專利名稱：一種核磁共振譜儀接收機(jī)數(shù)字抽取濾波器的同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于核磁共振譜儀數(shù)字信號處理領(lǐng)域，更具體涉及一種核磁共振譜儀接 收機(jī)數(shù)字抽取濾波器的同步方法，這種方法應(yīng)用于核磁共振譜儀接收機(jī)中，不僅適用于 AD6620 (Analog Device公司)這一種特定型號的數(shù)字下變頻芯片中數(shù)字抽取濾波器的同 步，也適用于與AD6620結(jié)構(gòu)和功能類似的芯片比如GC5016 (美國德州儀器公司)或者基于 FPGA實(shí)現(xiàn)的與AD6620功能相似的數(shù)字濾波器的同步。
背景技術(shù)：
脈沖傅立葉變換核磁共振譜儀用射頻脈沖激發(fā)被檢測樣品的核磁共振信號，信號 檢測的流程為由外部觸發(fā)信號啟動觀測通道發(fā)射機(jī)的脈沖序列生成器，發(fā)射機(jī)會發(fā)射一 個射頻脈沖序列，當(dāng)脈沖序列發(fā)射完畢以后發(fā)射機(jī)停止工作，等待下一次外部觸發(fā)信號；接 收機(jī)在觀測通道發(fā)射機(jī)發(fā)射完最后一個脈沖之后，再等待一段確定的時間(dead time，死 時間，通常為幾十微秒)開始對核磁共振信號進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集時間的起點(diǎn)是死時間的 結(jié)束時刻，數(shù)據(jù)采集時間長度由實(shí)驗參數(shù)決定，這段時間叫做采樣時間。新一代的核磁共振 譜儀接收機(jī)常采用數(shù)字中頻接收機(jī)的結(jié)構(gòu)，其信號處理方式為用ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)對中頻 信號進(jìn)行采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后再將數(shù)字信號送到數(shù)字下變頻芯片進(jìn)行 數(shù)字混頻，混頻之后的信號再通過數(shù)字低通濾波器進(jìn)行濾波，減小信號的帶寬，然后再將濾 波之后的數(shù)據(jù)送到數(shù)字抽取器進(jìn)行抽取，得到最終所需FID (自由感應(yīng)衰減)數(shù)據(jù)。數(shù)字中 頻接收機(jī)的ADC、數(shù)字下變頻芯片的工作時鐘頻率相同，時鐘周期為T，數(shù)字下變頻芯片的 控制由FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)完成。數(shù)字下變頻芯片實(shí)現(xiàn)兩個功能數(shù)字混頻和數(shù)字 抽取濾波，常用的數(shù)字下變頻芯片在完成配置工作之后進(jìn)入自由工作狀態(tài)，它不能區(qū)分輸 入數(shù)據(jù)是有效數(shù)據(jù)還是無效數(shù)據(jù)，將對輸入信號不加區(qū)分的進(jìn)行處理。數(shù)字濾波器與數(shù)字 抽取器共同構(gòu)成數(shù)字抽取濾波器，抽取率為N的抽取濾波器，輸出數(shù)據(jù)的速率等于輸入數(shù) 據(jù)速率的1/N，存在N種可能的抽取時刻。在采樣時間里接收機(jī)對數(shù)字抽取濾波器的輸出 數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，如果采樣的開始時間與抽取濾波器的抽取時間間隔是隨機(jī)的，那么采集到 的第一個數(shù)據(jù)點(diǎn)與采樣開始時刻有N種可能，這種現(xiàn)象會影響多次采樣的數(shù)據(jù)之間的相關(guān) 性。對與使用DSP (數(shù)字信號處理)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字抽取濾波器，可以通過編程的方法區(qū)分 輸入數(shù)據(jù)是有效數(shù)據(jù)還是無效數(shù)據(jù)，可以從第一個有效數(shù)據(jù)開始對數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取濾波，因 而不會產(chǎn)生采樣時刻的抖動。針對專用數(shù)字下變頻芯片實(shí)現(xiàn)的抽取濾波器，有兩種方法，一 種是不改變采樣起始時刻與抽取時刻的隨機(jī)關(guān)系，而是通過計時器記錄采樣開始時間與采 樣開始后抽取濾波器輸出的第一個數(shù)據(jù)的時間間隔，然后通過軟件計算的方法將該隨機(jī)時 間間隔的影響消除，這種方法存在計算復(fù)雜的缺點(diǎn)，而且不能完全消除這種隨機(jī)影響；另外 一種方法是在確定的時刻對數(shù)字抽取濾波器進(jìn)行同步，這種方法實(shí)現(xiàn)簡單，但是同步時刻 的選擇對實(shí)驗結(jié)果的影響比較大，尚未有公開文獻(xiàn)指出何時對數(shù)字濾波器進(jìn)行同步。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提出了一種核磁共振譜儀接收機(jī)數(shù)字抽取濾波器的同步方法，這種方法使用FPGA控制AD6620的工作。這種方法實(shí)現(xiàn)簡單、靈活，只需要用一個同步脈 沖作用于數(shù)字抽取濾波器就可以使濾波器的狀態(tài)得到復(fù)位，同步脈沖的產(chǎn)生時刻可以方便 地調(diào)整，同步脈沖的寬度可以靈活的改變，同步脈沖與AD6620的系統(tǒng)時鐘相關(guān)，不會因為 在不同時鐘域之間過渡引起同步的不準(zhǔn)確。這種方法的適用范圍廣，可用于AD6620、GC5016 等多種型號的數(shù)字下變頻芯片，也可以用于基于FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)字下變頻模塊。用這種方法 對核磁譜儀接收機(jī)中的數(shù)字抽取濾波器進(jìn)行同步，采集到的FID數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性不會受 到影響，主要表現(xiàn)在使用相同的譜寬進(jìn)行采樣時，接收機(jī)采集到的第一個數(shù)據(jù)點(diǎn)與接收機(jī) 采樣控制信號的之間的時間間隔恒定，消除了采樣抖動。一種核磁共振譜儀接收機(jī)數(shù)字抽取濾波器的同步方法，其步驟是A、設(shè)置芯片(AD6620)中的配置參數(shù)使之進(jìn)入數(shù)字下變頻工作狀態(tài)中，芯片 (AD6620)工作在接受外部同步(Sync Slave)狀態(tài)，芯片(AD6620)的數(shù)字抽取濾波器同步 引腳與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的引腳相連，現(xiàn)場可編程門陣列的引腳輸出低電平，此時 濾波器沒有被同步，處于自由運(yùn)行的狀態(tài)。所述的芯片為AD6620或GC5016或現(xiàn)場可編程 門陣列(現(xiàn)場可編程門陣列實(shí)現(xiàn)與AD6620結(jié)構(gòu)和功能相似的數(shù)字濾波器)，這些芯片是數(shù) 字下變頻芯片，都具有數(shù)字抽取濾波器同步的功能。B、在觸發(fā)信號之后，再經(jīng)過一段時間(一般為0. 01秒到10分鐘之間，比較特殊情 況也可以超過這個范圍，達(dá)到幾十分鐘，甚至更長)Tf，現(xiàn)場可編程門陣列的引腳輸出高電 平信號，持續(xù)一段時間(通常為1個時鐘周期到10個時鐘周期)Tc后現(xiàn)場可編程門陣列的 引腳都輸出低電平信號，其中Tf = Ta-Tb-TC，Ta為觀測通道發(fā)射機(jī)的最后一個射頻脈沖結(jié) 束時刻與觸發(fā)信號之間的時間間隔，Ta長度等于N個時鐘周期，N的值由核磁共振實(shí)驗的參 數(shù)決定，Tb為數(shù)字抽取濾波器的從同步到正常工作的時間間隔，Tb長度為M個時鐘周期，M 的值由濾波器的特性決定，Tc等于L個時鐘周期，L的值由數(shù)字濾波器從同步信號有效到完 成同步所需的時鐘周期個數(shù)決定。芯片(AD6620)中的數(shù)字抽取濾波器在現(xiàn)場可編程門陣 列的引腳為高電平期間被同步，之后進(jìn)入自由運(yùn)行狀態(tài)。C、對落在采樣時間Td中的對數(shù)字抽取濾波器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，作為一次采 樣得到的自由感應(yīng)衰減(FID)數(shù)據(jù)。用這種方法對核磁譜儀接收機(jī)中的數(shù)字抽取濾波器進(jìn)行同步，接收機(jī)采集到的 FID數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性不會受到影響。各個信號之間的時序如圖1所示。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)效果1)實(shí)現(xiàn)方式簡單。FPGA中有豐富的邏輯單元，可以很方便實(shí)現(xiàn)述步驟所描述的方法。2)適用面廣，可用于多種型號的數(shù)字抽取濾波器芯片。3)與不對濾波器同步的方案相比第一個采樣點(diǎn)采樣時刻更加準(zhǔn)確。在適用數(shù)字抽 取濾波器的接收機(jī)中，如果抽取率是100，不對濾波器同步時，第一個采樣點(diǎn)與采樣控制信 號之間的時間間隔會隨機(jī)的分布在0個時鐘周期到99個時鐘周期之間，使用本發(fā)明中的同 步方法后第一個采樣點(diǎn)與采樣控制信號之間的時間間隔是0到99之間的一個確定值，沒有抖動。4)這種同步方法符合核磁共振實(shí)驗需求。例如使用該方法之后進(jìn)行90°脈沖寬 度測量實(shí)驗，測得的數(shù)據(jù)以陣列顯示時，每次采樣數(shù)據(jù)之間的相位一致，結(jié)果如圖2所示， 未使用該方法時，每次采樣之間的相位不一致；使用該方法之后進(jìn)行累加實(shí)驗信號的強(qiáng)度 與累加次數(shù)之間的線性度好，結(jié)果如圖3所示。圖4和圖5為對兩次采樣測量圖片，可以看 到兩次采樣中接收機(jī)的第一個采樣點(diǎn)與采樣門控信號之間的時間間隔高度一致。


圖1為同步信號與發(fā)射機(jī)脈沖序列，接收機(jī)控制信號之間的時序關(guān)系。A為觸發(fā)信 號，B為發(fā)射機(jī)脈沖序列，C為接收機(jī)采樣門控，D為接收機(jī)數(shù)字濾波器同步信號，E為數(shù)字 濾波器輸出數(shù)據(jù)有效指示信號。圖2為使用該同步方法后進(jìn)行90度脈寬測量實(shí)驗的實(shí)驗結(jié)果。圖3為使用該方法之后進(jìn)行累加實(shí)驗的結(jié)果。
圖4為接收機(jī)的第一個采樣點(diǎn)與接收機(jī)采樣門控信號之間的時間間隔進(jìn)行第一 次測量，時間間隔為1. 73微秒。圖5為接收機(jī)的第一個采樣點(diǎn)與接收機(jī)采樣門控信號之間的時間間隔進(jìn)行第二 次測量，時間間隔為1. 73微秒。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 一種核磁共振譜儀接收機(jī)數(shù)字抽取濾波器的同步方法，以單脈沖累加實(shí)驗進(jìn)行實(shí) 施其步驟是A、使用AD6620作為數(shù)字下變頻芯片，時鐘頻率為50MHz，設(shè)置其數(shù)字濾波器的參 數(shù)，使輸出數(shù)據(jù)的速率為25kHz，AD6620工作在Sync Slave狀態(tài)，芯片的SYNC_CIC，SYNC_ RCF引腳分別與FPGA(Cyclone III EP3C40Q240C8)的127號引腳、128號引腳相連(127號 引腳、128號引腳是FPGA的普通輸入輸出引腳，可以用這兩個引腳控制AD6620)，F(xiàn)PGA的兩 個引腳輸出低電平，此時濾波器沒有被同步，處于自由運(yùn)行的狀態(tài)。B、觀測通道發(fā)射機(jī)的最后一個射頻脈沖結(jié)束時刻與觸發(fā)信號之間的時間間隔3 秒(3秒由實(shí)驗參數(shù)決定)。在觸發(fā)信號之后2. 9989999秒(這個時間由實(shí)驗參數(shù)以及芯片 AD6620中的數(shù)字抽取濾波器共同決定)時刻FPGA的127號引腳，128號引腳都輸出高電平 信號，持續(xù)1個時鐘周期(芯片AD6620要求同步信號至少持續(xù)1個時鐘周期)后FPGA的 127號引腳、128號引腳都輸出低電平信號。AD6620中的CIC濾波器與RCF濾波器在FPGA 的127號引腳、128號引腳為高電平期間被同步，之后進(jìn)入自由運(yùn)行狀態(tài)。C、接收機(jī)在觸發(fā)信號后的3. 00003秒到4. 00003秒的時間段內(nèi)(這一段時間由實(shí) 驗參數(shù)決定)對AD6620輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，作為一次采樣得到的FID數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
一種核磁共振譜儀接收機(jī)數(shù)字抽取濾波器的同步方法，其步驟是A、設(shè)置芯片中的配置參數(shù)使之進(jìn)入數(shù)字下變頻工作狀態(tài)中，芯片工作在接受外部同步狀態(tài)，芯片的數(shù)字抽取濾波器同步引腳與現(xiàn)場可編程門陣列的引腳相連，現(xiàn)場可編程門陣列的引腳輸出低電平，此時濾波器沒有被同步，處于自由運(yùn)行的狀態(tài)；B、在觸發(fā)信號之后，再經(jīng)過一段時間Tf，現(xiàn)場可編程門陣列的引腳輸出高電平信號，持續(xù)一段時間Tc后現(xiàn)場可編程門陣列的引腳輸出低電平信號，其中Tf＝Ta-Tb-Tc，Ta為觀測通道發(fā)射機(jī)的最后一個射頻脈沖結(jié)束時刻與觸發(fā)信號之間的時間間隔，Ta長度等于N個時鐘周期，N的值由核磁共振實(shí)驗的參數(shù)決定，Tb為數(shù)字抽取濾波器的從同步到正常工作的時間間隔，Tb長度為M個時鐘周期，M的值由濾波器的特性決定，Tc等于L個時鐘周期，L的值由數(shù)字濾波器從同步信號有效到完成同步所需的時鐘周期個數(shù)決定，芯片中的數(shù)字抽取濾波器在現(xiàn)場可編程門陣列的引腳為高電平期間被同步，之后進(jìn)入自由運(yùn)行狀態(tài)；C、對落在采樣時間Td中的數(shù)字抽取濾波器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，作為一次采樣得到的自由感應(yīng)衰減數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種核磁共振譜儀接收機(jī)數(shù)字抽取濾波器的同步方法，其特 征在于所述的芯片為AD6620或GC5016或現(xiàn)場可編程門陣列，它實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻功能，具 有數(shù)字抽取濾波器同步功能。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種核磁共振譜儀接收機(jī)數(shù)字抽取濾波器的同步方法，其步驟是A、設(shè)置芯片的配置參數(shù)使之進(jìn)入數(shù)字下變頻工作狀態(tài)中，在接受外部同步狀態(tài)，芯片的數(shù)字抽取濾波器同步引腳與現(xiàn)場可編程門陣列的引腳相連，現(xiàn)場可編程門陣列的引腳輸出低電平，芯片處于自由運(yùn)行的狀態(tài)；B、在觸發(fā)信號之后，再經(jīng)過一段時間，引腳輸出高電平信號，持續(xù)一段時間后引腳輸出低電平信號，芯片中的數(shù)字抽取濾波器在引腳為高電平期間被同步，進(jìn)入自由運(yùn)行狀態(tài)；C、對落在采樣時間中的對數(shù)字抽取濾波器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，采樣得到的自由感應(yīng)衰減數(shù)據(jù)。方法簡單，適用面廣，采樣點(diǎn)采樣時刻更加準(zhǔn)確，符合核磁共振實(shí)驗需求。
文檔編號H04L7/08GK101820338SQ20101013709
公開日2010年9月1日 申請日期2010年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月30日
發(fā)明者劉朝陽, 胡鵬 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所