基于System Generator的射频直接带通采样MRI信号接收方法

基于System Generator的射频直接带通采样MRI信号

接收方法

刘 颖*，范书斐，宋明辉，章浩伟

【摘 要】本文将软件无线电技术应用于磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）信号接收，提出了射频直接带通采样MRI信号接收的方法．基于此接收方法设计了一种MRI信号数字解调方法，该方法利用Xilinx公司推出的数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）设计开发工具——System Generator实现，同时设计验证了能够灵活实现数字下变频（Digital Down Conversion，DDC）功能的DDC系统．仿真与实验平台均验证了该接收方法的正确性和有效性． 【期刊名称】波谱学杂志 【年(卷),期】2019(036)003 【总页数】10

【关键词】带通采样；数字下变频；磁共振信号；抽取滤波 【文献来源】

https://www.zhangqiaokeyan.com/academic-journal-cn_chinese-journal-magnetic-

resonance_thesis/0201272775353.html

引 言

在磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）谱仪设计中，最关键的就是MRI信号接收系统的设计，接收机用于对射频前端输出的微弱MRI信号进行放大和采集．早期的接收系统设计采用模拟信号直接正交解调的方式，由于模拟器件的差异性而导致正交分量与同向分量数据两路正交通道不匹配，使磁共振图像出现镜像伪影[1]．随着数字信息化时代的到来，MRI信号经过模

数转换器（Analog-Digital Converter，ADC）进行模数转换后在数字域中实现正交解调，从而避免伪影的产生，同时也大大简化了谱仪接收机的结构，降低了成本．因此数字化的接收系统设计方案成为主要的发展方向．

现有的磁共振接收系统中对数字信号的正交检波与抽取滤波通常由集成好的商用数字下变频（Digital Down Conversion，DDC）芯片实现，但应用不够灵活．可采取自由定制的数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）方案增强系统的灵活性．MRI信号是高频窄带信号，它的接收信号在射频范围内，所以利用软件无线电（Software Radio，SR）方法[2]，对整个信号的接收采取软件编程的方式来实现MRI信号处理，可提高接收系统的移植性与通用性． 借鉴SR技术，本文提出了一种数字化的射频直接带通采样信号接收方法，直接在信号射频段进行带通采样，将模拟信号转换成数字信号．通过软件编程的方式，解决了传统超外差式接收机只能处理窄带信号，并且需要将模拟信号混频到中频后进行采样再做DDC来获取基带信号的缺陷．同时此方法也简化了接收机硬件结构，降低ADC的采样速率、减少了抽取滤波的步骤，并且降低了DSP芯片的信号处理负担与其他性能要求，为MRI信号高速处理奠定了基础．

1 射频直接带通采样接收原理

根据Nyquist采样定理可知，采样频率大于模拟信号最高频率2倍以上，就可以将采样后的离散信号还原为原始的模拟信号．但由于一些高场MRI系统的工作频率达到几十兆或者几百兆，显然现有的ADC指标受到了限制，同时也超出了DDC系统和数字滤波器的能力．因而可以用带通采样技术[3]，对原始信号进行一系列变频处理，再用数字滤波器将延展的信号频谱滤除，剩余原始信

号频谱．通过设置合理的采样频率，可以使信号准确无误的还原为原始信号．本文设计的MRI信号射频直接带通采样接收方法主要由射频信号前置放大器、抗混叠滤波器、ADC、DDC以及内存模块组成，其设计框图如图1所示． 1.1 带通采样技术

Nyquist低通采样定理只针对频谱分布在上的信号采样问题进行讨论，若带宽为B的带通信号，其频率分布在上，根据Nyquist低通采样定理[4]，采样频率时，频谱不发生混叠，并且可以无失真的恢复原信号．但是当信号的最高频率很高时，采样频率也随之很高，这便给ADC制造和系统后续的DSP带来很大困难．如果带通信号的带宽不大，就可以用比Nyquist采样率更低的速率来采样，这就是带通采样．

带通采样技术在窄带高频接收系统中有广泛的应用．图2是一个高频窄带信号的频谱，横坐标为信号带宽的倍数，纵坐标为信号大小．如图2所示，信号频谱包括正负双边频谱[5]，而以采样频率对该信号进行均匀采样使得信号频谱发生以为周期的重复和移位．

图3为图2信号经过采样后的信号频谱变化，其中黑色部分为原信号频谱，白色部分为正频谱分量进行以为周期平移的频谱，斜线阴影部分为负频谱分量以为周期进行平移后得到的结果．由平移结果发现，频谱范围在[1.5B，2.5B]的信号，经过采样后并没有发生频谱混叠．由此得出，一个带通信号H(t)，其频带限制为，带宽为，如果其采样速率满足以下关系： (2) (3)

(1)~(3)式中n取大于等于1的整数．则选取合适的n得到，就可以采用最低的