【摘要】：介紹了高場磁共振成像(MRI)多源發(fā)射技術(shù)的原理,提出了一種用于高場MRI系統(tǒng)的多源射頻信號發(fā)射機.它能并行輸出多路頻率、相位、幅度,可快速獨立調(diào)節(jié)的射頻脈沖信號.該射頻發(fā)射機的實現(xiàn)基于單片現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和多通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)芯片,FPGA讀取預(yù)存于雙端口隨機存取存儲器(RAM)中的射頻信號參數(shù),并利用讀取的參數(shù)分別實現(xiàn)每路信號的直接數(shù)字頻率合成(DDS)和信號調(diào)制等核心功能,獲得多路數(shù)字射頻信號;FPGA輸出的數(shù)字信號經(jīng)過高性能DAC轉(zhuǎn)化為模擬信號,即所需要的射頻信號.該射頻發(fā)射機在設(shè)計中大量采用軟件無線電技術(shù),即利用Xilinx提供的IP核實現(xiàn)DDS和信號調(diào)制等主要功能,具有集成度高、體積小、靈活度高的優(yōu)點,同時,該設(shè)計可以大大縮短開發(fā)時間,有效降低實現(xiàn)的難度和成本,為高場MRI譜儀的多源射頻發(fā)射機的設(shè)計研制提供了一種低成本、高效、高性價比的方案.
【圖文】：

FPGA通過差分線將波形數(shù)據(jù)和采樣時鐘輸出給AD9122．差分信號用一對大小相等而極性相反的對稱信號來傳輸信號，這樣可以極大程度的減少外部電路帶來的電磁干擾，提高輸出信號的信噪比．此外，F(xiàn)PGA通過串行通信接口（SPI）設(shè)置AD9122和AD5660的寄存器，使其處于良好工作狀態(tài)．AD9122輸出的模擬信號經(jīng)過放大器和低通濾波器處理后驅(qū)動射頻線圈產(chǎn)生射頻磁場，用于激發(fā)磁共振信號．實現(xiàn)過程中，F(xiàn)PGA內(nèi)調(diào)用多個DDS模塊和調(diào)制模塊，同時控制它們的輸出，即可得到多路獨立的數(shù)字射頻信號，再經(jīng)過AD9122便可得到多路獨立的模擬射頻信號．圖1用于高場MRI的多源射頻信號發(fā)射機的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1Blockdiagramofamulti-channelRFtransmitterinhigh-fieldMRI本文提供的多源射頻發(fā)射機選用AnalogDevices公司的AD9122和AD5660兩種DAC．AD9122是一款雙通道、16位DAC，用來對射頻信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換處理；采樣速率很高，能達到1200MHz，當(dāng)采樣速率為800MHz、輸出頻率為70MHz時，輸出的無雜散動態(tài)范圍為72dB．內(nèi)部寄存器參數(shù)可以通過四線式SPI接口進行編程和回讀．AD9122接受I和Q兩路數(shù)據(jù)流，并將它們當(dāng)作正交數(shù)據(jù)流進行處理，最后得到兩路的模擬信號．輸出為電流輸出，輸出電流可以在8.7~31.7mA之間進行編程調(diào)節(jié)．AD5660是一款低功耗、單通道、16位DAC，內(nèi)置2.5V、5ppm/℃基準(zhǔn)電壓源和精密輸出放大器，滿量程輸出電壓可以達到5V，可為AD9122提供基準(zhǔn)電壓，控制輸出的射頻信號幅度．2.2FPGA內(nèi)部功能設(shè)計FPGA是多源射頻發(fā)射機的核心，由時鐘管理、雙端口RAM讀娶DDS、射頻信號調(diào)制和DAC芯片配置等部分構(gòu)成，實現(xiàn)多路信號的直接數(shù)字頻率合成和射頻信號調(diào)制等功能；同時，完成AD9122和AD5660芯片的配置．FPGA單元功能設(shè)計框圖如圖2所示．該單元的實施可以分為兩部分：數(shù)據(jù)信號處理

FPGA通過差分線將波形數(shù)據(jù)和采樣時鐘輸出給AD9122．差分信號用一對大小相等而極性相反的對稱信號來傳輸信號，這樣可以極大程度的減少外部電路帶來的電磁干擾，提高輸出信號的信噪比．此外，，F(xiàn)PGA通過串行通信接口（SPI）設(shè)置AD9122和AD5660的寄存器，使其處于良好工作狀態(tài)．AD9122輸出的模擬信號經(jīng)過放大器和低通濾波器處理后驅(qū)動射頻線圈產(chǎn)生射頻磁場，用于激發(fā)磁共振信號．實現(xiàn)過程中，F(xiàn)PGA內(nèi)調(diào)用多個DDS模塊和調(diào)制模塊，同時控制它們的輸出，即可得到多路獨立的數(shù)字射頻信號，再經(jīng)過AD9122便可得到多路獨立的模擬射頻信號．圖1用于高場MRI的多源射頻信號發(fā)射機的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1Blockdiagramofamulti-channelRFtransmitterinhigh-fieldMRI本文提供的多源射頻發(fā)射機選用AnalogDevices公司的AD9122和AD5660兩種DAC．AD9122是一款雙通道、16位DAC，用來對射頻信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換處理；采樣速率很高，能達到1200MHz，當(dāng)采樣速率為800MHz、輸出頻率為70MHz時，輸出的無雜散動態(tài)范圍為72dB．內(nèi)部寄存器參數(shù)可以通過四線式SPI接口進行編程和回讀．AD9122接受I和Q兩路數(shù)據(jù)流，并將它們當(dāng)作正交數(shù)據(jù)流進行處理，最后得到兩路的模擬信號．輸出為電流輸出，輸出電流可以在8.7~31.7mA之間進行編程調(diào)節(jié)．AD5660是一款低功耗、單通道、16位DAC，內(nèi)置2.5V、5ppm/℃基準(zhǔn)電壓源和精密輸出放大器，滿量程輸出電壓可以達到5V，可為AD9122提供基準(zhǔn)電壓，控制輸出的射頻信號幅度．2.2FPGA內(nèi)部功能設(shè)計FPGA是多源射頻發(fā)射機的核心，由時鐘管理、雙端口RAM讀娶DDS、射頻信號調(diào)制和DAC芯片配置等部分構(gòu)成，實現(xiàn)多路信號的直接數(shù)字頻率合成和射頻信號調(diào)制等功能；同時，完成AD9122和AD5660芯片的配置．FPGA單元功能設(shè)計框圖如圖2所示．該單元的實施可以分為兩部分：數(shù)據(jù)信號處理
【作者單位】： 北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院量子電子學(xué)研究所;北京大學(xué)(天津濱海)新一代信息技術(shù)研究院核磁共振成像技術(shù)研發(fā)中心;
【基金】：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“973”計劃)資助項目(2015CB250902) 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)資助項目(2015AA020514) 國家自然科學(xué)基金重點項目(61531002)
【分類號】：O482.53

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本文編號：2533991