一种提升信号动态范围的磁共振接收方法
阅读说明：本技术 一种提升信号动态范围的磁共振接收方法 (Magnetic resonance receiving method for improving signal dynamic range ) 是由 张双 吴林 张涛 余洁 尧德中 于 2021-08-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种提升信号动态范围的磁共振接收方法,应用于电子信息技术领域,针对现有技术存在的信号失真以及动态范围不理想的问题,本发明通过传统接收装置内部集成的自动增益控制的功能,简化了软件控制流程；并在接收装置数字域对ADC输出的数字信号进行增益补偿,相位补偿以及直流偏直补偿；实现了对幅值较小的信号进行更大的接收增益,对幅值较大的信号进行较小的接收增益的技术效果,并提高了磁共振接收信号的动态范围。(The invention discloses a magnetic resonance receiving method for improving the dynamic range of a signal, which is applied to the technical field of electronic information and aims at solving the problems of signal distortion and unsatisfactory dynamic range in the prior art; and performing gain compensation, phase compensation and direct current bias compensation on the digital signal output by the ADC in a digital domain of the receiving device; the technical effects of carrying out larger receiving gain on the signal with smaller amplitude and carrying out smaller receiving gain on the signal with larger amplitude are achieved, and the dynamic range of the magnetic resonance receiving signal is improved.)
技术领域
本发明属于电子信息技术领域，特别涉及一种提升信号动态范围的磁共振接收技术。
背景技术
模数转换器(ADC,Analog-to-Digital Converter)是信号接收链路非常关键的一个环节，负责模拟信号到数字信号的转换，虽然在过去的几年中ADC性能的发展非常迅速，但ADC 动态范围不够仍然是高性能接收链路的瓶颈，因此高速ADC还需要发展若干年的时间才能满足最先进核磁共振系统对接收信号高动态范围的要求。在商业的磁共振序列扫描期间，磁共振接收链路的接收增益一般保持不变，这种传统的实现方法的弊端为：在保证接收信号幅值较大的部分不溢出的情况下，设置一个固定的接收增益参数，那么接收信号幅值较小的部分在ADC环节不能充分利用ADC的满量程范围，因此这种实现方式降低了信号幅值较小部分的动态范围。近年来，磁共振行业的一些工程师提出在序列运行期间，动态调节接收增益，使得接收信号幅值较大和较小的部分都能达到很高的信号动态范围。
ZL 201710348442.9“接收机、信号接收处理方法和磁共振成像设备”提出在接收信号的过程中，对接收信号增益电路的增益模式进行快速切换的实施方式，使得幅值较小的信号达到更大的接收增益，幅值较大的信号不溢出，从而增加接收机接收信号的动态范围。但是该专利在实际实施时，很难保证增益模式的切换时间小于模数转换电路的采样周期，因此可能造成模数转换电路的某个采样时间点落在增益模式的切换过程中。同时由于接收增益模式的切换过程可能引起信号波形的波动，因此该专利提出的方法在实施过程中可能在一定程度上造成信号失真。
ZL 201910356813.7“一种接收机、信号接收方法及磁共振成像设备”发明了一种接收机、信号接收方法及磁共振成像设备，充分利用了接收机中放大器电路的线性工作区以及非线性失真区，当接收的模拟信号小于预设幅度时，放大器电路处于线性工作区，当模拟信号大于预设幅度时，放大器电路处于非线性失真区，模数转换电路将放大器放大后的模拟信号量化成数字信号并进行校正，从而使得全部接收信号获得线性放大的数字信号。由于放大器的非线性失真区具有增益压缩的特性，相较于正常线性放大的模拟信号，利用该压缩增益放大后的模拟信号具有较小的幅度，以降低对ADC的高动态范围需求，同时可降低系统成本以及功耗，之后，通过校正电路将该压缩放大后的模拟信号校正后输出，同时可以满足接收机对接收信号动态范围的需求。但是该专利使用了放大器电路的非线性失真区域，由于放大器器件的非线性特征，经放大器这个非线性失真区域放大后的信号，会产生不需要的多次谐波分量，该专利提出通过滤波电路将这些多次谐波分量滤除，但是三次谐波分量距离有用信号频点非常接近，因此要彻底滤除三次和其他更高次谐波分量不太现实，但是如果这个问题不能彻底解决的话，则该专利提出的方法不能达到提升接收机接收信号动态范围的预期效果。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种提升信号动态范围的磁共振接收方法，能对幅值较小的信号进行更大的接收增益，对幅值较大的信号进行较小的接收增益，提高了磁共振接收信号的动态范围。
本发明采用的技术方案为：一种提升信号动态范围的磁共振接收方法，基于的磁共振信号接收装置的结构包括：放大器、ADC以及接收装置数字域；
所述放大器采用接收增益与输入信号幅值呈平滑曲线关系的信号放大电路；
所述磁共振信号接收装置接收到的第一模拟信号经放大器进行放大处理，然后经ADC 转换为第一数字信号，ADC转换的第一数字信号在接收装置数字域进行增益、相位和直流偏值补偿得到第二数字信号。
所述第一数字信号在接收装置数字域进行增益、相位和直流偏值补偿得到第二数字信号的过程为：向磁共振信号接收装置输入已知的第二模拟信号，通过测试得到增益补偿值、相位补偿值、直流偏直补偿值，从而对第一数字信号进行增益补偿、相位补偿、直流偏直补偿，最终得到补偿后的第二数字信号。
具体包括以下步骤：
S1、向所述磁共振信号接收装置输入已知的第二模拟信号，该模拟信号功率强度值Pin 从-70dBm到+10dBm逐渐升高，以+1dB为步进进行调整；
S2、测试并记录该模拟信号每一个功率强度值经过放大器信号放大后的输出功率强度值，然后拟合出所有经信号放大器处理后的输出信号功率曲线函数值Pout，得到增益曲线为G(Pin)＝Pout-Pin；
测试并记录从放大器输出信号的相位值，然后拟合出所有经信号放大器输出信号相位值的曲线函数，该曲线函数与输入放大器模拟信号功率强度值Pin的函数为：P(Pin)；
测试并记录从放大器输出信号的直流偏直值，然后拟合出所有经信号放大器输出信号直流偏直曲线函数，该曲线函数与输入放大器模拟信号功率强度值Pin的函数定义为DC_offset(Pin)；
S3、记步骤S1所述模拟信号经放大器放大后通过ADC转换的数字信号为B，将B与Pout进行对标，得到映射公式；
S4、根据第一数字信号与步骤S3的映射公式得到第一模拟信号功率强度值；
S5、根据步骤S2的增益曲线以及第一模拟信号功率强度值，得到增益补偿值；
S6、根据第一模拟信号功率强度值查找P(Pin)，得到相位补偿值；
S7、据第一模拟信号功率强度值查找DC_offset(Pin)，得到直流偏直补偿值；
S8、根据步骤S5的增益补偿值、步骤S6的相位补偿值、步骤S7的直流偏直补偿值对第一数字信号进行补偿，得到第二数字信号。
所述第一模拟信号的功率强度值范围为-70dBm到+10dBm。
步骤S3的映射公式为：
Pin＝10-G(Pin)-20*lg[(2^(N-1)-1)/B]
其中，N为ADC转换位宽。
本发明的有益效果：本发明的方法去除了接收装置内部自动增益控制的功能，简化了软件控制流程；并且本发明提出的补偿方法，能对幅值较小的信号进行更大的接收增益，对幅值较大的信号进行较小的接收增益，提高了磁共振接收信号的动态范围。
附图说明
图1为传统的磁共振信号接收装置示意图；
图2为本发明的磁共振信号接收装置示意图；
图3为本发明的方法流程图；
图4为本发明实施例提供的放大器输入模拟信号功率值Pin与输出模拟信号功率值 Pout对应关系；
图5为本发明实施例提供的放大器输入模拟信号功率值Pin与信号增益G(Pin)对应关系；
图6为本发明实施例提供的接收增益与输入信号幅值呈平滑曲线关系的信号放大电路。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
传统的磁共振信号接收装置主要组成模块如图1所示，包括：可控放大器、ADC和接收装置数字域模块。接收装置内部集成了自动增益控制的功能，需要软件向接收装置数字域模块下发命令，通过可控增益参数自动控制可控放大器的接收增益，这种实现方式的软件控制流程比较繁琐。
本发明提出的磁共振信号接收装置主要组成模块如图2所示，本发明提出的相关技术主要涉及接收装置的放大器、ADC和接收装置数字域模块。接收装置内部将自动增益控制的功能裁剪掉，不需要繁琐的软件控制流程来自动控制接收增益。
本发明提供一种磁共振射频信号接收和采集的方法和接收装置。在该接收装置的放大器环节和接收装置数字域模块采用了一种信号幅度压缩器/扩展器技术，提高了采样信号的动态范围，去除了传统接收装置内部集成的自动增益控制的功能，简化了软件控制流程。
本发明将如图6所示的一种接收增益与输入信号幅值呈平滑曲线关系的信号放大电路引入磁共振信号接收装置，即将该放大电路作为图2中的放大器，该放大电路能对幅值较小的信号进行更大的接收增益，对幅值较大的信号进行较小的接收增益；但是经这种放大电路处理后的信号，需要对其进行增益补偿、相位补偿以及直流偏直补偿，本发明针对这些补偿方法提出了相应的创新解决方案。
如图3所示为本发明的方法流程图，本发明的方法是基于一种信号放大增益跟输入信号功率强度值呈平滑曲线的信号放大电路，使得接收信号幅值较大的部分不溢出，放大电路对输入接收信号呈现压缩器的作用；同时，使得接收信号幅值较小的部分呈现信号扩展器的作用，使得接收信号幅值较小的部分更加充分地利用ADC的满量程范围。具体包括：
S1、接收装置输入信号功率Pin从-70dBm到+10dBm逐渐升高，以+1dB为步进进行调整；
S2、获取G(Pin)、P(G)、DC_offset(Pin)函数曲线；
S3、输入模拟信号功率强度值Pin与数字信号值B进行对标，得到映射公式；
S4、根据数字信号值B计算得到输入模拟信号功率强度值Pin；
S5、根据输入模拟信号功率强度值Pin计算得到Bcomp；
S6、根据Pin查找P(Pin)，计算得到Pcomp；
S7、根据Pin查找DC_offset(Pin)，计算得到DC_offset_comp；
S8、输出补偿后的数字信号。
增益曲线G(Pin)获取过程为：
给放大器输入单一频点的正弦波信号，功率强度值定义为Pin，其值从-70dBm到 +10dBm逐渐升高，以+1dB为步进逐步开展增益校正工作，测试并记录输入信号每一个功率强度值经过放大器信号放大后的输出功率强度值，然后拟合出所有经信号放大器处理后的输出信号功率强度值曲线函数值Pout，如图4所示。则增益曲线为G(Pin)＝Pout-Pin，如图5所示；从G(Pin)找出增益曲线的极大值，命名为Gmax，增益补偿曲线函数为Gcomp＝Gmax- G(Pin)。其中，放大器输入模拟信号功率值Pin与输出模拟信号功率值Pout对应关系如图4所示，放大器输入模拟信号功率值Pin与信号增益G(Pin)对应关系如图5所示。
模拟信号功率强度值Pout与数字信号值对标的实现过程为：
将ADC满偏信号幅值功率强度值设为Pmax，大多数ADC的Pmax一般为+10dBm，本发明为了直观形象表达本发明的思路，将Pmax设置为+10dBm。定义ADC的信号输入功率为Pout，则ADC满偏信号幅值强度值与ADC输入功率之差为10-Pout。假设ADC转换位宽为N位，则+10dBm对应量化后的数字信号大小为2^(N-1)-1；由于所有的增益、相位和直流偏值补偿工作都在接收装置数字域模块开展，也需要通过数字信号值得到输入给放大器的模拟信号功率强度值，再根据输入给放大器的模拟信号功率强度值，从拟合的增益、相位和直流偏值函数曲线得到需要补偿的增益、相位和直流偏直值，因此有必要将数字信号值与输入给放大器的模拟信号功率强度值进行对标。
如图2所示的磁共振接收装置这个整体接收到每一个模拟功率强度值，经放大器放大后的信号功率强度值为Pout，然后输入到ADC，经过ADC将该模拟信号量化成数字信号，并以二进制的格式来表达；在接收装置数字域的输出端需要将二进制格式的数字信号B与输入给ADC信号功率强度Pout进行对标，功率差值可以转换成数字信号比值的对数，如公式1所示：
10-Pout＝20*lg[(2^(N-1)-1)/B](公式1)
将G(Pin)＝Pout-Pin代入公式1，得到公式2：
10-Pin-G(Pin)＝20*lg[(2^(N-1)-1)/B](公式2)
将公式2进一步推导，得到公式3：
Pin＝10-G(Pin)-20*lg[(2^(N-1)-1)/B](公式3)
增益补偿过程为：
定义需要补偿的增益值为Gcomp，则补偿后的数字信号值为Bcomp，Bcomp与Gcomp的函数关系如公式(4)所示：
Bcomp＝[10^(Gcomp/20)]*B(公式4)
需要补偿的增益值Gcomp与Gmax、G(Pin)的关系如公式(5)所示：
Gcomp＝Gmax-G(Pin)(公式5)
公式(5)的Gmax、G(Pin)在步骤S2中通过测量和拟合的途径得到，由公式(3)可知：从数字信号值B可以通过对标的计算方式得到模拟信号输入功率强度值Pin。
由公式(3)、(4)、(5)联合可得到增益补偿后的数字信号值为Bcomp。
相位校正与补偿的过程为：
给放大器输入单一频点的正弦波信号，功率强度Pin从-70dBm到+10dBm逐渐升高，以 +1dB为步进逐步开展相位校正工作，相应地测试并记录从放大器输出信号的相位值，然后拟合出所有经信号放大器输出信号相位值的曲线函数，该曲线函数与输入放大器信号强度 Pin的函数为：P(Pin)。定义Pin经放大器输出信号的最大相位值是P0，则相位补偿值Pcomp 满足：Pcomp＝P0-P(Pin)。
则接收装置数字域的输出信号补偿后的相位值＝P0-Pcomp。
直流偏直校正和补偿的过程为：
给放大器输入单一频点的正弦波信号，功率强度Pin从-70dBm到+10dBm逐渐升高，以 +1dB为步进逐步开展直流偏直校正工作，相应地测试并记录从放大器输出信号的直流偏直值，然后拟合出所有经信号放大器输出信号直流偏直曲线函数，该曲线函数与输入放大器信号强度值Pin的函数定义为DC_offset(Pin)。设置输入信号功率强度值为-70dBm对应的放大器输出信号直流偏直为DC_offset0，则直流偏直补偿值DC_offset_comp满足函数关系式： DC_offset_comp＝DC_offset0-DC_offset(Pin)。
则接收装置数字域的输出信号补偿后的直流偏直值＝DC_offset0-DC_offset_comp。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
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