基于軟件無(wú)線電技術(shù)的核磁共振控制臺(tái)設(shè)計(jì)

趙健

摘要：本文主要介紹了軟件無(wú)線電技術(shù)，核磁共振控制臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)，重點(diǎn)是基于軟件無(wú)線電技術(shù)的核磁共振控制臺(tái)設(shè)計(jì)，早期由于電子技術(shù)發(fā)展的限制，采用的是模擬控制臺(tái)技術(shù)，設(shè)計(jì)繁復(fù)，涉及的器件太多，整機(jī)調(diào)試難度大，核磁共振譜生成的速度慢，準(zhǔn)確性低，穩(wěn)定性差，該核磁共振控制臺(tái)在儀器中的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的靈活性、可靠性，降低了系統(tǒng)的成本。

關(guān)鍵詞：核磁共振 軟件無(wú)線電 控制臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）12-0019-01

1 引言

核磁共振儀器主要由控制臺(tái)系統(tǒng)，磁體系統(tǒng)，探頭系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)構(gòu)成。其中，核磁共振控制臺(tái)系統(tǒng)是儀器的核心部件之一，早期由于電子技術(shù)發(fā)展的限制，采用的是模擬控制臺(tái)技術(shù)，設(shè)計(jì)繁復(fù)，涉及的器件太多，整機(jī)調(diào)試難度大，核磁共振譜生成的速度慢，準(zhǔn)確性低，穩(wěn)定性差。而采用超外差式和直接數(shù)字頻率合成芯片的數(shù)字控制臺(tái)，成本高昂，整體不夠靈活。本文提出基于軟件無(wú)線電技術(shù)的核磁共振控制臺(tái)設(shè)計(jì)，整體具有靈活可靠，成本低的顯著特點(diǎn)。

2 軟件無(wú)線電技術(shù)簡(jiǎn)介

軟件無(wú)線電技術(shù)的概念來(lái)自于無(wú)線電通信領(lǐng)域。核心理念是把硬件作為無(wú)線通信的基本平臺(tái)，而把盡可能多的無(wú)線及個(gè)人通信功能用軟件實(shí)現(xiàn)。軟件無(wú)線電技術(shù)首先誕生于軍事上的應(yīng)用，由于其優(yōu)良的特點(diǎn)，軟件無(wú)線電技術(shù)很快滲透到民用的無(wú)線移動(dòng)通信領(lǐng)域。

本文提出把軟件無(wú)線電的思想移植到核磁共振控制臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之中，采用簡(jiǎn)化的標(biāo)準(zhǔn)的硬件系統(tǒng)，運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理軟件技術(shù)，模塊化的硬件結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

3 核磁共振控制臺(tái)設(shè)計(jì)

核磁共振控制臺(tái)主要由DSP、FPGA、DDS、功分器、混頻器、功放器、雙工器、前放器、數(shù)字中頻接收器構(gòu)成。核磁共振控制臺(tái)系統(tǒng)框圖如圖1。

DSP采用TI公司的TMS320C6713處理器，工作最高時(shí)鐘可達(dá)300MHz，處理能力達(dá)到2400MIPS。外部擴(kuò)展64Mb的FLASH，用于存儲(chǔ)DSP運(yùn)行代碼和大量非易失性數(shù)據(jù)。而且還擴(kuò)展了128Mb的SDRAM，用于外部存儲(chǔ)臨時(shí)性數(shù)據(jù)，DSP主要用于核磁共振控制臺(tái)系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理。FPGA采用ALTERA公司的EP2C70F672C8，DSP與FPGA通過(guò)總線形式連接。FPGA擴(kuò)展了256Kb的EEPROM，8Mb的SRAM，并通過(guò)以太網(wǎng)接口控制LAN91C111集成電路實(shí)現(xiàn)100M以太網(wǎng)接口用于核磁共振譜數(shù)據(jù)上傳。

FPGA采用并行控制機(jī)制，內(nèi)部脈沖序列控制FPGA本身時(shí)序產(chǎn)生。主要用于控制外部DDS和數(shù)字中頻接收器，F(xiàn)PGA系統(tǒng)通過(guò)IO控制DDS頻率發(fā)生器，產(chǎn)生一路中頻信號(hào)和一路本振信號(hào)。中頻信號(hào)首先進(jìn)入混頻器。另外一路本振信號(hào)經(jīng)過(guò)功分器后，分解為兩路本振信號(hào)，其中一路本振信號(hào)與中頻信號(hào)一起進(jìn)入混頻器合成射頻信號(hào)，射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)功放器進(jìn)行功率放大，然后進(jìn)入雙工器切換進(jìn)入探頭。從探頭返回的射頻FID信號(hào)通過(guò)雙工器切換進(jìn)入前放器進(jìn)行初級(jí)放大，初級(jí)放大后的射頻FID信號(hào)與另外一路本振信號(hào)進(jìn)入混頻器，解調(diào)出中頻信號(hào)，中頻信號(hào)進(jìn)入數(shù)字中頻接收器，數(shù)字中頻接收器進(jìn)行中頻信號(hào)的直接采集，數(shù)字正交檢波，數(shù)字濾波后進(jìn)入FPGA系統(tǒng)，其中數(shù)字中頻接收器采用AD6655，數(shù)字接收中頻信號(hào)為20MHz時(shí)，采樣精度是14位，信號(hào)采集的最大帶寬可達(dá)3.3MHz（4K點(diǎn)）。

DDS頻率發(fā)生器采用AD9959集成電路，射頻發(fā)射頻率可從2KHz-125MHz，射頻接收帶寬最高可達(dá)12.5MHz，能夠進(jìn)行4種相位調(diào)制（0°，90°，180°，270°）。功分器采用PSC-2-1，混頻器采用TAK-1H+，功放器采用N146-4757A，雙工器采用N120-2067G，前放器采用N141-304AB。核磁共振控制臺(tái)整機(jī)采用模塊化的設(shè)計(jì)方式。

核磁共振控制臺(tái)系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)：

頻率范圍：2KHz-125MHz；

90度脈沖相位變換精度小于100ns；

脈沖上升時(shí)間小于50ns；

正常條件下1Vpp輸出；

80MHz數(shù)字頻率，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)14位；

帶寬：20MHz；

數(shù)字濾波器和數(shù)字積分檢測(cè)；

66dB可變?cè)鲆?，總增益大?0dB（不包括前置放大器）；

快速接收恢復(fù)時(shí)間，小于1微妙。

4 結(jié)語(yǔ)

利用軟件無(wú)線電技術(shù)的設(shè)計(jì)思想，研究設(shè)計(jì)的核磁共振控制臺(tái)裝置。通過(guò)DSP和FPGA高端處理器配置，控制模塊化的底層硬件，非常適合核磁共振儀器的系統(tǒng)集成。發(fā)揮了系統(tǒng)的各自優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)靈活性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

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