趙健

摘要：本文主要介紹了軟件無線電技術，核磁共振控制臺設計技術，重點是基于軟件無線電技術的核磁共振控制臺設計，早期由于電子技術發(fā)展的限制，采用的是模擬控制臺技術，設計繁復，涉及的器件太多，整機調(diào)試難度大，核磁共振譜生成的速度慢，準確性低，穩(wěn)定性差，該核磁共振控制臺在儀器中的應用提高了系統(tǒng)的靈活性、可靠性，降低了系統(tǒng)的成本。

關鍵詞：核磁共振 軟件無線電 控制臺

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）12-0019-01

1 引言

核磁共振儀器主要由控制臺系統(tǒng)，磁體系統(tǒng)，探頭系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)構成。其中，核磁共振控制臺系統(tǒng)是儀器的核心部件之一，早期由于電子技術發(fā)展的限制，采用的是模擬控制臺技術，設計繁復，涉及的器件太多，整機調(diào)試難度大，核磁共振譜生成的速度慢，準確性低，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，成本高昂，整體不夠靈活。本文提出基于軟件無線電技術的核磁共振控制臺設計，整體具有靈活可靠，成本低的顯著特點。

2 軟件無線電技術簡介

軟件無線電技術的概念來自于無線電通信領域。核心理念是把硬件作為無線通信的基本平臺，而把盡可能多的無線及個人通信功能用軟件實現(xiàn)。軟件無線電技術首先誕生于軍事上的應用，由于其優(yōu)良的特點，軟件無線電技術很快滲透到民用的無線移動通信領域。

本文提出把軟件無線電的思想移植到核磁共振控制臺系統(tǒng)的設計之中，采用簡化的標準的硬件系統(tǒng)，運用數(shù)字信號處理軟件技術，模塊化的硬件結構增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

3 核磁共振控制臺設計

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

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

FPGA采用并行控制機制，內(nèi)部脈沖序列控制FPGA本身時序產(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IO控制DDS頻率發(fā)生器，產(chǎn)生一路中頻信號和一路本振信號。中頻信號首先進入混頻器。另外一路本振信號經(jīng)過功分器后，分解為兩路本振信號，其中一路本振信號與中頻信號一起進入混頻器合成射頻信號，射頻信號經(jīng)過功放器進行功率放大，然后進入雙工器切換進入探頭。從探頭返回的射頻FID信號通過雙工器切換進入前放器進行初級放大，初級放大后的射頻FID信號與另外一路本振信號進入混頻器，解調(diào)出中頻信號，中頻信號進入數(shù)字中頻接收器，數(shù)字中頻接收器進行中頻信號的直接采集，數(shù)字正交檢波，數(shù)字濾波后進入FPGA系統(tǒng)，其中數(shù)字中頻接收器采用AD6655，數(shù)字接收中頻信號為20MHz時，采樣精度是14位，信號采集的最大帶寬可達3.3MHz（4K點）。

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12.5MHz，能夠進行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。核磁共振控制臺整機采用模塊化的設計方式。

核磁共振控制臺系統(tǒng)測試指標：

頻率范圍：2KHz-125MHz；

90度脈沖相位變換精度小于100ns；

脈沖上升時間小于50ns；

正常條件下1Vpp輸出；

80MHz數(shù)字頻率，動態(tài)范圍可達14位；

帶寬：20MHz；

數(shù)字濾波器和數(shù)字積分檢測；

66dB可變增益，總增益大于80dB（不包括前置放大器）；

快速接收恢復時間，小于1微妙。

4 結語

利用軟件無線電技術的設計思想，研究設計的核磁共振控制臺裝置。通過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，增強了系統(tǒng)的設計靈活性和可靠性。

參考文獻

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