专利名称：一体化的磁共振数字接收机的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁共振的测量装置或仪器类，具体的讲是涉及一种核磁共振与核四极共振仪器的接收装置。
背景技术：
在核磁共振与核四极共振谱仪系统中，接收机起着放大和采集磁共振信号的作用，其性能影响了磁共振谱的信噪比。通常，磁共振谱仪采用传统的模拟接收系统，由于其中的模拟正交检波器参考信号很难做到完全正交，并且被测信号由两路放大器分别采集和放大，它们的增益也很难做到完全一致，所以在实际应用中不能完全消除磁共振谱图中的镜像峰，虽然，这种镜像峰可用相位循环技术克服，但是增加了实验时间。在中国专利申请号00128169.0的发明专利申请公开说明书公开的一种数字化核磁共振接收装置，该装置存在以下不足1、数字接收机系统不够完整，仅包含数字下变频及ADC单元，不能构成完整的宽带接收系统，要实现宽频带信号测量，还需在该系统以外添加复杂的宽带变频电路；2、使用功能单一的分立集成电路模块，成本高、体积大；3、采用了整数数字抽取滤波技术，只能得到离散的谱宽，不能根据核磁实验的要求精确地调整谱宽；以上因素决定了这些系统仍不能很好地满足现代磁共振技术的需要。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足之处，为现代磁共振谱仪系统提供一种一体化、宽带、使用灵活、方便实用的磁共振数字接收机。
本发明目的实现由以下技术方案完成一种磁共振数字接收机，主要是由宽带低噪声放大器(Low NoiseAmplifier，LNA)、混频器(Local Oscillator，LO)、高速且高精度的模数转换器(ADC)以及正交数字下变频器(Digital Down Converter，DDC)构成，其中输入的磁共振信号首先到低噪声前置放大器，然后进入混频器，再经模数转换器，最后进入正交数字下变频器。
在上述的接收机的结构中还可以包含有连续增益可调的放大器(VariableGain Amplifier，VGA)以及反折叠滤波器(Anti-alias Filter，AAF)。
混频器中的本振信号源采用的是直接数字频率合成器(Direct DigitalSynthesizer，DDS)。
所述的模数转换器指的是具有16位或以上的高精度的模数转换器。
所述的数字下变频器包含数字乘法器、数字四阶梳状滤波器、数字可调抽取率的滤波器。
所述的模数转换器和数字下变频器采用直接数字频率合成器(DDS)作为采样时钟。
上述的接收机结构组成采用了系统芯片System on Chip(SOC)技术，将所有必要部件集成在一块芯片上。
磁共振信号输入到宽带低噪声放大器进行放大，然后进入混频器得到中频信号，然后通过反折叠滤波器(AAF)把混在中频信号里有可能折叠进模数转换器(ADC)的谐波分量滤除后，送入连续增益可调的放大器(VGA)对数字中频信号再进行放大，经放大调理后再由模数转换器(ADC)进行直接中频采样，最后由正交数字下变频器(DDC)完成检波得到磁共振信号。
为了使本发明更加完整便于宽频带应用，克服以前数字接收机的缺点，本发明采用了直接数字频率合成技术(Direct Digital Synthesizer)作为数字接收机本地振荡器的宽带信号源。目前，商用信号源(如Programmed TestSources，PTS)因为价格昂贵体积庞大，不能有效降低核磁共振谱仪的成本，而锁相环(Phase Lock Loop，PLL)技术又因为其相对窄的带宽和较长的切换时间，也不能满足宽带核磁共振接收系统的需求，但是使用DDS技术却能很好地解决这些问题。
本发明使用的DDS能够产生宽带高分辨的正弦信号，同时DDS具有非常快的切换时间。采用DDS技术，除了具有降低生产成本、宽带、切换速度快等优点外，还消除了使用锁相环技术引入的相位噪声，同时，使用了DDS作为本振信号源，使本装置实现了完整的一体化数字接受机系统，只需外加一个同步信号就可满足核磁共振信号相位相干累加的要求。
在核磁共振实验中，核磁信号的谱宽要根据样品的实际情况加以调整，以满足实验的需求。通常，由于数字接收机采用整数抽取滤波的方法来处理数字中频信号，所以其谱宽表达式可以写成SW＝fs/Nde，其中fs为ADC和抽取滤波器的采样时钟，Nde为数字抽取滤波器的抽取倍数。从上式可知由于Nde只能取整数，通常fs保持不变，得到的核磁共振谱宽也只能是离散的。为了克服这个困难，我们使用了一片DDS作为接收机ADC和数字滤波器的采样时钟。这样fs能够以微赫兹精度变化。本发明的基本思路是，利用Nde来粗调谱宽SW，再由fs来细调SW。虽然仍使用整数抽取滤波的方法，但是可以通过DDS微调接收机ADC和数字滤波器的采样时钟来实现高精度的谱宽调节、输出，满足现代核磁共振实验的需求。
本发明的优点是作为一个完整的、独立的数字接收机系统，使用十分简便、灵活，采用了一体化设计思路，生产成本低，实现了连续谱宽的精确输出，提高了整个系统的可靠性，具有非常快速的数据传输能力，可以和谱仪系统的其他部件如数字化信号源、脉冲序列发生器等协同工作，还可以作为相控阵接收机，多路同时采样。
附图概述附
图1为本发明应用实物示意图；附图2为本发明结构示意图；附图3为本发明应用结构示意图；附图4为本发明FPGA内部逻辑框图；具体技术方案以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解如图1-4所示，标号1-9为数字接收机核心(1)、接收机核心的本地振荡器(2)、接收机核心的采样时钟(3)、D外部参考时钟输入(4)、专用的PCI桥(5)、FPGA(6)、板上静态内存(7)(8)、核磁共振信号输入(9)。
整个接收机系统工作主要由SOC接收机核心以及直接数字频率合成器(DDS)、现场可编程门陈列(Field Programmable Gate Array，FPGA)、周边器件互联总线(Peripheral Component Interconnect，PCI)、静态高速内存(SRAM)等组合完成。
接收机核心部分主要包括宽带低噪声放大器(LNA)、混频器(LO)、高速16位精度模数转换器(ADC)以及正交数字下变频器(DDC)，其中数字下变频器包含数字乘法器、数字四阶梳状滤波器、数字可调抽取率的滤波器。接收机核心部分集成在一块芯片上对于接收机核心，首先，从探头输出的磁共振信号可以用一级低噪声前置放大器进行预放大以提高检测灵敏度，亦可直接输入该接收机芯片，再经芯片内部的LNA放大后，输入到混频器，得到解调后的数字中频信号；然后，三阶反折叠滤波器(AAF)把混在中频信号里有可能折叠进ADC的谐波分量滤除后送入VGA对数字中频信号再进行放大，通过VGA对中频信号进行调理后，用高速16位精度ADC进行采样，这样可以达到约95dB的动态范围；最后，使用DDC对其进行抽取滤波得到基带核磁共振信号。由于上述所有接收机的必要部件如LNA，VGA，LO，高速ADC，数字下变频器都集成到一块芯片上，只需少量外围无源器件，从而大大简化了设计，实现了一体化设计，并且具有相当大的带宽范围。
为了实现接收机的一体化和完整性，本实施例采用了DDS作为整个接收系统的本地振荡器的信号源，从DDS输出的射频信号(0-135MHz)，直接输入到数字接收机芯片的本振，在DDS输出端上也可以加非线性电路，对输出的信号做倍频和选频，以便实现更高的频率。
在整个接收机系统中，还采用了另一片DDS作为ADC和数字滤波器的采样时钟，采用DDS技术微调数字接收机核心的采样时钟，这样就实现了对于磁共振谱图谱宽的精确调节。
为了使此数字接收机系统更加灵活，提高可靠性、降低生产成本，本实施例使用了现场可编程门陈列(FPGA)作为接收基带信号的控制器，作为板上的总控芯片，它的作用是可以设置采样点数、启动数据采样、把采样数据存到板上的静态内存(SRAM)。当它接受到启动采样信号时，就启动采样，每接收一组正交的磁共振信号，计数器就加一，直到计数器中的数值等于预设的采样点数值为止，同时产生采样结束信号通知主机。另外，FPGA还负责接收机在数据采样时对总线的管理。考虑到有可能应用到核磁共振成像相控阵接收系统中，所以在FPGA中预留了多路相控阵的触发线。
要开始进行采样时，主机预先通过PCI总线设置采样点数、谱宽以及接收机的其他参数，然后启动采样，采样结束，FPGA使用中断或者标志位通知主机，然后主机通过PCI总线读取得到的磁共振数据。
在核磁共振快速成像中，为了实时传送核磁共振信号给主机，需要有非常快速的总线。在本例中，我们使用了周边器件互连总线(PCI桥)作为数据传送的快速通道，这里使用了专用的PCI桥芯片，来完成这一功能。PCI总线是目前在很多工业控制计算机和家用计算机普遍广泛采用的总线方式，此数字接收机采用PCI总线可以在最大程度地扩展应用范围，同时也降低了整个谱仪的生产成本，使用PCI总线还可以与核磁共振谱仪的其他部件如(数字化频率源，脉冲序列发生器，多路数字接收机)并行工作。
权利要求
1.一种磁共振数字接收机，其特征在于该接收机主要是由宽带低噪声放大器、混频器、高速且高精度的模数转换器以及正交数字下变频器构成，其中输入的磁共振信号首先到低噪声前置放大器，然后进入混频器，再经模数转换器，最后进入正交数字下变频器。
2.根据权利要求1所述的一种磁共振数字接收机，其特征在于在所述的接收机的结构中还包含有连续增益可调的放大器以及反折叠滤波器。
3.根据权利要求1所述的一种磁共振数字接收机，其特征在于所述的混频器中的本振信号源采用的是直接数字频率合成器。
4.根据权利要求1所述的一种磁共振数字接收机，其特征在于所述的高速且高精度的模数转换器指的是具有16位或以上的高精度的模数转换器。
5.根据权利要求1所述的一种磁共振数字接收机，其特征在于所述的数字下变频器包含数字乘法器、四阶梳状滤波器、可调抽取率的滤波器和数字滤波器。
6.根据权利要求1、4或5所述的一种一体化核磁共振数字接收机，其特征在于所述的模数转换器和数字下变频器采用直接数字频率合成器作为采样时钟。
7.根据权利要求1、2、3、4、或5所述的一种磁共振数字接收机，其特征在于所述的接收机的所有必要部件均被集成在一块芯片上。
全文摘要
本发明涉及磁共振的测量装置或仪器类，具体的讲是涉及一种核磁共振与核四极共振仪器的接收装置，该装置主要由宽带低噪声放大器、混频器、高速且高精度的模数转换器以及正交数字下变频器构成，输入的磁共振信号首先到低噪声前置放大器，然后进入混频器，再经模数转换器，最后进入正交数字下变频器，其优点是使用简便、灵活，采用了一体化设计思路，生产成本低，实现了连续谱宽的精确输出，提高了整个系统的可靠性，具有非常快速的数据传输能力。
文档编号H04L29/00GK1489297SQ0315045
公开日2004年4月14日 申请日期2003年8月20日 优先权日2003年8月20日
发明者徐勤, 沈杰, 蒋瑜, 李鲠颖, 徐 勤 申请人:华东师范大学