趙茹硯,孫秉鶴,肖 亮*

（北京化工大學(xué)，北京，100029）

0 引言

在核磁共振成像（MRI）系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)擔(dān)任著將射頻輸出前端的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大和采集的任務(wù)，其性能的好壞直接影響成像的質(zhì)量。早期的接收系統(tǒng)通過模擬正交解調(diào)的方式實現(xiàn)，由于不能完全正交解調(diào)，會導(dǎo)致圖像出現(xiàn)偽影。在數(shù)字域中對磁共振信號進(jìn)行正交檢波、抽取濾波，可以避免偽影的產(chǎn)生。近些年來，為了提高成像的速度，多通道線圈逐漸用在譜儀的設(shè)計中，多通道的數(shù)字接收設(shè)計就成為了譜儀接收系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

為了解決磁共振信號直接采樣的困難，現(xiàn)在普遍采用數(shù)字下變頻技術(shù)，將接收到的信號轉(zhuǎn)換到較低頻率，再用模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。在現(xiàn)有的磁共振接收系統(tǒng)中，主要結(jié)合處理器與商用的DDC 芯片，使系統(tǒng)內(nèi)部的本振信號發(fā)生、正交檢波、濾波處理等全部實現(xiàn)數(shù)字化。

本文提出了一種基于DSP 的磁共振成像數(shù)字接收系統(tǒng)的設(shè)計。負(fù)責(zé)4 個通道射頻信號的采樣和數(shù)字解調(diào)，得到的I/Q 數(shù)據(jù)在一定的時序控制下，經(jīng)采集數(shù)據(jù)共享存儲區(qū)傳送至DSP 內(nèi)部的USB模塊實現(xiàn)和PC 機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。采用商用的DDC 芯片AD6620實現(xiàn)數(shù)字解調(diào)，對A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行混頻，通過濾波--抽取將數(shù)據(jù)流率從50MHz 降低到所設(shè)定的數(shù)據(jù)輸出流率，從而得到I、Q 數(shù)據(jù)。最后通過實驗驗證該接收系統(tǒng)設(shè)計的可行性。

1 硬件設(shè)計

本文所提出的磁共振成像數(shù)字接收系統(tǒng)主要由DSP 和數(shù)據(jù)采集模塊組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 數(shù)字接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of Digital receiving system

DSP 完成對數(shù)字解調(diào)芯片的配置，讀出數(shù)字解調(diào)芯片輸出的I/Q 解調(diào)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳給PC 機(jī)。采用TI 公司的TMS320VC5509A 作為控制核心，該DSP 指令周期為10 ns，擁有128 K×16 bit 片上RAM。 DSP 通過本地總線連接數(shù)據(jù)采集模塊，通過指令控制數(shù)據(jù)采集模塊中的FPGA 和數(shù)字解調(diào)器，對信號進(jìn)行處理。DSP 內(nèi)部集成的USB 模塊，支持USB1.1 通信協(xié)議，全速可達(dá)12Mbps，利用批量傳輸模式完成數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)采集模塊將人體產(chǎn)生的射頻調(diào)制信號，即模擬信號進(jìn)行數(shù)字化處理，通過使用A/D 完成信號的采集，將其轉(zhuǎn)化為16-bit表示的數(shù)字信號，并將其送入到數(shù)字解調(diào)芯片中，進(jìn)行數(shù)字正交解調(diào)。

圖2 數(shù)字接收系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 Work flow chart of Digital receiving system

FPGA 選擇使用Altera 公司的EP2C8Q208，該芯片集成了8256 個邏輯單元，18 個硬件乘法器，36 個M4K 的片內(nèi)RAM 塊，2 個鎖相環(huán)。數(shù)字解調(diào)器（DDC）采用AD6620，其單通道輸入實時數(shù)據(jù)流率達(dá)65MSPS；數(shù)字本振的頻率精度和相位精度分別為32Bit 和16Bit；輸出解調(diào)I、Q 數(shù)據(jù)字長16Bit。

AD6620 的解調(diào)方案，包括濾波器設(shè)計與抽取系數(shù)的分配，對于圖像質(zhì)量有較大的影響。AD 公司提供了AD6620 的設(shè)計軟件，同時也可采用Matlab 進(jìn)行仿真設(shè)計，最終的方案由實際的磁共振成像實驗決定。

2 數(shù)字接收與控制程序

通過對DSP 的編程，以及對DDC 器件參數(shù)的設(shè)置，實現(xiàn)射頻信號的頻率回繞，是射頻接收的核心技術(shù)，同時也是譜儀研制中的一個關(guān)鍵性問題，其在很大程度上決定成像的質(zhì)量（消除圖像偽影與直流）。

AD6620 提供了8 個外部寄存器，用以完成DSP 對AD6620 的配置，并且讀取I/Q 解調(diào)數(shù)據(jù)。DSP 控制數(shù)據(jù)采集模塊的程序流程如圖2 所示。

在序列運(yùn)行之前，DSP 對AD6620 進(jìn)行相應(yīng)的配置，參數(shù)包括：頻率、相位、數(shù)據(jù)抽取率、濾波器參數(shù)等。來自前放的射頻信號，經(jīng)過可控增益放大與濾波送至A/D，A/D 在時鐘的控制下對其進(jìn)行采樣，采樣數(shù)據(jù)送至AD6620，經(jīng)數(shù)字解調(diào)后輸出I、Q 數(shù)據(jù)。序列運(yùn)行時，DSP 控制FPGA，啟動數(shù)據(jù)采集。FPGA 按照一定控制時序，將來自AD6620 的I、Q 數(shù)據(jù)按照一定順序存入雙端口SRAM 中。最終通過USB 將數(shù)據(jù)傳遞給PC 機(jī)。

3 實驗結(jié)果與討論

實驗中使用信號源模擬磁共振射頻調(diào)制信號，完成DSP 對數(shù)據(jù)采集模塊的功能驗證。原子核射頻調(diào)制頻率滿足拉莫進(jìn)動頻率，并且由公式（1）可得：

其中：，B 為主磁場強(qiáng)度。本設(shè)計采用主磁場強(qiáng)度為0.5T，其得到的拉莫進(jìn)動頻率為，調(diào)幅信號載波頻率21.3MHz。信號源的輸出信號為21.301MHz 的連續(xù)的正弦波，峰-峰值為500mV，本設(shè)計采用泰克的信號源作為數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)源，以驗證DSP 是否能正?？刂茢?shù)據(jù)采集模塊。ADC 采用AD9460 高速A/D 轉(zhuǎn)換芯片，峰值采樣速率為105MSPS，滿足奈奎斯特采樣定理。DSP 通過配置數(shù)據(jù)采集模塊中的AD6620 的NCO，使其為21.3MHz；梳狀抽取濾波器對調(diào)制信號進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取，降低數(shù)據(jù)量；RCF 濾波器進(jìn)行抗混疊處理。如圖3 所示，信號源輸出連續(xù)的正弦信號為21.301MHz，并且其峰-峰值為500mV，則通過AD6620 下變頻后得到的信號頻率為1KHz的正弦波，通過I/Q 正交解調(diào)后的輸出信號，在MATLAB 進(jìn)行處理后的波形如圖4 所示。

圖3 信號源輸出頻率為21.301MHz 的正弦信號，峰-峰為500mVFig.3 The signal source output sine signal, its frequency is 21.301MHz, and Vp-p is 500mV

圖4 MATLAB 處理后的信號Fig.4 The output ware is processed by MATLAB

為了進(jìn)一步驗證DSP 對數(shù)據(jù)采集模塊控制的正確性，利用信號源產(chǎn)生一個調(diào)幅信號，其載波頻率為21.3MHz，調(diào)制信號為頻率2KHz、峰-峰值500mV 的方波信號，其示波器輸出波形如圖5所示；經(jīng)數(shù)字解調(diào)后，其AD6620 的NCO 頻率為21.3MHz，輸出的I/Q 數(shù)據(jù)利用MATLAB 進(jìn)行仿真后得到的波形如圖6 所示。

圖5 信號源輸出的載波為21.3MHz 的正弦信號，調(diào)整信號為2KHz 方波的調(diào)幅信號Fig.5 Amplitude modulation signal of the signal source, the carrier frequency of which is 21.3MHz, the modulated signal frequency is square wave of 2KHz

圖6 MATLAB 處理后的調(diào)制信號Fig.6 The modulated signal is processed by MATLAB

4 結(jié)論

本文設(shè)計的數(shù)字接收系統(tǒng)采用了數(shù)字信號處理器（DSP）和數(shù)字下變頻處理芯片（DDC），使用了DSP 內(nèi)置的USB 模塊實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能，使得整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計進(jìn)一步簡化。在性能方面，DSP 的時間分辨率達(dá)到10ns，提高了整個系統(tǒng)的工作時序。實驗驗證了系統(tǒng)的可行性。

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