引言

谱仪是磁共振成像（MRI）系统的核心设备，主要功能包括控制整个系统的时序、发射射频脉冲信号、发射用于空间定位的梯度信号、接收回波信号与传输数据等. 射频脉冲发生器是谱仪的重要组成部分^[4]，当序列运行时，其在序列控制器的控制下，产生指定参数的硬脉冲或者软脉冲用于驱动射频线圈，产生B₁场^{[9, 10]}. 射频脉冲发生器发射信号的性能指标（包括频率精度、相位精度、幅度精度等）对磁共振图像质量有显著影响，因此世界上很多实验室都致力于研究高性能的、灵活可控的射频脉冲发生器^[5-8].

目前MRI系统的射频脉冲发生器多采用直接数字频率合成（DDS）技术^{[9, 10]}，其中大部分采用DDS专用芯片来实现脉冲信号的发生^[11-15]. 它的缺点在于信号的相位和幅度精度受到器件的限制，并且序列控制器对DDS专用芯片的控制不够灵活快速.

本文设计了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的射频脉冲发生器，并将其配备于实验室自行研发的MRI谱仪之中. 在FPGA内部构建DDS、软脉冲波形（包括幅度和相位）双端口随机存取存储器（RAM）、乘法器以及相关的控制逻辑，其中DDS的频率、相位与幅度分辨率分别为32 bits、16 bits与16 bits，软脉冲波形的时间精度可达0.1 ms. 外部输入时钟为60 MHz，FPGA可通过锁相环将60 MHz时钟倍频到 300 MHz，并将300 MHz时钟作为DDS的系统时钟，因而信号的输出频率范围可从直流到135 MHz，适用于0~3 T的MRI系统. 相比专用的DDS器件，以带有正交调制数据接口的数字上变频器AD9957为例（其工作频率最高可达1 GHz，信号输出频率范围为0~400 MHz），本文设计的射频脉冲发生器（其工作频率最高可达223 MHz，信号输出频率范围约为0~100 MHz），在工作频率和信号输出频率范围等性能上与AD9957有一定的差距，但是谱仪的序列控制器可通过本地总线配置FPGA的参数与数据来控制DDS的运行，使得设计更加灵活.

1 硬件设计

本文设计的射频脉冲发生器主要由FPGA、数模转换器（DAC）、低通滤波器（LPF）、增益控制、乘法器、放大器和射频开关等器件组成，其结构框图如图 1所示.

FPGA提供了一个并行总线接口，序列控制器通过该接口与FPGA进行通信，通过简单的写指令操作就可以将射频发生的相关参数和数据配置到FPGA之中. 这些参数包括频率、相位、软脉冲波形数据（包括相位和幅度）、软脉冲参数（包括波形长度和时间精度）、射频发生控制参数（包括软、硬脉冲的选择和触发）和增益等. 随着序列的运行，打开射频开关，设置FPGA内部的控制寄存器，FPGA随即根据预设的参数自动地发生频率、相位、幅度等均可控的数字射频波形.

FPGA芯片采用ALTERA公司Cyclone Ⅲ系列的EP3C25Q240，实现的功能包括数据锁存、数据存储、变频、计数、频率合成、相位累加、波形调制等，其设计可根据需要灵活进行调整.

MAXIM公司的数模转换器MAX5885用于完成数字射频波形的数模转换. MAX5885的最高转换速率为200 MHz，字长为16 bits，输出具有较小的无杂散动态范围（SFDR）：当系统时钟为100 MHz、输出为10 MHz时，SFDR为77 dB. MAX5885的输出经过低通滤波后送到ADI公司的四象限乘法器AD834进行增益控制. 增益信号由LINEAR TECHNOLOGY公司的数模转换器LTC1657产生，它的字长为16 bits.

经过增益调节的射频信号再由低噪宽带固定增益放大器——SIRENZA公司的SGA-4586放大，其增益大致为28 dB左右，噪声系数为1.7 dB. SGA-4586的输出经过射频开关——MACOM公司的SW-239（在序列控制器的控制下打开或关闭，切换时间为4 ns，隔离度为56 dB），最后馈送到射频功率放大器.

图 2是射频脉冲发生器电路板的实物照片.

2 FPGA设计

FPGA设计采用硬件描述语言（VHDL），在ALTERA公司的Quartus Ⅱ软件平台上进行编译. FPGA的结构设计如图 3所示.

FPGA内部的功能模块主要包括频率寄存器、相位寄存器、幅度寄存器、软脉冲相位存储器、软脉冲幅度存储器、相位累加器、加法器（叠加相位）、正弦查找表、乘法器（波形调制）以及控制单元. 频率寄存器字长为32 bits，当系统时钟为60 MHz时，频率精度约为0.014 Hz. 相位寄存器的字长为16 bits，相位精度约为0.005 5˚. 软脉冲幅度存储器、软脉冲相位存储器大小均为4 k×16 bits. 正弦查找表的大小为16 k×16 bits，为提高查找表的利用效率，查找表只读存储器（ROM）中只存储1/4周期的正弦波幅度量化数据，利用正弦函数的对称性并进行实时计算得到整个周期的正弦波数据.

DDS工作时，每一个时钟周期内频率字与相位累加器累加一次，得到位宽为32位的累加值，取高16位作为相位值叠加相位字后，再与相位寄存器的相位相加后以二进制码的形式去寻址正弦查找表，完成相位到幅度的转换. 该数字化波形序列经过数/模转换和低通滤波后，输出正弦波信号（信号频率就是相位累加器的溢出频率）.

射频信号$s(t)$表达式如下，其中$A(t)$为软脉冲波形幅度.

(1)

产生中心频率为f₀的射频信号，FPGA的频率字（FTW）可通过(2) 式计算得到，其中SYSCLK为系统时钟^[16].

(2)

软脉冲幅度存储器为无符号整数，但是射频信号为有符号整数，因此相位寄存器的相位值（POW）可通过(3) 式计算得到：

(3)

其中Int函数为取整函数. 当$A(t)＜0$时，如果POW大于最大值65 535，则对65 536取模后输出. 例如$A(t)＜0$、相位为200˚时，则POW为69 176，取模后得到POW为3 640.

若需要产生硬脉冲，FPGA的DDS直接生成预定频率、相位的正弦信号，FPGA受触发后，打开射频开关，射频信号输出，持续一段时间后关闭射频开关，从而得到硬脉冲.

若需要产生软脉冲，则需按以下基本流程操作：

（1）序列控制器通过并行总线接口将射频发生的相关参数和数据配置到FPGA上，包括频率、相位、软脉冲波形数据、软脉冲参数、射频发生控制参数和增益等.

（2）FPGA向用于增益控制的DAC赋值，实时调节输出射频波形的幅度.

（3）FPGA受触发后，打开射频开关，启动软脉冲发生.

（4）FPGA内部构建的计数器开始计数，该计数器以软脉冲波形的时间精度为周期，每当计数器计完一个周期时自动从存储器中依次读出调制波形数据，并以系统时钟为周期与查找表的正弦输出数据相乘，当指定调制波形长度的数据全部从存储器读出后，停止读数与相乘操作.

（5）关闭射频开关.

3 实验结果

射频脉冲发生的实验结果（采用泰克公司的示波器DPO3034B进行测量）如图 4所示，信号频率为14.79 MHz，幅度峰峰值为760 mV，输出阻抗为50 Ω.

采用AGILENT公司的E4402B频谱分析仪对输出频率为14.79 MHz的射频信号进行频谱分析. 频谱分析结果如图 5所示，偏离中心频率1 kHz范围内的相位噪声约为-73.9 dB/Hz；偏离中心频率1 MHz范围内的杂散约为-75.1 dB.

将该射频脉冲发生器配备于实验室的自研谱仪，采集水模与人脑的磁共振图像，结果如图 6所示. 系统磁场强度为0.3 T，射频功放采用ANALOGIC公司的AN8111，设置参数如下：软脉冲为3Sinc（256个点），视野大小（FOV）= 240 mm×240 mm，激发层厚（Slice Thickness）= 8 mm，扫描次数（NS）= 2，接收扫描带宽= 25 kHz，中心频率（SF）= 12.78 MHz. 该结果证明了此次设计的基于FPGA和DDS的射频脉冲发射器在实际应用中是可行的.

4 结论

提出了一种基于FPGA和DDS的MRI射频脉冲发生器的设计，此设计方法基于FPGA丰富的硬件资源、高速的运行时钟以及编程的灵活性，在FPGA内部构建DDS以及各功能单元，输出波形具有较高的频率、相位、幅度分辨率以及软脉冲时间精度，可应用于低场与高场（0~3 T）MRI谱仪. MRI实验结果证明了该设计的可行性.