一种核磁共振数字接收器的制作方法

本实用新型涉及核磁共振，尤其是涉及具有改进型滤波器结构的一种核磁共振数字接收器。

背景技术：

目前，核磁共振仪器主要采用商用的数字信号处理芯片完成对磁共振信号的接收处理。由于商用芯片需要额外硬件电路，功耗大，且可重构性较差，针对性不够强，已不能适应现代磁共振仪器小型化和数字化发展的需求。解决这一问题的方法是利用FPGA实现数字下变频，替代商用数字下变频芯片。数字下变频器实现对接收信号的混频、抽取和滤波的功能，传统的抽取滤波模块结构简单，被广泛应用于数字信号处理领域。随着社会的进步，对其速度、功耗和面积提出了更高的要求。

CIC(积分梳状)滤波器、FIR滤波器实现下变频器的抽取滤波功能。由于数字下变频中CIC滤波器工作在较高频率处，而后续滤波器的工作频率相对较低，CIC滤波器的功耗优化对于整个滤波器的功耗减少有较重要的意义。基于存储实现的FIR滤波器分为2种，一种是DA(分布式算法)，另一种是利用LUT(查找表)实现乘法运算。与基于DA算法实现相比，基于LUT乘法器实现的FIR滤波器在相同吞吐量时，电路面积、延时性能大幅度提高。由于LUT功耗和面积占整个FIR滤波器比重较大，通过优化LUT的功耗和面积，可使FIR滤波器的性能得到很大提升。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的上述问题并优化抽取滤波功能，提供利用FPGA实现更低功耗、更少资源消耗，并具有灵活可重构和更短设计周期的一种核磁共振数字接收器。

本实用新型设有A/D转换器、下变频器和控制器；所述A/D转换器和下变频器相连，所述下变频器设有数字控制振荡器(NCO)、正交混频器、CIC滤波器和FIR滤波器；A/D转换器的输入端接收磁共振模拟信号A，A/D转换器用于将输入端接收到的磁共振模拟信号A转换为数字信号，A/D转换器的信号数字输出端接下变频器的输入端，下变频器用于对A/D转换器的采样数据数据处理，下变频器与控制器连接进行数据传输，并通过控制器对下变频器参数配置。

所述A/D转换器可采用型号为AD9245的模数转换器。

所述下变频器可采用可编程FPGA芯片实现，所述FPGA芯片采用Altera的Stratix III系列芯片，利用算法级设计工具DSP_Builder进行设计、仿真及硬件实现。

所述下变频器与控制器进行数据传输，并通过控制器对下变频器进行参数配置。

所述CIC滤波器可采用非递归、多相分解的结构。

所述FIR滤波器是基于LUT乘法器实现的，FIR滤波器采用改进型LUT架构实现乘法器。

所述数据处理包括解调、抽取、滤波等。

磁共振信号经过A/D转换器采样，采样数据送至下变频器解调、抽取、滤波后输出。

与现有技术相比，本实用新型的优点为：

本实用新型利用FPGA设计实现数字下变频器，极大缩减了硬件体积，提高了集成度，且设计采用算法级工具DSP_Builder缩短了DSP(数字信号处理)设计周期。CIC滤波器采用非递归、多相分解结构比传统Hogenaur结构更节省功耗，节约硬件资源。当变换抽取速率时，可关闭冗余抽取电路工作，进一步节省功耗。FIR滤波器基于LUT乘法器设计实现，采用对APC(反对称乘法编码)改进后的方法，从而优化滤波器的吞吐量、功耗及其所产生的延时。本实用新型结构紧凑，灵活可靠，可通过控制器改变滤波系数和抽取因子，具有可重构性强，满足多类别核磁共振仪接收模块的参数要求。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构框图。

图2为本实用新型实施例的原理图。

图3为本实用新型下变频器的CIC滤波器的原理图。

具体实施方式

参见图1～3，本实用新型实施例设有A/D转换器1、下变频器2和控制器3；所述A/D转换器1和下变频器2相连，所述下变频器设有数字控制振荡器(NCO)21、正交混频器22、CIC滤波器23和FIR滤波器24；A/D转换器1的输入端接收磁共振模拟信号A，A/D转换器1用于将输入端接收到的磁共振模拟信号A转换为数字信号，A/D转换器1的信号数字输出端接下变频器2的输入端，下变频器2用于对A/D转换器1的采样数据数据处理，下变频器2与控制器3连接进行数据传输，并通过控制器3对下变频器2参数配置。

所述A/D转换器可采用型号为AD9245的模数转换器。

所述下变频器可采用可编程FPGA芯片实现，所述FPGA芯片采用Altera的Stratix III系列芯片，利用算法级设计工具DSP_Builder进行设计、仿真及硬件实现。

所述下变频器与控制器进行数据传输，并通过控制器对下变频器进行参数配置。

所述CIC滤波器可采用非递归、多相分解的结构。

所述FIR滤波器是基于LUT乘法器实现的，FIR滤波器采用改进型LUT架构实现乘法器。

所述数据处理包括解调、抽取、滤波等。

磁共振信号经过A/D转换器采样，采样数据送至下变频器解调、抽取、滤波后输出。

所述核磁共振接收器包括A/D转换器和下变频器。

基于磁共振仪器系统要求，所述A/D转换器采用AD9245实现。AD9245是一款单芯片、14位、采样率为65MSPS的模数转换器(ADC)，内置一个高性能采样保持放大器(SHA)和基准电压源，适用于通信、成像和医疗超声等应用。A/D转换器可将接收到的磁共振模拟信号无失真的转换为数字信号，输出至后级下变频器进行数据处理，A/D转换器与FPGA时钟保持同步。

控制器与下变频器进行并行通信，实现对控制器的参数配置，包括：数字控制振荡器频率、相位、抽取因子、滤波器参数等。

参见图2，磁共振信号由A/D转换器采样后，数据送至FPGA，在其内部下变频器进行解调、抽取降速、滤波及与控制器通信。

本实用新型的核心是FPGA芯片，主要负责磁共振信号的数字下变频。下变频器由数字控制振荡器、正交混频器、CIC滤波器、FIR滤波器构成。

所述数字控制振荡器中，频率控制字在相位累加器中累加得到某一时刻的相位，为节约FPGA资源降低工程成本，截取满足系统所需的相位值，产生特定频率的两个相互正交的信号，可以通过控制器灵活的改变信号的频率和相位。

所述正交混频器包含两个乘法器，输入的中频信号与数字控制振荡器产生的两个相互正交的信号相乘，产生I、Q两路正交信号。

参见图3，所述CIC滤波器包含由延时器和加法器构成的基本积分器、微分器，积分器和微分器采用非递归、多相分解结构实现抽取滤波。传统CIC滤波器的Hogenaur结构中，积分器和微分器采用级联结构，滤波器处理的字长会因其累加作用变长，由字长增长定理可知，工作在高采样频率的积分器占用的资源远大于降低采样频率后的微分器，非递归结构通过减少每一级字长对此进行优化。然而上述设计会导致资源消耗过多，利用多相分解原理，将Hogenaur结构分解为偶数倍降频和奇数倍降频多相分解电路，可以解决资源消耗问题。将非递归、多相分解结合起来实现CIC滤波器面积和功耗的优化。抽取因子可以通过控制器灵活的配置。

所述FIR滤波器是基于LUT乘法器设计实现的FIR滤波器。将预先的乘法运算结果存放在LUT中，用作为地址查找相对应的LUT的数据，从而实现乘法器。本实用新型先基于APC-LUT方法对LUT压缩，从而实现乘法器的面积和延时优化。采用APC-LUT乘法器时，LUT存放的数据有正有负，在此基础上采用改进型LUT方法，使LUT中存放的数据均是正数，这样避免因输入数据频率较大而产生很大的动态功耗。滤波系数可以通过控制器灵活的配置。

以下结合实施例对本实用新型做进一步详细说明，具体工作流程如下：

步骤一：系统上电后，FPGA内部的控制器单元对数字控制振荡器、CIC滤波器、FIR滤波器进行参数配置，包括：频率、相位、抽取因子、滤波系数等。

步骤二：通过线圈采集的磁共振信号传输至A/D转换器，在相应的时序控制下对信号进行采样及模数转换。

步骤三：由数字控制振荡器的32位的频率控制字和16位的相位控制字产生频率为21.3MHZ、14位的两个相互正交的信号。

步骤三：经过模数转换后的信号送至FPGA，与数字控制振荡器模块生成的中频信号进行混频实现数字解调，生成I、Q两路正交的基带信号。

步骤四：I、Q两路数据送至依次连接的CIC滤波器、FIR滤波器进行抽取降速、滤波。其中CIC滤波器实现64倍数据抽取，相比传统Hogenaur结构节约了功耗和硬件资源；相比于APC-LUT实现的FIR滤波器，改进后的滤波器在面积和功耗方面有明显的改善。

步骤五：将下变频器处理的数据传输至FPGA内部控制器做后续信号传输处理。