一种用于高场MRI的多源射频发射机
发布时间：2019-09-10 11:05
【摘要】：介绍了高场磁共振成像(MRI)多源发射技术的原理,提出了一种用于高场MRI系统的多源射频信号发射机.它能并行输出多路频率、相位、幅度,可快速独立调节的射频脉冲信号.该射频发射机的实现基于单片现场可编程门阵列(FPGA)和多通道数模转换器(DAC)芯片,FPGA读取预存于双端口随机存取存储器(RAM)中的射频信号参数,并利用读取的参数分别实现每路信号的直接数字频率合成(DDS)和信号调制等核心功能,获得多路数字射频信号;FPGA输出的数字信号经过高性能DAC转化为模拟信号,即所需要的射频信号.该射频发射机在设计中大量采用软件无线电技术,即利用Xilinx提供的IP核实现DDS和信号调制等主要功能,具有集成度高、体积小、灵活度高的优点,同时,该设计可以大大缩短开发时间,有效降低实现的难度和成本,为高场MRI谱仪的多源射频发射机的设计研制提供了一种低成本、高效、高性价比的方案.
【图文】：
FPGA通过差分线将波形数据和采样时钟输出给AD9122．差分信号用一对大小相等而极性相反的对称信号来传输信号，这样可以极大程度的减少外部电路带来的电磁干扰，提高输出信号的信噪比．此外，FPGA通过串行通信接口（SPI）设置AD9122和AD5660的寄存器，使其处于良好工作状态．AD9122输出的模拟信号经过放大器和低通滤波器处理后驱动射频线圈产生射频磁场，用于激发磁共振信号．实现过程中，FPGA内调用多个DDS模块和调制模块，同时控制它们的输出，即可得到多路独立的数字射频信号，再经过AD9122便可得到多路独立的模拟射频信号．图1用于高场MRI的多源射频信号发射机的结构框图Fig.1Blockdiagramofamulti-channelRFtransmitterinhigh-fieldMRI本文提供的多源射频发射机选用AnalogDevices公司的AD9122和AD5660两种DAC．AD9122是一款双通道、16位DAC，用来对射频信号进行数模转换处理；采样速率很高，能达到1200MHz，当采样速率为800MHz、输出频率为70MHz时，输出的无杂散动态范围为72dB．内部寄存器参数可以通过四线式SPI接口进行编程和回读．AD9122接受I和Q两路数据流，并将它们当作正交数据流进行处理，最后得到两路的模拟信号．输出为电流输出，输出电流可以在8.7~31.7mA之间进行编程调节．AD5660是一款低功耗、单通道、16位DAC，内置2.5V、5ppm/℃基准电压源和精密输出放大器，满量程输出电压可以达到5V，可为AD9122提供基准电压，控制输出的射频信号幅度．2.2FPGA内部功能设计FPGA是多源射频发射机的核心，由时钟管理、双端口RAM读娶DDS、射频信号调制和DAC芯片配置等部分构成，实现多路信号的直接数字频率合成和射频信号调制等功能；同时，完成AD9122和AD5660芯片的配置．FPGA单元功能设计框图如图2所示．该单元的实施可以分为两部分：数据信号处理
FPGA通过差分线将波形数据和采样时钟输出给AD9122．差分信号用一对大小相等而极性相反的对称信号来传输信号，这样可以极大程度的减少外部电路带来的电磁干扰，提高输出信号的信噪比．此外，，FPGA通过串行通信接口（SPI）设置AD9122和AD5660的寄存器，使其处于良好工作状态．AD9122输出的模拟信号经过放大器和低通滤波器处理后驱动射频线圈产生射频磁场，用于激发磁共振信号．实现过程中，FPGA内调用多个DDS模块和调制模块，同时控制它们的输出，即可得到多路独立的数字射频信号，再经过AD9122便可得到多路独立的模拟射频信号．图1用于高场MRI的多源射频信号发射机的结构框图Fig.1Blockdiagramofamulti-channelRFtransmitterinhigh-fieldMRI本文提供的多源射频发射机选用AnalogDevices公司的AD9122和AD5660两种DAC．AD9122是一款双通道、16位DAC，用来对射频信号进行数模转换处理；采样速率很高，能达到1200MHz，当采样速率为800MHz、输出频率为70MHz时，输出的无杂散动态范围为72dB．内部寄存器参数可以通过四线式SPI接口进行编程和回读．AD9122接受I和Q两路数据流，并将它们当作正交数据流进行处理，最后得到两路的模拟信号．输出为电流输出，输出电流可以在8.7~31.7mA之间进行编程调节．AD5660是一款低功耗、单通道、16位DAC，内置2.5V、5ppm/℃基准电压源和精密输出放大器，满量程输出电压可以达到5V，可为AD9122提供基准电压，控制输出的射频信号幅度．2.2FPGA内部功能设计FPGA是多源射频发射机的核心，由时钟管理、双端口RAM读娶DDS、射频信号调制和DAC芯片配置等部分构成，实现多路信号的直接数字频率合成和射频信号调制等功能；同时，完成AD9122和AD5660芯片的配置．FPGA单元功能设计框图如图2所示．该单元的实施可以分为两部分：数据信号处理
【作者单位】： 北京大学信息科学技术学院量子电子学研究所;北京大学(天津滨海)新一代信息技术研究院核磁共振成像技术研发中心;
【基金】：国家重点基础研究发展计划(“973”计划)资助项目(2015CB250902) 国家高技术研究发展计划(“863”计划)资助项目(2015AA020514) 国家自然科学基金重点项目(61531002)
【分类号】：O482.53
本文编号：2533991
【图文】：
FPGA通过差分线将波形数据和采样时钟输出给AD9122．差分信号用一对大小相等而极性相反的对称信号来传输信号，这样可以极大程度的减少外部电路带来的电磁干扰，提高输出信号的信噪比．此外，FPGA通过串行通信接口（SPI）设置AD9122和AD5660的寄存器，使其处于良好工作状态．AD9122输出的模拟信号经过放大器和低通滤波器处理后驱动射频线圈产生射频磁场，用于激发磁共振信号．实现过程中，FPGA内调用多个DDS模块和调制模块，同时控制它们的输出，即可得到多路独立的数字射频信号，再经过AD9122便可得到多路独立的模拟射频信号．图1用于高场MRI的多源射频信号发射机的结构框图Fig.1Blockdiagramofamulti-channelRFtransmitterinhigh-fieldMRI本文提供的多源射频发射机选用AnalogDevices公司的AD9122和AD5660两种DAC．AD9122是一款双通道、16位DAC，用来对射频信号进行数模转换处理；采样速率很高，能达到1200MHz，当采样速率为800MHz、输出频率为70MHz时，输出的无杂散动态范围为72dB．内部寄存器参数可以通过四线式SPI接口进行编程和回读．AD9122接受I和Q两路数据流，并将它们当作正交数据流进行处理，最后得到两路的模拟信号．输出为电流输出，输出电流可以在8.7~31.7mA之间进行编程调节．AD5660是一款低功耗、单通道、16位DAC，内置2.5V、5ppm/℃基准电压源和精密输出放大器，满量程输出电压可以达到5V，可为AD9122提供基准电压，控制输出的射频信号幅度．2.2FPGA内部功能设计FPGA是多源射频发射机的核心，由时钟管理、双端口RAM读娶DDS、射频信号调制和DAC芯片配置等部分构成，实现多路信号的直接数字频率合成和射频信号调制等功能；同时，完成AD9122和AD5660芯片的配置．FPGA单元功能设计框图如图2所示．该单元的实施可以分为两部分：数据信号处理
FPGA通过差分线将波形数据和采样时钟输出给AD9122．差分信号用一对大小相等而极性相反的对称信号来传输信号，这样可以极大程度的减少外部电路带来的电磁干扰，提高输出信号的信噪比．此外，，FPGA通过串行通信接口（SPI）设置AD9122和AD5660的寄存器，使其处于良好工作状态．AD9122输出的模拟信号经过放大器和低通滤波器处理后驱动射频线圈产生射频磁场，用于激发磁共振信号．实现过程中，FPGA内调用多个DDS模块和调制模块，同时控制它们的输出，即可得到多路独立的数字射频信号，再经过AD9122便可得到多路独立的模拟射频信号．图1用于高场MRI的多源射频信号发射机的结构框图Fig.1Blockdiagramofamulti-channelRFtransmitterinhigh-fieldMRI本文提供的多源射频发射机选用AnalogDevices公司的AD9122和AD5660两种DAC．AD9122是一款双通道、16位DAC，用来对射频信号进行数模转换处理；采样速率很高，能达到1200MHz，当采样速率为800MHz、输出频率为70MHz时，输出的无杂散动态范围为72dB．内部寄存器参数可以通过四线式SPI接口进行编程和回读．AD9122接受I和Q两路数据流，并将它们当作正交数据流进行处理，最后得到两路的模拟信号．输出为电流输出，输出电流可以在8.7~31.7mA之间进行编程调节．AD5660是一款低功耗、单通道、16位DAC，内置2.5V、5ppm/℃基准电压源和精密输出放大器，满量程输出电压可以达到5V，可为AD9122提供基准电压，控制输出的射频信号幅度．2.2FPGA内部功能设计FPGA是多源射频发射机的核心，由时钟管理、双端口RAM读娶DDS、射频信号调制和DAC芯片配置等部分构成，实现多路信号的直接数字频率合成和射频信号调制等功能；同时，完成AD9122和AD5660芯片的配置．FPGA单元功能设计框图如图2所示．该单元的实施可以分为两部分：数据信号处理
【作者单位】： 北京大学信息科学技术学院量子电子学研究所;北京大学(天津滨海)新一代信息技术研究院核磁共振成像技术研发中心;
【基金】：国家重点基础研究发展计划(“973”计划)资助项目(2015CB250902) 国家高技术研究发展计划(“863”计划)资助项目(2015AA020514) 国家自然科学基金重点项目(61531002)
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本文编号：2533991
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