（电机与电器专业论文）低场脉冲核磁共振信号数字接收平台的分析与研究.pdf

a b s t r a c t t h e p e r f o r m a n c e o fs i g n a l r e c e p t i o n c i r c u i ti s o n eo ft h e k e y f a c t o r sf o rt h e r e a l i z a t i o no fl o w f i e l dn m r ( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ) s i g n a l s b e c a u s eo f l o wf i e l d s t r e n g t h ，t h en m rs i g n a li sq u i t ew e a k a n di so f p o o rs n r ( s i g n a lt on o i s er a t i o ) w i t ha v i e wt ot h i s ，ad i g i t a lr e c e i v e rf o rn u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c ei sd e s c r i b e di nt h i sa r t i c l e i th a sa s p e c i a ld e s i g nb a s e d o i lt h ec h a r a c t e r so fl o w - f i e l dn m r t h ef u n c t i o nb l o c k so ft h el o wf i e l dn m rc i r c u i ts y s t e ma r ea n a l y z e da tf i r s t t h e d e t a i lf r a m ec h a r to f r e c e p t i o nc i r c u i ti sg i v e n a no p t i m i z ed e s i g ni s e s t a b l i s ht ov e r i f y c o r r e s p o n d i n gp r o b l e m s s e c o n d l y ad i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e dr fp u l s em o d u l e ，an u m e r i c a l l yc o n t r o l l e d l o g i cm o d u l ea n dah i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o nf o rn m r r e c e i v e ra r ed e s c r i b e di nt h i s a r t i c l e t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sg i v e ni nd e t a i l t h ep h a s ea n df r e q u e n c y o f p u l s eg o t t e nf o r mt h i ss y s t e mi s o fh i g hp r e c i s i o na n dg o o ds t a b i l i t y a d v a n t a g e so f t h e s em o d u l ei n c l u d eh i g hd y n a m i cr a n g ea n dp e r f e c tb a l a n c eb e t w e e nt h eq u a d r a t u r e c h a n n e l s i nv i e wo ft h ew e a ks i g n a la n di t sp o o rs n r ，s e v e r a ls c h e m e so f d i g i t a lq u a d r a t u r e d e t e c t i o na r ed e s c r i b e di nd e t a i l d y n a m i cs i m u l a t i o n sa r em a d ef o rt h ea n a l y s i so ft h e s t a t e s t h ec h a r a c t e r sa r eg i v e na f t e rd i s c u s s i o n sa n d c o m p a r i s o n s f i n a l l y ，e r r o ri n t h ed i g i t a l p r o c e s s i n gi sa n a l y z e d t h es i m p l i f i e da n a l y s i sm o d e l a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r e g i v e n k e y w o r d ：l o wf i e l dn u c l e a r m a g n e t i cr e s o n a n c e ，d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e dr fp u l s e d i g i t a lq u a d r a t u r ed e t e c t i o n ， e r r o ra n a l y s i s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 低场脉冲核磁共振系统概述 1 ) 低场脉冲核磁共振技术及特点 所谓核磁共振就是处于某个静磁场中物质的核( 多数情况下针对1 h 核) 自 旋系统在受到相应拉莫尔频率( l a r m o r 频率) 的射频场作用时，在它们的能级 之间发生的共振跃迁现象。在射频脉冲磁场施加以前，自旋系统处于平衡状态， 宏观磁化矢量方向与静磁场方向相同；射频脉冲磁场作用期问，磁化矢量被扳转 偏离静磁场方向：射频脉冲场作用结束，磁化矢量将通过弛豫作用回到平衡状态。 在此期间，如果在垂直于静磁场的方向放置一个检测线圈，根据电磁感应原理， 即可以观测到核磁共振产生的感应信号。核磁共振仪器正是利用这一原理，通过 对获得的自由感应衰减( f i d - f r e ei n d u c t i o nd e l a y ) 信号进行分析处理，得到 被测样品的特征参数。 | i 藻一一 v v 一一 t 图卜l 核磁共振原理简图 核磁共振技术分为商场、中场、低场三种。高场、中场核磁共振技术由于应 用较早，理论和技术手段都已比较成熟，在化学、生物医学等多个方面都已得到 广泛应用。低场脉冲核磁共振技术由于理论尚不完善，技术上实现起来难度较大。 直到近年随着电磁场技术、电子技术和计算机技术的高速发展针对1 h 核的低 场脉冲核磁共振才得以实现但还不成熟。由于富含氢原子的液体( 石油、水) 和气 体( 天然气) 中氢核受激发后产生的核磁共振信号，这种技术般应用于食品化 工行业、地质方面的地下水、天然气、石油等物质的勘探和堤坝的管涌检测等。 第一章绪论 。 。一。矿 。铲，i，。、中薯万高场i e ，低场、 + 一活体磁场一一地磁场一工业用磁场 图1 - 2 磁场的划分 从学术角度来看，普通的核磁共振系统静磁场场强较高，核磁共振信号较强， 信噪比也比较高，所以电路上比较容易实现；而低场脉冲核磁共振系统应用环境 恶劣，通常为野外或地下，受到外部的干扰很大。因此，低场脉冲核磁共振系统 的工程实现比常规核磁共振系统要困难得多。 2 ) 低场脉冲核磁共振系统概述 核磁菇振系统一般可以分为核磁共振( n m r n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ) 信号的观测部分和磁场部分“。 n m r 信号观测部分包括探头、射频发射单元、信号接收单元、控制单元、计 算机和解释软件等。工作原理是射频振荡器产生射频振荡，由发射门脉冲调制成 射频脉冲信号，然后再经过射频功率放大器放大变成强而短的射频功率脉冲加到 探头中的射频线圈上。当发生核磁共振时，在接收线圈中就会感应出一个被调制 的射频振荡。这个射频振荡经过接收门加到前置放大器中进行放大。为了避免发 射机的功率泄漏到接收机中，当发射机工作时，接收机断开：当接收机工作时， 发射机断开，这就是所谓的分时接收。信号经过射频放大后通过低通滤波器进行 滤波，由相敏检波器进行检波，经过模数转换器变成数字信号后上载到计算机， 再进行数据的后处理。 磁场部分有磁源，恒温单元和稳定磁场单元。磁源一般采用永磁体、电磁甚 至环境磁场( 如地磁等) ，磁体与样品的位置关系往往是样品包围磁体或样品在 磁体侧面，恒温单元和稳定磁场单元作用是提高静磁场强度短期和长期的稳定 性，从而提高信号的可重复性。 1 2 低场脉冲核磁共振技术的现实意义 在食品化工行业中，针对水的检测和监控是大量的。由于水中富含氢原子， 而氢原子的磁共振信号最容易捕获。所以，利用低场磁共振的技术特点，可以方 第一章绪论 便的实现食品化工行业要求的在线无损检测【3 l 。它具有反应时间快，无破坏性， 成本低、使用方便等优点，例如： 在油料含油、含水量检测方面，用传统分析法检测含油量需十几小时，检测 含水量需几小时，重复性差、误差大，给产品生产和质量监控带来极大的困 难；利用磁共振技术，将探头可直接放在生产线上，实时监测，具有可重复 性，无破坏性等特点，可极大提高生产率。 在农副产品的质量监测方面，可利用低场磁共振技术对贮存或运输的粮食、 水果等产品的含水量进行实时监测，防止发生霉变，造成损失。 在建筑施工方面，可以通过低场磁共振技术对水泥、混凝土的水分含量、凝 结硬度等质量进行及时检测控制，提高建筑和道路质量。 水源危机和能源危机直是一个世界性的难题，联合国和各国政府都从战略 高度对此给予了充分的重视。低场脉冲核磁共振技术的出现和应用，为解决世界 范围内的能源和水源危机提供了一种有效的勘探手段。利用当今最先进的低场脉 冲核磁共振技术发现新油田和勘探油井，满足不断增长的油气需求，是摆在我国 石油工业面前的一大课题。同时核磁共振找水技术除可用于地下水勘查之外，还 可用于水利工程( 比如堤坝管涌检测) ，而且，核磁共振找水仪的多功能一旦实 现，将在环保、堤坝隐患和水库漏水检测等多个方面取得更大效益“1 。 低场脉冲核磁共振涉及物理学、地质学、电工技术、电子技术和计算机技术 等多门学科。以核磁共振测井为例，国内虽然在核磁共振测井解释模型以及岩心 的核磁共振分析等方面有定的研究，但是硬件研制却很薄弱，核磁共振测井仪 的硬件决定着信号的信噪比和探测范围，因而制约着解释模型的建立和测井资料 解释的准确性a 因此，从学科和技术发展的角度来看，开展低场脉冲核磁共振技 术的研究是十分必要的。 1 、3 低场脉冲核磁共振技术的研究现状 国外情况 世界上对低场脉冲核磁共振技术及应用进行系统研究的国家主要有美国、俄 罗斯、法国和中国。相对而言，美国和俄罗斯起步较早。 目前，食品化工行业的核磁共振在线无损检测在国外也还没有完全展开。已 第一_ 章绪论 知有日本在农副产品的含水量检测等方面的成功应用，他们已经实现了应用低场 磁共振技术对西瓜等水果的质量进行监测。另外以色列的科研人员在利用低场磁 共振技术对水泥、混凝土等建筑施工材料质量监测的方面已申请了专利，但没见 到专利实施的报道。 目前世界上真正掌握核磁共振测井技术的国家只有美国和俄罗斯。由于石油 的战略地位。俄罗斯对外既不出售仪器也不提供商业服务。美国只有两家大公司 掌握了该项技术。美国哈里伯顿公司于1 9 9 1 年开发出第一支具有真正商业价值 的核磁共振成像测井仪( m r i l ) ，并于1 9 9 3 年、1 9 9 7 年、1 9 9 8 年迅速推出m r i l - c 、 m r i l c t p 、m r i l - p r i m e 。斯仑贝谢公司，从二十世纪五十年代即开始从事核磁 共振测井仪的研制和应用，先后开发了基于地磁场的n m l ，基于人工磁场的c m r 、 c m r - - 2 0 0 、以及c m r p 1 u s 等多代核磁菸振测井仪。核磁共振技术已在俄罗斯成 为油气勘探的主导方法，大油f = f i9 0 9 6 的油井都采用了核磁共振测井技术。核磁共 振测井技术成为世界测井市场的先进技术。低场脉冲核磁共振技术巨大的商业价 值f 逐步显现出来。 地面核磁共振找水技术已经在前苏联、法国、澳大利亚和以色列等国家得到 了试用。1 9 9 1 年，俄罗斯“水文地质层析成像公司”利用他们研制的核磁共振 找水仪丌展水文地质、工程地质和环境方面的试应用。1 9 9 6 年法国地调局与俄 罗斯科学院新西伯利亚分院化学动力和燃烧研究所合作，由法国i r i s 公司制造 了6 台核磁共振找水系统( n u m i s ) 。近两年该公司又推出了探测深度更大一些的 n u m i s p l u s 仪器，但该系列的仪器都存在着探测准确性的问题，主要原因是抗 干扰和噪声抑制等技术还不如人意。 国内情况 早在6 0 年代，现己退休的中国地质大学张昌达教授和长春地质大学的崔由 峰就进行了世界上第一次地面核磁共振找水实验。 8 0 年代初期原长春地质学院的李舟波、梅忠武小组，江汉石油学院的高守 双、肖立志小组，大庆石油管理局的李振广、乔万林小组等开始对岩石核磁共振 与核磁共振测井及其应用进行了探索。 进入9 0 年代，特别是1 9 9 6 年我国引进了美国的m r i l 测井仪和岩心分析仪 器后，投入到该领域的人员大量增加。 4 第一章绪论 1 9 9 9 年，国家自然科学基金立项，对核磁共振测井系统中的电磁场问 题进行研究，由中国科学院电工所承担。 2 0 0 1 年，中国科学院批准“低场脉冲核磁共振分析测量仪器”立项， 并纳入“十五”科学仪器研制，由中科院电工所承担。 2 0 0 1 年，国家“十五”攻关计划，批准核磁共振测荇仪立项，由胜利 油田测井公司承担。 2 0 0 2 年，中国舰船研究院取得美国哈里伯顿公司核磁共振测井仪在中 国的组装权。 但是迄今为止，我国还没有出现真正具有自主知识产权的低场脉冲核磁共振 系统。低场磁共振技术在我国工农业方面的应用非常广阔。由于我国人口众多， 面向国内需求的食品和化工产业本身就极其庞大：加之我国的外贸产品主要以纺 织品、化工品等为主要产品。随着我国加入w t o 组织，传统产业( 化工、纺织、 食品等) 仍将在我国国民生产总值中占很大的比重，这一局面将会维持相当长的 一段历史时期。 我国目前实际应用的测井和找水设备都是从国外引进的，还没有自主知识产 权的仪器设备。随着我国经济建设对原油需求量的不断增大，测井对油闭开发的 重要性日益突出；我国东部油田的持续稳产和西部及海洋油田的飞速开发，使我 国成为测井仪器的潜在市场之一。国外主要的磁共振测井仪生产商哈晕伯顿和斯 伦贝谢以及主要的测井服务公司斯伦贝谢、5 可特拉斯都正在将产品或服务推向中 国。从国外引进的测井和找水设备不但价格极其昂贵，而且售盾服务很难及时跟 上，设备维护、维修成本高。 另外，由于在我国已探明的石油地质储量中，属于低渗透油减的储量约占三 分之一。在使用国外设备对这样的油层进行测试对发现，国外主要针对高、中渗 透层的设备有严重局限性，测井功效大大降低：而且我国某些油田的地层中含有 富含铁或其他顺磁性物质的矿石，国外磁共振测井仪对这些地层的分析与实际情 况差距很大。因此，中国的磁共振测并完全依赖国外不是长远之举，如何尽快生 产出自己的磁共振测井仪并同国外测井公司竞争市场是摆在我国产业部门面前 的主要问题。 各种产业中对含水量检测的需求是大量的，所以自行研制、丌发、生产适合 第一章绪论 我国情况的低场磁共振检测仪器是我国科研、产业部门共同面临的挑觇 1 ，4 低场磁共振电路系统的实现途径 早期由于相关技术条件的限制，如微处理器的运算速度不够快，放大器对噪 声的抑制不够理想等，使得低场脉冲核磁共振的应用还只停留在理论上。例如利 用地面核磁共振系统勘探地下水，由于只能利用地磁场( 0 5 高斯左右) 作为静 磁场，磁共振信号的幅值只有几百纳伏左右，以前的技术条件很难把它从噪声中 有效地分辨出来，因此尽管在六十年代就有人提出了这种设想，但当时还无法实 现。 近年来，随着大规模集成电路芯片技术、d s p 技术和计算机技术的高速发展， 使磁共振电路实现都已日趋数字化，各种元器件的性能也得到了很大的改进。与 早期的模拟电路相比，数字电路的稳定性较好，不易受温度影响，有助于提高电 路的信噪比。丽低场磁共振电路中的一些关键元器件的更新换代为电路性能的改 善打下了基础。比如，高分辨率模数变换器大大提高了模数转换的精度和速度； 新型滤波器可以更好地抑制噪声放大信号；高速数字信号处理器( d s p d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) 、可编程逻辑门阵列( f p g a f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y s ) 芯片可以实现电路的快速集中控制和信号的快速采集；应用数控振荡器 ( n c o n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) 便于数字化调整共振频率、能够 自动跟踪和检测，等等。 因此，将这些新技术和新器件引入低场磁共振电路系统的设计中，将可以大 大提高低场磁共振电路系统的性能。这些技术的应用可使得低场磁共振电路设计 中的众多技术难点一一得到解决，另外在现代数字技术和信号处理的平台上实现 用d s p 进行集中控制的高性能低场磁共振电路系统，使得系统小型化、数字化和 低成本化变为可能，从而使得低场脉冲核磁共振技术服务于人类社会成为现实。 1 5 低场磁共振技术的发展趋势 从目前情况来看，低场脉冲核磁共振系统的发展趋势主要集中在以下几个方 面： ( 1 ) 降低系统成本，使系统小型化 6 第一章绪论 小型化是现代科学仪器发展的一个重要趋势a 仪器只有轻巧、便宜才有可能 得到更好的普及和推广。庞大、笨重、开放性差以及价格昂贵的系统很难得到普 及。所以，开发轻便、便宜和开放性好的低场磁共振系统就成为必然。 ( 2 ) 提高系统的性能 目前，磁性材料与工艺、电子技术、信号处理技术和计算机技术发展十分迅 速。因此，及时将这些方面的成果引入到磁麸振技术的更新、升级和改造中，可 以大大提高系统的性能。 ( 3 ) 系统功能模块化 将低场磁共振系统的各部分功能界定清楚，将其模块化，不但便于系统的安 装、调试和维修，而且根据应用目的、环境不同更换相关模块，只进行简单参数 调整，可将低场磁共振技术应用于更多的行业。 1 6 论文的主要工作内容 低场磁共振的系统中，电路部分的性能直接关系到系统工作状态，是整个系 统能否j 下常工作的关键。因为系统场强低，能接收到的磁共振信号非常微弱，另 外由于其应用的环境一般比较恶劣，信噪比极低，如何在保证系统稳定性和可靠 性的前提下，利用当代最先进的数字技术平台有效地提取和处理信号，如何准确 实现接收信号采集、检波、滤波、提高信噪比，成为低场脉冲核磁共振系统电路 设计中的关键。目前国内还很少有对低场磁共振的接收电路部分的系统分析、研 究，这对进一步推广低场磁共振技术的应用造成了根本的技术困难。 本文的主要工作就是在现代电路与数字技术的基础上构建一个低场脉冲核 磁共振电路平台，准确实现n m r 信号的接收。比如。高分辨率的多位模数变换器 降低了对抗混迭滤波器的要求，改善了信噪比并大大提高了模数转换的速度，新 型滤波器可以更好地压制噪声、放大信号。高速d s p 可以实现电路的快速集中控 制和信号的快速采集，数控振荡器便于数字化调整共振频率、能够自动跟踪和检 测，等等。 具体内容主要包括以下几方面： ( 1 ) 前提基础工作 根据低场磁共振的技术特点，对磁共振电路进行功能分析。划分各功能模块， 第一章绪论 给出电路系统的构架框图； 进行了相对优化的设计，对设计中的有关问题进行了论证，并对后续研究工 作给出一些结论。 ( 2 ) 数字正交检波算法的仿真比较 针对接收信号弱、信噪比低的情况，进行正交检波方案讨论比较 分别利用p s p i c e 软件对模拟正交检波与m a t l a b 软件对数字正交检波进行了 仿真分析。 ( 3 ) 硬件电路设计及软件设计 配合以上研究，对各种信号处理器，a d c 转换器等比较选型，设计具体电路。 搭建整个数字化处理平台的硬件，调试硬件电路。 编写部分软件，完成开关接口电路、采集电路及其他电路的控制。 ( 4 ) 数字处理的误差分析 简要分析了本系统一些误差来源、种类，给出了分析模型。 ( 5 ) 实验结果比较 最后将实验结果进行了验证，并指出本文有待改进完善之处。 第二章低场脉冲核磁共振电路系统概述 第二章低场脉冲核磁共振电路系统概述 2 1 低场脉冲核磁共振电路系统功能概述 低场脉冲核磁共振系统在技术实现上，电路部分是关键，尤其是信号接收电 路，它的性能矗接关系到整个系统的准确性、灵敏度等性能指标。所以根据低场 脉冲核磁共振系统的技术特点，对电路系统设计提出了以下要求： 1 ) 由于低场脉冲核磁共振系统的特殊使用条件，电路系统的稳定性和可靠性成 为电路设计的首要要求。 2 ) 低场脉冲核磁共振电路系统中，为避免耦合干扰，发射和接收用同一线圈， 即在同一个线圈上首先加一个大电流的射频脉冲，用来产生射频场，然后迅速将 线圈中的残余能量泄放掉，再通过接口电路将接收到的f i d 信号供给后续电路放 大处理。所以应用数字化技术实现可靠并快速切换，保证三个状态能够准确完成 且互不干扰是核心技术之一。 3 ) 由于接收信号很弱，信噪比较低，如何准确实现接收信号放大、滤波，以便 后续电路处理分析，是信号接收电路模块设计的重点要求。 4 ) 在以丰富多彩的脉冲序列为重要特征的现代核磁共振实验中，对射频脉冲宽 度、频率、相位有严格的要求。在高分辨研究形成的新技术中，对这个性能的要 求是绝对基本的，并且在大多数情况下相对相位的精度和稳定性相当重要。可靠 并灵活的实现精确的频率与相位控制是系统的重要要求。 5 ) 由于模拟正交检相器不再能满足高性能检波的要求，因此如何利用先进的数 字正交检波器在数字域实现正交检波功能，并采用数字信号处理技术高精度的提 取有效信息是电路的核心之一。 由此可见，如何在保证系统稳定性和可靠性的前提下，利用现代化数字技术 平台有效地提取和处理这种本身很弱、信噪比又很低的信号，是低场脉冲核磁共 振电路设计的主导思想。 2 2 外差式接收方案 外差式核磁共振接收机首先使信号在拉摩尔频率上进行放大，然后与本机振 荡器进行差频，得到频率较低的中频，在中频电压进行窄带放大，对放大后的信 号进行检波，再经过低通滤波器后进行模数转换得到有效的数据。 第二章低场脉冲核磁共振电路系统概述 图2 - 1核磁共振外差式接收框图 这种外差式接收把信号差成中频放大，比在高频直接放大能够得到更大的放 大倍数。在两个频率上放大减小寄生振荡的可能，比在一个频率上放大容易得到 更大增益稳定性，比直接放大有更高的灵敏度与选择性。 如果对低场脉冲核磁共振系统采用上述方案，则存在以下问题： ( 1 ) 混频器是位于系统的前端且工作于非线性状态，容易引起非线性失真， 其所产生的噪声对整机的噪声和增益都有较大的影响，这对信噪比极低的低场脉 冲核磁共振信号的接收是非常不利的。 ( 2 ) 模拟正交检波用两个相敏检波器对信号分别进行检波，这两个相敏检 波器的参考信号相位相差9 0 度。把两个检波器检波之后所得到的f i d 信号经过 放大和滤波之后再模数转换，存储到计算机中处理。两个通道的幅度与相位的平 衡性以及各自的直流偏移构成正交检波器的三项主要性能指标，系统要求正交相 位误差在1 度到2 度。模拟j 下交检波是由模拟器件来完成，由于模拟器件的温漂、 易受干扰等特性，很难获得两个精确的正交参考信号与两个幅值和相位完全一致 的相敏检波器、放大器。由于相位和增益调节不够理想，会产生虚假信号。 2 3 低场脉冲核磁共振电路框图 在经过大量国内外相关资料调研分析的基础上，我们的低场脉冲核磁共振电 路系统原理框图如图2 2 所示。电路不再对载波进行下变频，而是直接放大后进 行采集。因为与上百兆的高场、中场核磁共振信号相比，低场脉冲核磁共振信号 的频率较低，为几百千赫到几兆频率，随着数字化器件的快速发展，对其进行直 接采集成为可能。各模块功能简介如下： 0 丽竺0 磊一 印巴 圈j h鬻母当 第二章低场脉冲核硪共振电路系统概述 卜位机 图2 - 2 低场脉冲核磁共振电路系统原理框图 ( 1 ) 直接数字合成射频脉冲模块 以n c o 与d s p 为核心，实现直接数字化调整共振频率和相位，与传统的混频 调制方法相比，控制精度大幅增高，实现精确的频率与相位控制。 ( 2 ) 射频脉冲功率放大模块 射频脉冲经过电平转换、功率放大器放大，传送给天线接口模块。 ( 3 ) 天线接口模块 是射频发射与信号接收电路与磁体天线系统的接口电路，实现天线的三态切 换，主要完成以下功能： 完成射频能量传递； 在发射脉冲期间，防止射频能量流入接收电路中； 发射脉冲完成之后。迅速泻放天线中的残余能量： 把天线回波信号传送给接收电路的前置放大部分。 ( 4 ) 模拟接收模块 前置放大器是一个具有低噪声、增益稳定、带宽相对较大，用以实现接收磁 共振回波信号和校准信号。接收来自前置放大器的输出信号，通过内部的多路选 择器及开关选择所需信号，送给后续的滤波器，将前级输入的信号进行有效滤波， 进一步降低噪声，提高信号的信噪比。 ( 5 ) 控制、采集接收模块 采集接收模块是整个电路系统的控制模块，主要完成与上位机的通讯；产生 射频场控制信号；对接收来的回波信号经过a d 转换采样后进行数字处理，并 将处理过的数据传递给上位机：同时产生各种控制信号，控制其他各个模块协调 统的工作。 第二章低场脉冲核磁基振电路系统概述 ( 6 ) 数字正交解调模块 由于模拟器件的温漂、易受干扰等特性，很难获得两个精确的正交参考信号 与两个幅度和相位完全一致的相敏检波器。数字正交解调模块基于数字电路的稳 定性，并采用数字信号处理技术，使输出的数字正交分量的不平衡误差达到足够 低，克服模拟通道中的两个幅度和相位不完全一致的问题。 ( 7 ) p c 上位机 与d s p 模块进行通讯，输出控制参数值；将d s p 模块预处理过的数据进行最 终分析解释，以数据、表格、图形、图像等形式直观的表达出来，作为对被测对 象评价的最终依据。 其中直接数字合成射频脉冲模块，控制、采集接收模块，数字正交解调模块 构成低场脉冲核磁共振系统中数字化平台。电路改进方案对数字平台也提出了一 定的要求。外差式放大载波由射频降到中频，最后降到音频。到采集处理时是对 检波后的信号( 音频信号) 采样处理，对瞬态数据采集系统的数字化速率，数字 记录长度，处理速度的要求不高。而本方案是从射频信号上直接数字化采集，处 理上兆赫兹的模数转换输出的数字化数据。这对a d c 转换器，缓存及d s p 处理速 度都提出了一定的要求，建立的数字化平台必须满足高速度，高精度，高分辨率， 大容量的要求，涉及到射频收发与控制、高速数据采集和数字正交接收等现代信 号处理、电子与计算机技术等。 2 4 数字化平台特点 我们所设计的数字化平台具有如下主要特点： ( i ) 电路系统核心采用高速d s p 及f p g a 芯片配合，以此作为电路核一i i , 的优势 在于：它的可编程性使它既具有专用集成电路的速度又使电路系统具有很高的灵 活性和可扩展性，适于模块化设计硬件整体可靠性提高，系统容易在不同环境 下进行测试：很多传统的由硬件电路实现的功能可由软件来实现，在很大程度上 提高了系统的整体效率。 ( 2 ) 脉冲射频调制电路采用n c o 与d s p 为核心，便于数字化调赘共振频率和相 位，与传统的混频调制方法相比，控制精度大幅增高，实现精确的频率与相位控 制。 ( 3 ) 采用高速模数转换器对回波信号采样、量化，在数字域实现j 下交检相功能， 2 第二章低场脉冲核磁共振电路系统概述 具有数字电路的稳定性，并采用数字信号处理技术，使输出的数字正交分量的不 平衡误差达到足够低。 ( 4 ) 回波信号采样后送交d s p 芯片进行数字滤波处理，利用d s p 高速运算的特 点，减少硬件电路滤波负担，提高滤波效果，使电路简化。 ( 5 ) 分时接收的转换频率为几千赫兹到几万赫兹，由于核驰豫时间远大于转换 时i 剐，使发射器的振荡器和功率放大器所产生的随机噪声不会送到接收器中，提 高了信号的信噪比。 第三章低场脉冲核磁共振信号的正交检波 第三章低场脉冲核磁共振信号的正交检波 在核磁共振中通常有两种信号检波方法3 。一种是单路相敏检波，这种检波 方式需要较大的发射机功率。另一种是标准正交检波方法，它采用两路相敏检波， 可以节省发射机功率、缩小带宽，并且灵敏度为单路相敏检波的万倍。本章主 要根据实际信号对常见的几种正交检波方案进行讨论，并分别利用p s p i c e 软件 对模拟e 交解调与m a t l a b 软件对数字解调检波进行了仿真分析。 3 1 正交检波概述 正交检波的过程如式( 3 一1 ) 到式( 3 - 6 ) 所示。“： q 为输入信号，为输出信号； 啦与d 。为两个相敏检波器的参考信号，相位相差9 0 0 ； 与，为两个相敏检波器的输出信号： 国为拉摩尔频率，占为偏振频率，t ：为横向驰豫时问； q x ) c o s 晒+ j ) + 纠 。1 t o = c o s ( g or ) u ，= c 。s ( 珊r 一三) = s i n ( 缈r ) 2 u j 吐2 a e x p 【j c 。s + 占) ，+ 】c 。s p ，) = 圭a e x ) 如s ( 肌妒) s 【( 2 + 占) 州b ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) 2 q q = a e x p ( ) c o s + 万) f + 训 。咱 = 圭p ( ) s ；n p 州) “n ( 2 0 9 + d ) 州】 通过低通滤波器，去掉和频成分，只剩下差频q = j f 成分。将作为实部 第三章低场脉冲核磁共振信号的正交检波 ，钺+ ，= j 1 p ( ) 【c o s ( 8 州) 椭i n p 州) j 。) = 三一( ) e x p + 庐) 】 “ 将幅相误差均归为q 路( u 。、为直流偏移，口为幅值误差，妒为相位误差) 信号谱： 1 + ( 1 - a ) c o s + j ( 1 一a ) s i n - i t ) ，( ，) 一p ( 3 9 ) 镜像谱：【l 一( 1 - a ) c o s + j ( 1 一a ) s i n 矿 - 妄d ，( ，) p 一一 ( 3 1 0 ) 将两者的模之比取对数称为由于两路幅相不平衡引入的镜像抑制度，表示为 肛：g 了( i - a 丁) z - x 2 ( _ 1 - _ a ) 王c o s 妒+ 1 ( 3 - 1 1 ) 。( 1 一口) 。+ 2 ( 1 一a ) c o s + 1 正交检波可以以两种方式实现，模拟正交检波和数字正交检波。模拟| 下交检 波相对简单，但精度低。数字正交检波较为复杂，但信号失真小。下面分别对这 3 2 模拟正交检波 模拟正交检波框图如图3 一l 所示 图3 - 1 模拟j 下交检波框图 第三章低场脉冲核磁共振信号的正交检波 模拟正交检波是由模拟器件来完成，由于模拟器件的温漂、易受干扰等特性， 很难获得两个精确的正交参考信号与两个幅度和相位完全一致的相敏检波器、放 大器。由于相位和增益调节不够理想，会产生虚假信号。 目前的实验中主要考虑两种信号即自由衰减信号和c p m g 脉冲的信号，根据 实际情况将载波( 拉摩尔频率) 设为1 2 5 m h z ，偏振频率为i o k h z ，幅相误差均归 为q 路，相位误差为5 度，幅度误差为0 1 ，由m a t l a b 计算可得到信号谱与镜像 谱，并计算i r = 一2 3 3 。 图3 - 2 信号谱与镜像谱 图3 - 3 自由衰减仿真信号 首先用p s p c e 对如图3 - 3 的自由衰减信号作模拟检波仿真，结果如图3 - 4 到图3 - 6 所示。图3 - 4 中( a ) 为幅值仿真结果与理想值比较，( b ) 为两者的绝对误 差，( c ) 为两者的绝对误差与理想值之比，可看出有明显失真。图3 - 5 为仿真相 位结果与理想值比较，同样有明显失真。图3 - 6 为仿真结果与理想值的付氏变换。 在信号的倍频处有虚假信号。 1 6 第三章低场脉冲核磁共振信号的正交检波 ； ； 一 一；一0 一j 一一一一； !； 。j 毒翔“ ii ； 一 i 广、 c 茸，l ! j! l | 1 。c 斗斟一l ；lk 矗mi 一 ，。h 口。j ； li v o l t a g e ( v ) ( a ) 1 _ 一一i ，t l - 广一1 一一 f ：”。、l ，、l “r 、_ 一一一。 ( c ) 图3 - 4 仿真结果 图3 - 5 仿真相位结果与理想情况比较 。蠢 、 连芝 量 、叫# n * ： 图3 - 6 仿真结果和理想值比较( f f t ) 第三章低场脉冲核磁共振信号的正交检波 对c p m g 脉冲的信号作仿真，同样将载波( 拉摩尔频率) 设为i 2 5 m h z ，偏 振频率为i o k h z ，幅相误差均归为q 路，相位误差为5 度，幅度误差为0 1 ，结果 如图38 所示。 图3 7c p m g 脉冲的仿真信号 图3 - 8 中第一个图为幅值仿真结果与理想值比较，第二个图为两者的绝对 误差， 第三个图为两者的绝对误差与理想值之比，可看出模拟正交检波所带来 的失真。 j ；i 脯 划 ； ； 一r rr i 一 一 八 鼍气遵笋飞。i ，：襻 ：= 旁； j q _ - - - ；，r ? 一； h 睢 卜、。i av 僵g j l t i ：i n 2 s q r t ( v ( u i i ：0 u ”v ( u i i ：o t r r l + v ( u 9 ：o u t ) v i u 9 ：c o t 1 。2 t i m e j _ j _ 一l i ；一_ l 。 1h 卜 。 i_ l i _ 卜 卜 | j 卜b 一 * * l i 卜 卜 1 f 一 一卜 卜一 - 一1 一i 一； 耋鞋剽赫瓣赫 ，_ l _ l _ l - i ” ：一：茂：= = ：二， 1 ： ； k 忙i 毒# 二一一j 一。 i 一i 5 i j 一一j 一一 0 扣； | 一 i ” “ ! f l h 二一“+ 一 十# = ：# 弓 ， 卜k 氕裂炎二一二n ：“芦e 7 ：7 ：州- 晨7 弋7 、：，、 ：n 厂、 ： 一7 一：d 、：，唯声髟一： t i m e ( c ) 图3 - 8c p m g 信号仿真结果 _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - 一一 第三章低场脉冲核磁共振信号的正交检波 图3 - 9c p m g 信号仿真结果与理想值的比较( f f t ) 模拟正交检波失真度大但具有成本低的优点，如果仪器工作环境不易受干 扰并对信号的准确度要求不高，例如进行教学的演示实验等，模拟正交检波方案 是可以采用的。 3 3 数字正交检波 在2 0 世纪8 0 年代出现数字正交检波器，它是以一个高速模数变抉器对回 波信号采样、量化，然后在数字域实现检波功能。由于数字电路的稳定性，并采 用数字信号处理技术，使输出的数字正交分量的不平衡误差达到足够低，克服模 拟通道中的两个幅度和相位不完全一致问题。 1 ) 低通滤波法 低通滤波法直接将模拟正交检波的过程放到数字域里实现。如图3 一1 0 所示， 将信号通过抗混叠滤波器后直接数字化，在数字信号处理器中与正交的正弦和余 弦相乘，并通过数字滤波器滤波，数据抽取可传送给上位机所需信号。整个检波 过程在数字信号处理器中完成，即简化了硬件电路，又避免了模拟电路易受环境 影响的特点，这样可以实现两个通道的幅值相位完全一致。减小信号失真。 为与模拟检波直接比较，不考虑噪声用相同的条件即将载波( 拉摩尔频率) 设为1 2 5 m h z ，偏振频率为l o k t l z ，不存在幅相误差对自由感应衰减信号和c p m g 脉冲信号仿真。离散化频率为5 m h z ，仿真结果如图3 一l l 和图3 一1 2 所示。 1 9 第三章低场脉冲核磁共振信号的正交检波 图3 1 0 模拟正交检波与低通滤波法的数字正交检波“ ( c ) ( e ) 图3 - 1 1 自由衰减信号仿真结果 ( b ) 第三章低场脉冲核磁共振信号的正交检波 ( c ) ( b ) ( e ，( f ) 图3 - 1 2c p m g 脉冲信号仿真结果 图3 - 1 1 与图3 一1 2 中( a ) 为仿真信号，( b ) 为仿真结果与理想值比较，( c ) 为 仿真结果和理想值的付氏变换，( d ) 为仿真结果与理想值的绝对误差，( e ) 为 绝对误差与理想值之比，( f ) 为仿真相位与理想相位的比较。与模拟检波相比， 由于可以实现两个通道的幅值相位完全一致，信号误差降低一个数量级，减小 信号失真，结果可视为理想结果。 对于实际中的信号是必须考虑噪声的，根据目前实验中核磁共振信号的实 际信号，为比较各种方法的效果，故对信号最大幅值为l v ，噪声为均匀分布卜0 2 0 2 3 自噪声的自由衰减信号和信号最大幅值为2 v ，噪声为均匀分布 一0 40 4 白噪声的c p i “g 脉冲信号仿真如下： ( b ) 第三章低场脉冲核磁共振信号的正交检波 ( c ) ( e ) ( a ) ( c ) ( e ) 图3 1 3 自由衰减信号仿真结果( 1 ) ( d ) ( b ) ( d ) ( f ) 圈3 - 1 4c p m g 信号仿真结果( 1 ) 圈3 - 1 3 与图3 - 1 4 中( a ) 为仿真信号，( b ) 为仿真结果与理想值比较，( c ) 为 第三章低场脉冲核磁共振信号的正焚检波 仿真结果和理想值的付氏变换，( d ) 为仿真结果与理想值的绝对误差，( e ) 为 绝对误差与理想值之比，( f ) 为仿真相位与理想相位的比较a 在算法中应用的滤波器是4 0 阶的f i r 滤波器，其幅频特性如图3 1 5 。截止 频率为2 0 k h z 。为取得较好的幅值精度，窗函数用的是矩形窗。 图3 - 1 54 0 阶滤波器的辐频特性 仿真中用5 m h z 、6 m h z l o y t z 的离散化频率分别进行仿真，都能较好的得 到原信号。对于一个给定精度的模数转换器，采用过采样可减小数字化误差“”。 虽然过采样不能减小时域上的数字化误差但在频域上表现为使用较大的谱宽， 可以从两方面来增加频域的数据精度。首先，在从时域到频域的转换时将数字化 误差分散到一个较宽的谱宽范围；其次，应为过采样使用较大的滤波带宽，使更 多的随机噪声引入时域。因为在频域上，这些信号分布在很宽的频率范围内，不 会影响信号的信噪比，但它的引入相当于加入了幅值抖动，有助于频域内数字化 精度的提高。但是算法的处理较为复杂，数字化频率过高使信号处理器的负担过 重，同时增加存储量，增加硬件成本。 2 ) 中频采样法 借鉴雷达信号处理中的中频采样法技术，将其算法应用于核磁共振信号1 。 在射频脉冲激发后，核自旋产生自由感应衰减信号如下所示： 啪) = a c o s ( o + 占) f + 】e x p ( j = ) c o s ( o j + 占) f + 纠( 3 - i 2 ) 其中d 为偏共振，为初相位，t 为横向驰豫时间 叭f ) “p l j ( 3 - 1 3 ) 式中爿e x p ( 7 幺) 是一个低频信号， q = 哦p ( - 毖t ) c 。s + 回r 刊 = a e x p ( ) c o 印c 。s + 却r 1 一a e x ) s t n 妒s t n i p + 印t 】 = i ( t ) c o s ( c o + c ，) t 一q ( t ) s i n k 国+ 却，】 图3 一1 6 信号的付氏变换 f 、 1 一 ，j、。 卜? 一一一 t 幢。 1 ， 一一 一一一 j - 一。一 v ( bu ，) h | _ 2 7 ( 3 1 4 ) 图3 - 1 7 信号在频域的带宽图“2 1 根据图3 一1 7 ，在我们核磁共振实验信号中t ：的取值是远大于l o 一，则信号在 频域的带宽是远小于载波频率，可见核磁共振实验信号为一窄带信号。根据带通 采样定理，对中心频率为f 。，带宽为b 的窄带信号，其上下截止频率分别为f ， 2 f o + b 2 和f 。= f 。- b 2 ，根据采样值不失真的重建信号的充要条件是：采样率 需要满足2 f l l m f s 2 fr - ( m 1 ) ，其中m = l ，m m a x ，m m a x = f i ，b ，式中 表示 取整”。 p r0 第三章低场脉冲核磁共振信号的正交检波 若以t s = l f