基于DSP 的磁共振成像数字接收系统设计

赵茹砚,孙秉鹤,肖 亮*

（北京化工大学，北京，100029）

0 引言

在核磁共振成像（MRI）系统中，数据接收系统担任着将射频输出前端的数据进行放大和采集的任务，其性能的好坏直接影响成像的质量。早期的接收系统通过模拟正交解调的方式实现，由于不能完全正交解调，会导致图像出现伪影。在数字域中对磁共振信号进行正交检波、抽取滤波，可以避免伪影的产生。近些年来，为了提高成像的速度，多通道线圈逐渐用在谱仪的设计中，多通道的数字接收设计就成为了谱仪接收系统的发展趋势。

为了解决磁共振信号直接采样的困难，现在普遍采用数字下变频技术，将接收到的信号转换到较低频率，再用模数转换器进行采样。在现有的磁共振接收系统中，主要结合处理器与商用的DDC 芯片，使系统内部的本振信号发生、正交检波、滤波处理等全部实现数字化。

本文提出了一种基于DSP 的磁共振成像数字接收系统的设计。负责4 个通道射频信号的采样和数字解调，得到的I/Q 数据在一定的时序控制下，经采集数据共享存储区传送至DSP 内部的USB模块实现和PC 机之间的数据通信。采用商用的DDC 芯片AD6620实现数字解调，对A/D 转换后的数据进行混频，通过滤波--抽取将数据流率从50MHz 降低到所设定的数据输出流率，从而得到I、Q 数据。最后通过实验验证该接收系统设计的可行性。

1 硬件设计

本文所提出的磁共振成像数字接收系统主要由DSP 和数据采集模块组成，具体结构如图1 所示。

图1 数字接收系统结构框图Fig.1 Block diagram of Digital receiving system

DSP 完成对数字解调芯片的配置，读出数字解调芯片输出的I/Q 解调数据，并将数据上传给PC 机。采用TI 公司的TMS320VC5509A 作为控制核心，该DSP 指令周期为10 ns，拥有128 K×16 bit 片上RAM。 DSP 通过本地总线连接数据采集模块，通过指令控制数据采集模块中的FPGA 和数字解调器，对信号进行处理。DSP 内部集成的USB 模块，支持USB1.1 通信协议，全速可达12Mbps，利用批量传输模式完成数据传输。

数据采集模块将人体产生的射频调制信号，即模拟信号进行数字化处理，通过使用A/D 完成信号的采集，将其转化为16-bit表示的数字信号，并将其送入到数字解调芯片中，进行数字正交解调。

图2 数字接收系统工作流程图Fig.2 Work flow chart of Digital receiving system

FPGA 选择使用Altera 公司的EP2C8Q208，该芯片集成了8256 个逻辑单元，18 个硬件乘法器，36 个M4K 的片内RAM 块，2 个锁相环。数字解调器（DDC）采用AD6620，其单通道输入实时数据流率达65MSPS；数字本振的频率精度和相位精度分别为32Bit 和16Bit；输出解调I、Q 数据字长16Bit。

AD6620 的解调方案，包括滤波器设计与抽取系数的分配，对于图像质量有较大的影响。AD 公司提供了AD6620 的设计软件，同时也可采用Matlab 进行仿真设计，最终的方案由实际的磁共振成像实验决定。

2 数字接收与控制程序

通过对DSP 的编程，以及对DDC 器件参数的设置，实现射频信号的频率回绕，是射频接收的核心技术，同时也是谱仪研制中的一个关键性问题，其在很大程度上决定成像的质量（消除图像伪影与直流）。

AD6620 提供了8 个外部寄存器，用以完成DSP 对AD6620 的配置，并且读取I/Q 解调数据。DSP 控制数据采集模块的程序流程如图2 所示。

在序列运行之前，DSP 对AD6620 进行相应的配置，参数包括：频率、相位、数据抽取率、滤波器参数等。来自前放的射频信号，经过可控增益放大与滤波送至A/D，A/D 在时钟的控制下对其进行采样，采样数据送至AD6620，经数字解调后输出I、Q 数据。序列运行时，DSP 控制FPGA，启动数据采集。FPGA 按照一定控制时序，将来自AD6620 的I、Q 数据按照一定顺序存入双端口SRAM 中。最终通过USB 将数据传递给PC 机。

3 实验结果与讨论

实验中使用信号源模拟磁共振射频调制信号，完成DSP 对数据采集模块的功能验证。原子核射频调制频率满足拉莫进动频率，并且由公式（1）可得：

其中：，B 为主磁场强度。本设计采用主磁场强度为0.5T，其得到的拉莫进动频率为，调幅信号载波频率21.3MHz。信号源的输出信号为21.301MHz 的连续的正弦波，峰-峰值为500mV，本设计采用泰克的信号源作为数据采集模块的数据源，以验证DSP 是否能正常控制数据采集模块。ADC 采用AD9460 高速A/D 转换芯片，峰值采样速率为105MSPS，满足奈奎斯特采样定理。DSP 通过配置数据采集模块中的AD6620 的NCO，使其为21.3MHz；梳状抽取滤波器对调制信号进行数据抽取，降低数据量；RCF 滤波器进行抗混叠处理。如图3 所示，信号源输出连续的正弦信号为21.301MHz，并且其峰-峰值为500mV，则通过AD6620 下变频后得到的信号频率为1KHz的正弦波，通过I/Q 正交解调后的输出信号，在MATLAB 进行处理后的波形如图4 所示。

图3 信号源输出频率为21.301MHz 的正弦信号，峰-峰为500mVFig.3 The signal source output sine signal, its frequency is 21.301MHz, and Vp-p is 500mV

图4 MATLAB 处理后的信号Fig.4 The output ware is processed by MATLAB

为了进一步验证DSP 对数据采集模块控制的正确性，利用信号源产生一个调幅信号，其载波频率为21.3MHz，调制信号为频率2KHz、峰-峰值500mV 的方波信号，其示波器输出波形如图5所示；经数字解调后，其AD6620 的NCO 频率为21.3MHz，输出的I/Q 数据利用MATLAB 进行仿真后得到的波形如图6 所示。

图5 信号源输出的载波为21.3MHz 的正弦信号，调整信号为2KHz 方波的调幅信号Fig.5 Amplitude modulation signal of the signal source, the carrier frequency of which is 21.3MHz, the modulated signal frequency is square wave of 2KHz

图6 MATLAB 处理后的调制信号Fig.6 The modulated signal is processed by MATLAB

4 结论

本文设计的数字接收系统采用了数字信号处理器（DSP）和数字下变频处理芯片（DDC），使用了DSP 内置的USB 模块实现网络通信功能，使得整个系统的硬件设计进一步简化。在性能方面，DSP 的时间分辨率达到10ns，提高了整个系统的工作时序。实验验证了系统的可行性。

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