基于软件无线电技术的核磁共振控制台设计

2015-05-04赵健

数字技术与应用 2014年12期

赵健

摘要：本文主要介绍了软件无线电技术，核磁共振控制台设计技术，重点是基于软件无线电技术的核磁共振控制台设计，早期由于电子技术发展的限制，采用的是模拟控制台技术，设计繁复，涉及的器件太多，整机调试难度大，核磁共振谱生成的速度慢，准确性低，稳定性差，该核磁共振控制台在仪器中的应用提高了系统的灵活性、可靠性，降低了系统的成本。

关键词：核磁共振软件无线电控制台

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）12-0019-01

1 引言

核磁共振仪器主要由控制台系统，磁体系统，探头系统，软件系统构成。其中，核磁共振控制台系统是仪器的核心部件之一，早期由于电子技术发展的限制，采用的是模拟控制台技术，设计繁复，涉及的器件太多，整机调试难度大，核磁共振谱生成的速度慢，准确性低，稳定性差。而采用超外差式和直接数字频率合成芯片的数字控制台，成本高昂，整体不够灵活。本文提出基于软件无线电技术的核磁共振控制台设计，整体具有灵活可靠，成本低的显著特点。

2 软件无线电技术简介

软件无线电技术的概念来自于无线电通信领域。核心理念是把硬件作为无线通信的基本平台，而把尽可能多的无线及个人通信功能用软件实现。软件无线电技术首先诞生于军事上的应用，由于其优良的特点，软件无线电技术很快渗透到民用的无线移动通信领域。

本文提出把软件无线电的思想移植到核磁共振控制台系统的设计之中，采用简化的标准的硬件系统，运用数字信号处理软件技术，模块化的硬件结构增加了系统的灵活性和可靠性。

3 核磁共振控制台设计

核磁共振控制台主要由DSP、FPGA、DDS、功分器、混频器、功放器、双工器、前放器、数字中频接收器构成。核磁共振控制台系统框图如图1。

DSP采用TI公司的TMS320C6713处理器，工作最高时钟可达300MHz，处理能力达到2400MIPS。外部扩展64Mb的FLASH，用于存储DSP运行代码和大量非易失性数据。而且还扩展了128Mb的SDRAM，用于外部存储临时性数据，DSP主要用于核磁共振控制台系统的数字信号处理。FPGA采用ALTERA公司的EP2C70F672C8，DSP与FPGA通过总线形式连接。FPGA扩展了256Kb的EEPROM，8Mb的SRAM，并通过以太网接口控制LAN91C111集成电路实现100M以太网接口用于核磁共振谱数据上传。

FPGA采用并行控制机制，内部脉冲序列控制FPGA本身时序产生。主要用于控制外部DDS和数字中频接收器，FPGA系统通过IO控制DDS频率发生器，产生一路中频信号和一路本振信号。中频信号首先进入混频器。另外一路本振信号经过功分器后，分解为两路本振信号，其中一路本振信号与中频信号一起进入混频器合成射频信号，射频信号经过功放器进行功率放大，然后进入双工器切换进入探头。从探头返回的射频FID信号通过双工器切换进入前放器进行初级放大，初级放大后的射频FID信号与另外一路本振信号进入混频器，解调出中频信号，中频信号进入数字中频接收器，数字中频接收器进行中频信号的直接采集，数字正交检波，数字滤波后进入FPGA系统，其中数字中频接收器采用AD6655，数字接收中频信号为20MHz时，采样精度是14位，信号采集的最大带宽可达3.3MHz（4K点）。

DDS频率发生器采用AD9959集成电路，射频发射频率可从2KHz-125MHz，射频接收带宽最高可达12.5MHz，能够进行4种相位调制（0°，90°，180°，270°）。功分器采用PSC-2-1，混频器采用TAK-1H+，功放器采用N146-4757A，双工器采用N120-2067G，前放器采用N141-304AB。核磁共振控制台整机采用模块化的设计方式。

核磁共振控制台系统测试指标：

频率范围：2KHz-125MHz；

90度脉冲相位变换精度小于100ns；

脉冲上升时间小于50ns；

正常条件下1Vpp输出；

80MHz数字频率，动态范围可达14位；

带宽：20MHz；

数字滤波器和数字积分检测；

66dB可变增益，总增益大于80dB（不包括前置放大器）；

快速接收恢复时间，小于1微妙。

4 结语

利用软件无线电技术的设计思想，研究设计的核磁共振控制台装置。通过DSP和FPGA高端处理器配置，控制模块化的底层硬件，非常适合核磁共振仪器的系统集成。发挥了系统的各自优势，增强了系统的设计灵活性和可靠性。