獨立調節各通道調制方式的問題，本發明采用多路射頻信號并行發射的方案產生射頻信號，如圖4所示。這種方案采用多個并行的DDS電路實現了中頻信號的產生和調制，由于各個信號單獨使用一個DDS，所以可以實現對每一路信號的單獨調制，然后將中頻信號經過正交混頻把載波頻率搬移到觀察核的共振頻率附近，從而實現全頻段的射頻發射。DDS的相位偏移控制字為16bits，對應的最小可變相位步進為0.005°，能夠滿足多通道核磁共振發射機對相位精度的要求。另外，由于DDS中集成了現有技術方案中的移相器和衰減器，這將極大的提高設計的集成度和通道間的抗干擾能力，因此，本發明采用的多路射頻信號并行發射的方案能夠有效的解決現有技術方案只能用于窄帶發射且不能獨立調節各通道調制方式的問題。

發明內容
本發明的目的是在于針對現有技術存在的上述問題，提供一種多通道核磁共振射頻信號發射機，本裝置可進行寬頻的射頻發射，能實現各通道調制信號的獨立調節。本發明的上述目的通過以下技術方案實現一種多通道核磁共振射頻信號發射機，包括基帶信號調制模塊、正交上變頻模塊和射頻信號發生模塊，射頻信號發生模塊，用于為正交上變頻模塊提供本振信號；
基帶信號調制模塊包括FPGA控制模塊，用于發送基帶IQ信號到DDS ;DDS，用于接收FPGA控制模塊的基帶IQ信號并產生頻率、幅度和相位均可調的中頻信號；和低通濾波器，用于抑制DDS輸出的中頻信號中的雜散分量；正交上變頻模塊包括功分器，用于將射頻信號發生模塊產生的本振信號分為多路信號，并傳送到正交調制器；正交調制器，用于將基帶信號調制模塊輸出的中頻信號的載頻通過正交調制的方式搬移到觀察核的共振頻率附近，抑制鏡像頻帶并輸出到可變增益放大器；和可變增益放大器,用于調整射頻信號的輸出功率。 如上所述的正交調制器包括高頻帶正交調制通路和低頻帶正交調制通路，基帶信號調制模塊輸出的中頻信號由FPGA控制模塊進行控制以切換的方式輸入到高頻帶正交調制通路和低頻帶正交調制通路中，高頻帶正交調制通路包括依次連接的第一正交功分器和高頻正交調制器，低頻帶正交調制通路包括依次連接的第二正交功分器和低頻正交調制器。如上所述的正交調制器至少為一個，DDS的個數與正交調制器相同。如上所述的FPGA控制模塊控制可變增益放大器的功率放大倍數。如上所述的基帶信號調制模塊還包括用于接收脈沖序列同步信號并傳送到FPGA控制模塊的同步信號接口。如上所述的基帶信號調制模塊還包括用于存儲脈沖序列數據和擴展FPGA控制模塊的存儲容量的SSRAM。如上所述的基帶信號調制模塊還包括用于接收脈沖序列數據的數據通訊接口模塊。本發明與現有技術相比，具有以下優點I、可實現多路射頻信號的并行發射，能夠單獨控制每一路信號的調制方式；2、信號的所有調制功能都在單片DDS中實現，提高了系統的集成度；3、采用外部SSRAM來存儲脈沖序列數據，能夠極大的擴展數據存儲容量；4、能夠進行寬頻帶的射頻發射，實現了信號的全頻段覆蓋；5、射頻信號的產生采用正交調制，能夠有效的抑制鏡像頻帶并提高射頻功率利用率；6、基帶信號調制模塊與正交上變頻模塊分布于不同的PCB上，最大程度的減小了數字信號與模擬信號之間的干擾。


圖I為本發明的原理示意圖；圖2為正交調制器的原理示意圖；圖3為傳統多通道并行發射的原理示意圖；圖4為本發明的多通道并行發射的原理示意圖。圖中1_功分器；2_正交調制器；3_可變增益放大器；4_射頻信號發生模塊；DDS-直接數字頻率綜合器；LPF-低通濾波器；SSRAM-同步靜態隨機存儲器。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的技術方案作進一步詳細描述。實施例I如圖I所示，一種多通道核磁共振射頻信號發射機，包括基帶信號調制模塊、正交上變頻模塊和射頻信號發生模塊4，射頻信號發生模塊4，用于為正交上變頻模塊提供本振信號，本振信號為寬頻本振信號； 基帶信號調制模塊包括FPGA控制模塊，用于發送基帶IQ信號到DDS ；DDS，用于接收FPGA控制模塊的基帶IQ信號并產生頻率、幅度和相位均可調的中頻f目號;和低通濾波器，用于抑制DDS輸出的中頻信號中的雜散分量；正交上變頻模塊包括功分器1，用于將射頻信號發生模塊4產生的本振信號分為多路信號，并傳送到正交調制器2 ;多路信號的路數與預先設定的通道數匹配。正交調制器2，用于將基帶信號調制模塊輸出的中頻信號的載頻通過正交調制的方式搬移到觀察核的共振頻率附近，抑制鏡像頻帶并輸出到可變增益放大器3 ;和可變增益放大器3，用于調整射頻信號的輸出功率。正交調制器2包括高頻帶正交調制通路和低頻帶正交調制通路，基帶信號調制模塊輸出的中頻信號由FPGA控制模塊進行控制以切換的方式輸入到高頻帶正交調制通路和低頻帶正交調制通路中，高頻帶正交調制通路包括依次連接的第一正交功分器和高頻正交調制器，其中第一正交功分器核心器件為JYPQ-30，高頻正交調制器核心器件為AD8345 ;低頻帶正交調制通路包括依次連接的第二正交功分器和低頻正交調制器，其中第二正交功分器核心器件為JYPQ-30，低頻正交調制器核心器件為ADE-IlX和TCP-2-10。正交調制器2至少為一個，DDS的個數與正交調制器2相同。FPGA控制模塊控制可變增益放大器3的功率放大倍數。基帶信號調制模塊還包括用于接收脈沖序列同步信號并傳送到FPGA控制模塊的同步信號接口。基帶信號調制模塊還包括用于存儲脈沖序列數據和擴展FPGA控制模塊的存儲容量的SSRAM。基帶信號調制模塊還包括用于接收脈沖序列數據的數據通訊接口模塊。本發明采用可編程門陣列(FPGA,Field Programmable GateArray)作為系統的控制核心，完成控制參數的存儲解析和各個模塊電路的控制，結構緊湊，操作方便；采用多路并行的直接數字頻率合成器(DDS,Direct Digital Synthesizer)產生已調制的中頻信號，實現頻率、相位和幅度靈活、快速的改變；采用正交混頻的方式將中頻搬移到觀察核的共振頻率處，使得頻率覆蓋范圍廣，并能有效的克服鏡像頻帶的產生。FPGA控制模塊外部的同步靜態隨機存儲器(SSRAM)可以作為脈沖序數據的擴展存儲器。FPGA控制模塊與遠程控制計算機之間的數據通信使用高性能的數據通訊接口模塊，保證了通信數據的實時性和可靠性。基帶信號調制模塊對脈沖序列數據進行解析，并采用CORDIC算法生成基帶IQ信號，然后在DDS中通過正交調制產生已調制的中頻信號；正交上變頻模塊將已調制的中頻信號作為調制信號，將射頻信號發生模塊的輸出信號作為載波，對這兩個信號進行正交調制，使得已調制的中頻信號的中心頻率搬移至觀察核的共振頻率處，并對輸出功率進行調
難
iF. O基帶信號調制模塊通過數據通訊接口模塊與遠程計算機通信，遠程計算機將配置參數寫入FPGA控制模塊中存儲，通過FPGA控制模塊完成寫入脈沖序列數據和配置直接數字頻率合成器(DDS)的工作。當脈沖序列數據包含大量元素時,外部的SSRAM可以作為脈 沖序列數據的擴展存儲器。FPGA控制模塊內部的脈沖序列控制器的同步信號來自同步信號接口。FPGA控制模塊根據寫入的脈沖序列數據，產生多路并行的基帶信號輸出給DDS，DDS通過數字正交調制把基帶信號調制到中頻，中頻信號經低通濾波器后輸出給正交上變頻模塊。FPGA控制模塊輸出一組外部控制信號，用來控制正交上變頻模塊中可變增益放大器3的輸出增益。FPGA控制模塊將接收到的脈沖序列數據按照一定格式轉換成二進制數據，并將這些二進制數據存儲到內部FIFO或者外部SSRAM中。根據軟件無線電設計思想，設計中采用DDS和數字正交調制來產生已調制的中頻信號。FPGA控制模塊配置DDS工作在正交調制模式，輸入的基帶IQ信號經過半帶濾波器、CIC濾波器內插后與NCO輸出信號正交調制，最后由DAC輸出模擬信號。DDS的主要功能是根據輸入的基帶IQ信號，完成脈沖的幅度、相位和頻率的調制，FPGA則在脈沖序列控制器的控制下采用CORDIC算法產生基帶IQ信號，其表達式為A SinUV +㈧，式中k、、供分別表示脈沖幅度、相位和頻率偏移。DDS存在的主要問題是輸出雜散分量較多，因此在其輸出端添加一個7階橢圓低通濾波器，能夠有效的抑制輸出雜散分量。DDS輸出信號表達式為kcos(co2t ±(CO^ +爐))。式中O2表示中頻的角頻率。正交上變頻模塊將DDS輸出信號的頻譜中心搬遷至觀察核的共振頻率附近，同時抑制上變頻產生的另一個邊帶。正交上變頻模塊要求能對頻帶范圍較寬的本振信號作90度移相處理，目前單一的有源或無源器件無法實現寬頻帶移相要求。因此，根據現有的芯片將最終輸出劃分成兩個頻帶。高頻帶采用高頻信號正交調制器(Quadrature Modulator)來移相(即高頻帶正交調制通路)；低頻帶采用低頻本振信號正交功分器(即低頻帶正交調制通路)對本振信號作正交功分處理。而中頻信號近似為點頻，其兩路正交功分處理比較容易，本振由射頻信號發生模塊提供。如圖2所示，當需要輸出高頻信號時，中頻信號IF經過輸入選擇開關SI送入高頻帶正交調制通路，由第一正交功分器處理后輸出到高頻正交調制器產生高頻調制信號，然后經過輸出選擇開關S2輸出到可變增益放大器3 ;當需要輸出低頻信號時，輸入選擇開關SI將中頻信號IF切換到低頻帶正交調制通路，由第二正交功分器處理后輸出到低頻正交調制器產生低頻調制信號，經輸出選擇開關S2輸出到可變增益放大器3。為了達到理想的正交調制效果，選用了幅度、相位不平衡度都較小的功分器。上變頻輸出頻率的有效邊帶表達式為4 = furfIF，其中U為本振頻率，fIF為中頻，對于兩路正交功分器，輸出相位關系為0°和-90°，假設本振和中頻輸入均為余弦形式，則輸出表達式為 cos (Co IFt_90。) cos (Co LOt-90 ° ) +cos co IFtcos W L0t — COS ( w LQ— CO jp) t J 其中 O IF 為中頻角速度，為本振角速度。高頻帶正交調制采用高頻信號正交調制器來實現，該調制器的輸出表達式為 Qcos (CO!^-90° )+IcoswLOt ，故取 Q = cos(wIFt-90° ),1 = cos IFt，輸出有效邊帶也為4 = fM-fIF，與低頻帶調制輸出有效邊帶一致。在正交上變頻模塊的最后一級對輸出信號的功率進行了調整，以輸出滿足要求的射頻激發信號。為提高射頻信號的隔離度，在本振輸入端、中頻輸出端以及正交上變頻輸出端分別接入本振選擇開關、中頻信號選擇開關和射頻信號選擇開關。同時，在脈沖結束后立即將基帶IQ信號的幅度設為0，進一步提高射頻信號的隔離度。 本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替 代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
權利要求
1.一種多通道核磁共振射頻信號發射機，包括基帶信號調制模塊、正交上變頻模塊和射頻信號發生模塊(4)，其特征在于， 射頻信號發生模塊(4)，用于為正交上變頻模塊提供本振信號； 基帶信號調制模塊包括 FPGA控制模塊，用于發送基帶IQ信號到DDS ； DDS，用于接收FPGA控制模塊的基帶IQ信號并產生頻率、幅度和相位均可調的中頻信號；和 低通濾波器，用于抑制DDS輸出的中頻信號中的雜散分量； 正交上變頻模塊包括 功分器(1)，用于將射頻信號發生模塊(4)產生的本振信號分為多路信號，并傳送到正交調制器(2); 正交調制器(2)，用于將基帶信號調制模塊輸出的中頻信號的載頻通過正交調制的方式搬移到觀察核的共振頻率附近，抑制鏡像頻帶并輸出到可變增益放大器(3);和 可變增益放大器(3)，用于調整射頻信號的輸出功率。
2.根據權利要求I所述的一種多通道核磁共振射頻信號發射機，其特征在于，所述的正交調制器(2)包括高頻帶正交調制通路和低頻帶正交調制通路，基帶信號調制模塊輸出的中頻信號由FPGA控制模塊進行控制以切換的方式輸入到高頻帶正交調制通路和低頻帶正交調制通路中，高頻帶正交調制通路包括依次連接的第一正交功分器和高頻正交調制器，低頻帶正交調制通路包括依次連接的第二正交功分器和低頻正交調制器。
3.根據權利要求I所述的一種多通道核磁共振射頻信號發射機，其特征在于，所述的正交調制器(2)至少為一個，DDS的個數與正交調制器(2)相同。
4.根據權利要求I所述的一種多通道核磁共振射頻信號發射機，其特征在于，所述的FPGA控制模塊控制可變增益放大器(3)的功率放大倍數。
5.根據權利要求I所述的一種多通道核磁共振射頻信號發射機，其特征在于，所述的基帶信號調制模塊還包括用于接收脈沖序列同步信號并傳送到FPGA控制模塊的同步信號接口。
6.根據權利要求I所述的一種多通道核磁共振射頻信號發射機，其特征在于，所述的基帶信號調制模塊還包括用于存儲脈沖序列數據和擴展FPGA控制模塊的存儲容量的SSRAM0
7.根據權利要求I所述的一種多通道核磁共振射頻信號發射機，其特征在于，所述的基帶信號調制模塊還包括用于接收脈沖序列數據的數據通訊接口模塊。
全文摘要
本發明公開了一種多通道核磁共振射頻信號發射機，包括基帶信號調制模塊、正交上變頻模塊和射頻信號發生模塊，其中基帶信號調制模塊包括現場可編程門陣列控制模塊和直接數字信號合成器；正交上變頻模塊由功分器、正交調制器和可變增益放大器等組成；射頻信號發生模塊為正交上變頻模塊提供本振信號；基帶信號調制模塊至少為一個，正交上變頻模塊與基帶信號調制模塊連接且數量與基帶信號調制模塊的數量相同。本發明實現了多路射頻信號的單獨控制和并行發射；所有調制功能都在單片DDS中實現，提高了系統的集成度；能夠進行寬頻帶的射頻發射，實現了信號的全頻段覆蓋；射頻信號的產生采用正交調制，有效的抑制鏡像頻帶并提高射頻功率利用率。
文檔編號H04L27/36GK102724162SQ20121020955
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月25日 優先權日2012年6月25日
發明者劉朝陽, 張志 , 毛文平 申請人:中國科學院武漢物理與數學研究所