用于强磁场核磁共振的具有高速调制特征的射频信号源的制作方法

本发明涉及强磁场核磁共振信号源领域，具体是一种用于强磁场核磁共振的具有高速调制特征的射频信号源。

背景技术：

现代核磁共振实验均采用脉冲方式进行。脉冲核磁共振实验首先利用具有相位调制的高功率射频脉冲激励样品中的原子核系统，使核子系统发生能级翻转；然后撤去脉冲激励，在几个微秒时间内探测原子核系统恢复到平衡态所释放出的射频能量，并利用下变频技术以及锁相技术，实现对核磁共振信号的高信噪比采集。由于原子核的旋磁比较小（其中旋磁比最大的1h原子核，数值为42.5759mhz/t）,因此，核磁共振谱仪系统的工作频率处于射频段，一般为几百兆赫兹至1ghz范围（依赖于磁场强度以及所研究原子核），且频率精确可调。

对于脉冲核磁共振谱仪而言，射频脉冲宽度一般为几微秒到十几微秒不等，且要求脉冲间隔中不能有任何的功率输出，这就要求谱仪具有非常快速的射频开关速度（一般要求小于1微秒）。在强磁场下的凝聚态物质物性研究中，一方面由于强关联电子材料中原子核的纵向驰豫时间很短（小于1毫秒），另一方面由于磁场均匀度不高（约50ppm/dsv），核磁共振谱线远远宽于通常意义上的基于超导磁体上的生物核磁共振。为了实现对宽谱线的有效探测，强磁场凝聚态核磁共振实验一般采用较短的射频脉冲激励（<3us）以获得更大的频谱覆盖范围。

为了获得更好的信噪比，强磁场核磁共振技术需要在高功率射频激励后尽早实现对核磁共振信号的探测，但高q值的探测回路中往往会残留激励过后的剩余功率（即所谓“振铃”现象）。为了排除这一干扰，脉冲核磁共振需要对不同的脉冲进行相位“编码”，通过相位循环的方式使“振铃”噪声相干相消，而本征的核磁共振信号相干相长。这一探测方式必然要求核磁共振谱仪具有快速相位调制功能。

基于上述分析，应用于强磁场下凝聚态物质物性研究的脉冲核磁共振谱仪系统必须具有频率范围、快速开关特征以及高速相位调制特性三个特点，一般单个射频信号源无法同时满足上述要求。传统的核磁共振谱仪系统为了实现上述功能往往采用2-3个射频源进行混频、滤波方式实现。首先，一个具有固定频率的信号源通过90度移相器、180度移相器来实现四个（0度、90度、180度以及360度）相位；然后，利用另一个具有大范围频率可调特性的信号源与之进行混频、滤波以实现原子核在特定磁场下所需的一定频率值的射频激励。由于混频器件的射频隔离度、交调作用明显，混频的过程中经常在某些特定的频率出现非常强烈的谐波干扰，因此基于该构造的谱仪的射频激励部分一般会增设第三个高频射频源使中频频率提高，以改善出射射频脉冲的频率纯净度，但谐波干扰依然存在，无法彻底根除。

通过多路混频产生射频激励脉冲的方式，一方面造价高（需要2-3个射频源）；另一方面效果并不理想，对于很多高精度的核磁共振实验测量干扰较大（主要是射频谐波干扰）。近些年来，逐渐有核磁共振相关商业公司采用直接信号合成（dds）的方式来构造核磁共振谱仪系统，但是受限于商业公司所采用的dds芯片的时钟频率（最高400mhz），目前基于dds研发的用于核磁共振的信号源只是用于低磁场下的教学或一般检测用的核磁共振谱仪系统中。这些谱仪系统的最高频率一般都在125mhz之下，与高磁场下质子的核磁共振频率差别非常大（25tesla磁场对应频率约1ghz），根本无法应用于强磁场下的凝聚态核磁共振实验。

技术实现要素：
本发明的目的是提供是一种用于强磁场核磁共振的具有高速调制特征的射频信号源，以解决现有技术基于dds的核磁共振谱仪系统仅能产生低频信号作为核磁共振激励源的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

用于强磁场核磁共振的具有高速调制特征的射频信号源，其特征在于：包括高频时钟信号源、计算机、现场可编程门阵列，以及具有多个profile寄存器的直接信号合成器，其中：

高频时钟信号源产生高频正弦时钟信号，高频时钟信号源的信号输出脚与直接信号合成器的时钟信号输入脚连接，高频时钟信号源产生的高频正弦时钟信号送入直接信号合成器，直接信号合成器以高频正弦时钟信号作为自身系统时钟；

计算机中设定脉冲序列信息，计算机通过串口或网口与现场可编程门阵列的串口或网口对应连接，计算机设定的脉冲序列信息送入现场可编程门阵列；

现场可编程门阵列将输入的脉冲序列信息编译为对应的调节字，现场可编程门阵列的数据输出脚与直接信号合成器的数据输入脚连接，由现场可编程门阵列通过数据输出脚将调节字送入直接信号合成器，以完成对直接信号合成器中各个profile寄存器的预配置；同时现场可编程门阵列的ttl电平输出脚与直接信号合成器的profile选通脚连接，由现场可编程门阵列通过ttl电平输出脚输出电平信号以选通调用直接信号合成器中的任意一个profile寄存器；直接信号合成器中被选通调用的profile寄存器基于预配置的调节字和自身系统时钟产生强磁场核磁共振所需的脉冲序列，并由直接信号合成器的信号输出脚输出脉冲序列。

所述的用于强磁场核磁共振的具有高速调制特征的射频信号源，其特征在于：所述的高频时钟信号源包括晶振、锁相环模块，晶振的信号输出脚与锁相环模块的信号输入脚连接，锁相环模块的信号输出脚与直接信号合成器的时钟信号输入脚连接，晶振产生稳定纯净的正弦振荡信号送入至锁相环模块，锁相环模块对正弦振荡信号倍频后得到高频正弦时钟信号并送入直接信号合成器。

所述的用于强磁场核磁共振的具有高速调制特征的射频信号源，其特征在于：所述的晶振产生频率为10mhz的正弦振荡信号，锁相环模块将正弦振荡信号频率倍频至3500mhz，最终得到频率为3500mhz的高频正弦时钟信号。

所述的用于强磁场核磁共振的具有高速调制特征的射频信号源，其特征在于：所述的计算机中设定的脉冲序列信息至少包括脉冲序列的频率、相位、幅度，现场可编程门阵列将频率、相位、幅度分别编译为对应的调节字。

所述的用于强磁场核磁共振的具有高速调制特征的射频信号源，其特征在于：所述的现场可编程门阵列基于自身板载sdram芯片实现对脉冲序列信息的编译。

所述的用于强磁场核磁共振的具有高速调制特征的射频信号源，其特征在于：所述的直接信号合成器采用型号为ad9914的直接数字频率合成器，直接数字频率合成器工作于profile模式，其具有八个profile寄存器，同时直接数字频率合成器具有三个profile选通脚。

所述的用于强磁场核磁共振的具有高速调制特征的射频信号源，其特征在于：所述的现场可编程门阵列一一对应输出三位ttl电平至直接数字频率合成器的三个profile选通脚，以实现选通调用任意一个profile寄存器。

本发明利用analogdevice公司最新推出的ad9914芯片的profile模式，通过现场可编程门阵列实现计算机对ad9914芯片中8个profile寄存器的预先配置；然后通过同一片可编程门阵列及其板载的sdram芯片编译核磁共振脉冲序列，通过ad9914芯片的三个profile选通脚，实现对任一profile寄存器配置下的射频输出的调用。利用该方式，能够实现以下参数，满足强磁场核磁共振实验系统需求：

（1）、频率范围：1mhz-1.4ghz，对应磁场强度高至32.88tesla强磁场；频率分辨率为32位，最小频率步进值低于1hz。

（2）、相位调制：相位调制范围为0-360度，调制切换时间低于300纳秒，相位调制分辨率为16位，可控相位误差为0.005度。

（3）、射频开关速度：通过对8个profile的预配置（幅度预配置），在现场可编程门阵列的控制下可实现脉冲宽度低至0.1us的脉冲输出。

（4）、射频纯净度：窄带无杂散动态范围优于-60dbc。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明利用现场可编程门阵列实现计算机对高速直接信号合成芯片的预先配置，并利用同一片现场可编程门阵列芯片实现对核磁共振脉冲序列的编译，通过选通不同的profile寄存器实现宽频率范围内的高速幅度、相位调制的射频脉冲输出。与传统核磁共振谱仪中的设计相比，该发明具有结构简单易行、造价低廉、射频纯净度高的优势。具体来说：

（1）、简单易行：本发明所述信号源仅利用一片高性能直接信号合成器芯片，配合简单的外围电路即可实现宽频率范围内产生强磁场核磁共振所需高速调制的射频脉冲。

（2）、造价低廉：本发明所述信号源模块结构简单，芯片数目少，其中最重要的直接信号合成芯片仅人民币1400元/片；现场可编程门阵列芯片及外围电路仅240元/片；整个信号源造价低于人民币5000元，与采用多信号源混频滤波相比，造价大大降低，且获得了更好的性能。

（3）、射频纯净度高：与多个信号源混频、滤波相比，本发明信号源直接利用数字方式，利用直接信号合成器产生具有相位、脉冲宽度调制的射频脉冲，在1mhz-1ghz范围内无明显杂散与谐波信号，窄带无杂散动态范围优于-60dbc。与传统的混频方式在某些整数频率上具有的谐波干扰相比，信号的频谱纯净度高。

（4）、频率范围大，可产生1ghz频率之上的正弦信号：本发明采用了analogdevice公司最新推出的目前业界最高时钟频率的dds芯片——ad9914，其最高时钟频率为3.5ghz，对应最高输出正弦波的频率为1.4ghz。本发明通过外置的锁相环将10mhz时钟频率倍频至3.5ghz为ad9914提供高稳定度、高信噪比的时钟信号，从而产生1mhz-1.4ghz宽频率范围的高信噪比的正弦信号，用于产生核磁共振激励所需的高频射频脉冲。

附图说明

图1是本发明结构原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，用于强磁场核磁共振的具有高速调制特征的射频信号源，其特征在于：包括高频时钟信号源、计算机、现场可编程门阵列，以及具有多个profile寄存器的直接信号合成器，其中：

高频时钟信号源adf4113产生3.5ghz高频正弦时钟信号，高频时钟信号源的信号输出端与直接信号合成器ad9914的时钟信号输入脚连接，直接信号合成器ad9914以高频正弦时钟信号作为自身系统时钟；

计算机中设定脉冲序列信息，计算机通过串口或网口与现场可编程门阵列spartan6的串口或网口对应连接，计算机设定的脉冲序列信息送入现场可编程门阵列spartan6；

现场可编程门阵列spartan6将输入的脉冲序列信息编译为对应的调节字，现场可编程门阵列的数据输出脚（任选3个io输出端）与直接信号合成器的串行数据输入脚20、串行时钟输入脚21、片选信号输入脚22以及寄存器更新信号输入脚86连接，由现场可编程门阵列通过数据输出脚将调节字送入直接信号合成器，以完成对直接信号合成器中各个profile寄存器的预配置；同时现场可编程门阵列spartan6的ttl电平输出脚（任选3个io输出端）与直接信号合成器ad9914的profile选通脚（25、26、27引脚）连接，由现场可编程门阵列spartan6通过ttl电平输出脚输出电平信号以选通调用直接信号合成器中的任意一个profile寄存器；直接信号合成器ad9914中被选通调用的profile寄存器基于预配置的调节字和自身系统时钟产生强磁场核磁共振所需的脉冲序列，并由直接信号合成器ad9914的信号输出脚（41、42脚）经差分变输出后输出脉冲序列，以激励强磁场核磁共振中原子核系统产生粒子布居数翻转。

高频时钟信号源包括晶振、锁相环adf4113模块，晶振的信号输出脚与锁相环模块的参考信号输入脚8连接，锁相环模块的信号输出脚与直接信号合成器的时钟信号输入脚连接，晶振产生稳定纯净的正弦振荡信号送入至锁相环模块，锁相环模块对正弦振荡信号倍频后得到高频正弦时钟信号并送入直接信号合成器。

晶振产生频率为10mhz的正弦振荡信号，锁相环模块将正弦振荡信号频率倍频至3500mhz，最终得到频率为3500mhz的高频正弦时钟信号。

计算机中设定的脉冲序列信息至少包括脉冲序列的频率、相位、幅度，现场可编程门阵列将频率、相位、幅度分别编译为对应的调节字。

现场可编程门阵列spartan6基于自身板载sdram芯片hy57v2562gtr实现对脉冲序列信息的编译。

本发明通过设置上述部件以及连接、控制方式，以最简单、直接、高效的方式实现了宽频率范围内相位、幅度、脉冲宽度可精确调整的核磁共振所需射频脉冲发生器。其高精度、高速以及宽频率范围特征非常适合强磁场下的核磁共振谱仪系统。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。