用于对磁共振成像（MRI）系统进行无线通信同步的系统和
方法
技术领域
[0001] 本系统总体上涉及具有无线型射频(RF)线圈部分的磁共振成像(MRI) 系统及其操作方法。
背景技术
[0002] 磁共振成像(MRI)是一种成像方法，其通常使用对质子的
频率和
相位编码来进行图像重建。最近，MRI系统已经开始使用一个或多个无线型 RF线圈来感测从正在进行MRI检查的对象发出的磁共振
信号。具体地，无线RF线圈在采集时期期间采集模拟MR信息，然后相关联的RF线圈单元(在本文中也被称为无线RF站)转换模拟MR信息以形成数字化信息，例如，数字化原始数据(k空间)信息。此后，无线RF站将数字化信息传送到系统
控制器，以用于进一步处理和/或在MRI系统的显示器上进行显示。
[0003] 这里，无线RF站依靠内部时钟来与MRI系统的系统时钟(例如，主时钟)正确同步。然而，由于无线RF线圈的无线性质以及引发的RF抖动和
相位漂移，使用常规的无线通信方法通常难以准确地将无线RF站内部时钟与MRI系统时钟同步。例如，视线(LOS)路径、受到阻挡的LOS路径和/或RF站和与主时钟绑定的MRI系统的其余通信站之间的非LOS路径可能存在变化的时间延迟，这可能是由发射器与接收器之间的运动和/或信道模型的变化引起的。
这种随时间变化的时间延迟能够导致RF站的内部时钟与主时钟之间的漂移。
[0004] 不幸的是，当无线RF站内部时钟与MRI系统时钟未能准确同步时，由于所使用的编码方法的性质，无线RF站内部时钟的
相位噪声会导致重建图像中的图像伪影，特别是在长时间采集期间。例如，能够显示出，如果要求原始图像数据中的由时钟引发的均方根(RMS)相位误差保持低于1 度，则RMS时间抖动应当被控制为保持在64MHz下小于44皮秒(ps)，在128MHz下小于22ps。
发明内容
[0005] 因此，期望提供用于MRI系统的无线通信的系统和方法。还期望提供用于MRI系统的有助于无线RF站的内部时钟到MRI系统的主时钟的时钟恢复和同步的无线通信系统和方法，所述时钟恢复和同步能够补偿RF站与 MRI系统的其余部分的通信站之间的通信路径中的变化的时间延迟。此外，期望提供用于无线RF站以基于经由多路径传播接收到的MRI系统传输来将无线RF站内部时钟与MRI系统时钟进行同步的系统和方法。
[0006] 在一个方面中，本发明能够提供一种方法，包括：从磁共振成像(MRI) 系统的第一无线通信站的射频(RF)发射器发射第一发射信号，所述第一发射信号包括利用第一载波信号上变频的第一基带信号，所述第一载波信号具有第一
载波频率，所述第一载波频率是第一值与所述第一无线通信站的第一本地
振荡器(LO)的第一LO频率的乘积，所述第一载波信号与所述第一无线通信站的所述第一LO同步；在所述MRI系统的第二无线通信站的RF接收器处经由无线信道接收
相移的第一发射信号，所述相移的第一发射信号包括其相位移位了第一信道相移的所述第一发射信号，所述第一信道相移等于所述第一载波频率乘以所述无线信道的时间延迟；在所述第二无线通信站处将第二基带信号与校正信号相乘以产生校正的第二基带信号并且发射第二发射信号，所述第二发射信号包括利用第二载波信号上变频的所述校正的第二基带信号，所述第二载波信号具有第二载波频率，所述第二载波频率是第二值与所述第二无线通信站的第二LO的第二LO频率的乘积，其中，所述第二发射信号具有第二发射载波频率，所述第二发射载波频率是所述第二值与所述第一LO频率的乘积并且所述第二发射载波频率与所述第一无线通信站的所述第一LO在频率上同步；在所述第一无线通信站的RF接收器处经由所述无线信道接收相移的第二发射信号，所述相移的第二发射信号包括其相位移位了第二信道相移的所述第二发射信号，所述第二信道相移等于所述第二发射载波频率乘以所述无线信道的所述时间延迟；并且在所述第一无线通信站处根据接收到的相移的第二发射信号来查明所述无线信道的所述时间延迟。
[0007] 通常，第二LO频率将具有相对于第一LO频率的
频率偏移。有益地，第二无线通信站在将第二发射信号发射回第一无线通信站时调整该频率偏移。然而，由于无线信道而导致的相移或误差仍然存在。第一无线通信站能够检测总相位误差，确定相位校正项，并且在其发送回第二无线通信站的消息中对该相位校正项进行编码。然后第二无线通信站能够使用该相位校正项来生成与第一无线站的第一LO同步的第三信号。在一些
实施例中，第三信号具有这样的频率：所述频率为第二值(N1)与第一LO频率的乘积。在一些实施例中，第三信号可以通过N1
分频器/预分频器以达到原始的第一 LO频率。
[0008] 本发明的另一方面能够提供一种包括第一无线通信站和第二无线通信站的系统。所述第一无线通信站包括：第一本地振荡器(LO)，其被配置为产生具有第一LO频率的第一LO信号；第一射频(RF)发射器；以及第一 RF接收器，其中，所述第一RF发射器被配置为发射第一发射信号，所述第一发射信号包括利用第一载波信号上变频的第一基带信号，所述第一载波信号具有第一载波频率，所述第一载波频率是第一值与所述第一LO频率的乘积，所述第一载波信号与所述第一LO同步。第二无线通信站包括：第二LO，其被配置为产生具有第二LO频率的第二LO信号；第二RF发射器；以及第二RF接收器，其中，所述第二RF接收器被配置为经由无线信道接收相移的第一发射信号，所述相移的第一发射信号包括其相位移位了第一信号相移的所述第一发射信号，所述第一信道相移等于所述第一载波频率乘以所述无线信道的时间延迟，其中，所述第二无线通信站被配置为将第二基带信号与校正信号相乘以产生校正的第二基带信号，其中，所述第二RF发射器被配置为发射第二发射信号，所述第二发射信号包括利用第二载波信号上变频的所述校正的第二基带信号，所述第二载波信号具有第二载波频率，所述第二载波频率是第二值与所述第二无线通信站的第二LO 的第二频率的乘积，其中，所述第二发射信号具有第二发射载波频率，所述第二发射载波频率是所述第二值与所述第一LO频率的乘积并且所述第二发射载波频率与所述第一无线通信站的所述第一LO在频率上同步，但是所述第二发射信号由于第一信道相移而具有可变相位，所述第一信道相移等于所述第二载波频率乘以所述无线信道的时间延迟，其中，所述第一RF 接收器被配置为经由所述无线信道接收相移的第二发射信号，所述相移的第二发射信号包括其相位移位了第二信道相移的所述第二发射信号，所述第二信道相移等于所述第二发射载波频率乘以所述无线信道的所述时间延迟，并且其中，所述第一无线通信站根据接收到的相移的第二发射信号来查明所述无线信道的所述时间延迟。
[0009] 本发明的又一方面能够提供一种包括第一无线通信站和第二无线通信站的系统。所述第一无线通信站可以包括：第一本地时钟；第一伪随机数 (PRN)序列生成器，其被配置为使用所述第一本地时钟来生成第一PRN 序列；以及第一发射器，其被配置为发射包括所述第一PRN序列的第一发射信号。所述第二无线通信站被配置为经由无线信道接收相移的第一发射信号，所述相移的第一发射信号包括其相位移位了第一信道相移的所述第一发射信号，所述第一信道相移取决于所述无线信道的时间延迟。所述第二无线通信站包括：第二本地时钟；第二PRN序列生成器，其被配置为使用所述第二本地时钟来生成所述第一PRN序列；恢复的第一时钟，其是根据所述接收到的相移的第一发射信号来恢复的；以及处理器，其被配置为：使用所述恢复的第一时钟根据所述接收到的相移的第一发射信号来恢复所述第一PRN序列；并且将所述第二PRN序列与所恢复的第一PRN序列进行比较以确定所述第一无线通信站与所述第二无线通信站之间的码相移误差。
附图说明
[0010] 根据下面结合附图考虑的示范性实施例的详细描述，将更容易理解本发明。
[0011] 图1图示了磁共振成像(MRI)系统100的示范性实施例。
[0012] 图2A图示了在两个未同步的通信站处的本地时钟的范例。
[0013] 图2B图示了在两个同步的通信站处的本地时钟的范例。
[0014] 图3是用于图示针对经由具有缓慢变化的路径延迟的无线信道进行通信的两个无线通信站之间的时钟同步的条件的图。
[0015] 图4示出了图示针对无线通信系统中的载波
相位同步的过程的
概念图。
[0016] 图5示出了图示针对无线通信系统中的载波相位同步的布置的功能
框图。
[0017] 图6示出了针对与远程站或移动站无线通信的主站或基站的时钟管理系统的功能框图。
[0018] 图7示出了针对与主站或基站无线通信的远程站或移动站的时钟管理系统的功能框图。
[0019] 图8示出了针对接收到的伪随机噪声(PRN)码与本地生成的PRN码之间的相位对准的布置的功能框图。
[0020] 图9图示了在用于MRI系统的无线通信系统中可能发生的多路径传播现象。
[0021] 图10图示了针对以多路径传播为特征的无线通信信道的脉冲响应的范例。
[0022] 图11图示了以多路径传播为特征的无线通信信道的模型。
[0023] 图12图示了可以用于接收以多路径传播为特征的通信信道中的无线信号的接收器架构的范例实施例。
[0024] 图13图示了可以由无线通信站发射的同步序列的范例的自相关。
具体实施方式
[0025] 现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明可以以不同的形式来实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施例。相反，这些实施例被提供作为本发明的教导范例。
[0026] 图1图示了磁共振成像(MRI)系统100的示范性实施例。
[0027] MRI系统100包括静态磁体1、
梯度线圈2、梯度电源103、患者台或患者床104、患者台控制器105、RF线圈单元106a、无线RF站106b、发射器107、时钟生成器108、RF/梯度场控制器109、
驱动器110、无线电单元111、重建前端115、重建系统120、存储设备121、显示器122、输入单元123、
主控制器124以及数据生成器125。
[0028] 在一些实施例中，不同于无线RF站106b的部件被包括在与无线RF 站106b分开的主单元中。此外，主单元可以被分成
机架和处理系统。在这种情况下，例如，可以在机架中提供静态磁体101、梯度线圈102、梯度电源103、患者台104、患者台控制器105、RF线圈单元106a、发射器107、 RF/梯度场控制器109以及无线电单元111，同时可以在处理系统中提供时钟生成器108、驱动器110、重建前端115、重建系统120、存储设备121、显示器122、输入单元123以及主控制器124。
[0029] 静态磁体101具有中空的圆柱形状，并且在其内部空间中生成均匀的静态
磁场。例如，
永磁体或超导磁体被用作静态磁体101。
[0030] 梯度线圈102具有中空的圆柱形状，并且被设置在静态磁体101内部。梯度线圈102可以包括对应于彼此
正交的X轴、Y轴、Z轴的三种线圈的组合。当三种线圈分别被供应有来自梯度电源103的
电流时，梯度线圈102 生成其强度沿着X轴、Y轴、Z轴倾斜的梯度磁场。另外，Z轴在与例如静态磁场的方向相同的方向上。X轴、Y轴、Z轴的梯度磁场分别对应于例如切片选择梯度磁场Gs、相位编码梯度磁场Ge和读出梯度磁场Gr。切片选择梯度磁场Gs用于确定给定的成像部分。相位编码梯度磁场Ge用于根据空间
位置来改变磁共振信号的相位。读出梯度磁场Gr用于根据空间位置来改变磁共振信号的频率。
[0031] 对象20在被安置在患者台104的顶板104a上时被插入到梯度线圈102 的内部空间(成像空间)中。患者台104使顶板104a在患者台控制器105 的控制下在纵向方向(图1中的左右方向)和垂直方向上移动。通常，患者台104被安装为使得该纵向方向与静态场磁体101的中
心轴平行。
[0032] RF线圈单元106a包括容纳在圆柱形壳体中的一个或多个线圈。RF线圈单元106a被设置在梯度磁场线圈102的内部。向RF线圈单元106a供应来自发射器107的高频脉冲(RF脉冲)以生成高频磁场。
[0033] RF站106b可以被安装在顶板104a上，嵌入顶板104a中或者被附接到对象20。在成像时，无线RF站106b与对象20一起被插入成像空间中，并且接收或感测从对象20发出的、作为
电磁波的磁共振信号，并且响应于此而产生表示感测到的磁共振信号的数字数据。无线RF站106b可以包括或被附接到一个、两个或更多个接收RF线圈单元，所述接收RF线圈单元可以包括用于感测从对象20发出的磁共振信号的任何种类的线圈。无线 RF站106b包括作为
电信号(例如作为
数字信号)进行无线发射的功能，该数字数据表示从对象20接收到的磁共振信号。
[0034] 发射器107向RF线圈单元106a供应对应于拉莫尔频率的RF脉冲。
[0035] 时钟生成器108生成具有预定频率的第一
时钟信号。该第一时钟信号可以被用作系统时钟，所述系统时钟充当针对MRI系统100的整体操作的定时的参考。
[0036] RF/梯度场控制器109在主控制器124的控制下根据所需的脉冲序列来改变梯度磁场，并且控制梯度电源103和发射器107，使得可以发射RF脉冲。另外，RF/梯度场控制器109在由驱动器110适当调整了该信号的电平之后被提供有第一时钟信号。RF/梯度场控制器109与该第一时钟信号同步地执行脉冲序列。
[0037] 无线电单元111接收从无线RF站106b数字且无线发射的磁共振信号。无线电单元111对接收到的数字磁共振信号进行数字解调，然后将经解调的信号输出到重建前端115。
无线电单元111通过由数据生成器125输出的数据信号来调制第一时钟信号，从而将数据信号与作为第一发射信号的第一时钟信号无线发射到RF站106b。
[0038] 重建前端115使从无线电单元111提供的磁共振信号经受增益控制、频率转换和正交检测。重建前端115还对在无线RF站106b中压缩的磁共振信号的幅度进行解压缩。
[0039] 重建系统120基于在重建前端115中处理的磁共振信号中的至少一个来重建对象20的图像。
[0040] 存储设备121存储各种类型的数据，例如，指示在重建系统120中重建的图像的图像数据。
[0041] 在主控制器124的控制下，显示器122显示在重建系统120中重建的图像或包括供用户操作MRI系统100的各种类型的操作屏幕的各种类型的信息。任何方便的显示设备(例如，
液晶显示器)能够用作显示器22。
[0042] 输入单元123接受来自MRI系统100的操作者的各种命令和信息输入。输入单元123可以包括诸如
鼠标或
跟踪球的
指针设备、诸如模式转变
开关的选择设备和/或诸如
键盘的输入设备。
[0043] 主控制器124具有未示出的CPU、
存储器等，并且控制整个MRI系统 100。
[0044] 数据生成器125在主控制器124的控制下生成用于经由无线电单元111 与RF站106b通信的数据信号。
[0045] MRI系统或装置的一般操作是众所周知的，因此这里不再重复。
[0046] 无线RF站106b依靠内部时钟来与MRI系统的时钟生成器进行正确同步。然而，由于无线RF线圈和感应RF噪声的无线性质，使用常规的无线通信方法通常难以准确地将接收器时钟与系统时钟同步。
[0047] 在接下来的讨论中，参考第一通信站(特别是第一无线通信站)以及第二通信站(特别是第二无线通信站)。在一些实施例中，第一无线通信站可以被认为是基站，并且第二无线通信站可以被认为是远程站或移动站。在一些实施例中，MRI系统100的主单元(特别包括RF线圈单元106a、发射器107、无线电单元111、时钟生成器108、驱动器110和主控制器124) 的部分可以对应于下面描述的第一无线通信站，无线RF站106b可以对应于下面描述的第二无线通信站。
[0048] MRI系统需要维持一种
生态系统，其能够共存于一个稳定且良好受控的医学设施中，以便正常运行并且不会干扰其他电磁设备。这是由于弱的患者信号与强的MRI发射器的高度敏感性导致的。这些要求使得MRI系统需要被
定位在有限且受限的RF屏蔽室内。MRI位置和生态系统需要用于无线通信的特定和不寻常的条件。无线通信协议应当在具有不可预知的MRI 条件的环境中维持高
水平的服务
质量，所述不可预知的MRI条件包括高功率
杂散发射、在不影响MRI信号或
信噪比(SNR)的情况下在位置、频率和时间上具有信号传播的较大变化的密集多路径信道条件。
[0049] 为了解决这些问题中的一个或多个，在一些实施例中，MRI系统100 的主单元的第一无线通信站可以根据符合超宽带(UWB)通信标准的通信协议与无线RF站106b通信，其中，短脉冲(例如小于几纳秒)相移键控 (PSK)调制信号被散布在宽
频谱上。这种短脉冲UWB技术也可以被称为直接序列UWB(DS-UWB)或脉冲无线电UWB(IR-UWB)。与受信号传播条件影响很大的传统窄带技术(蓝牙、WiFi等)或正交频分复用UWB (OFDM-UWB)不同，脉冲UWB在诸如可能在MRI室中发现的多路径环境中蓬勃发展。这里应当理解，对于给定的功率发射掩码，UWB意味着具有大于500MHz的带宽的传输，对于短脉冲PSK UWB，这意味着每位的
能量(Eb)具有等于大于500MHz的信道带宽的扩展因子。因为Eb被散布在整个UWB信道上，因此存在零均值衰退。短脉冲也受益于反射路径延迟的定时大于传输时期。针对短脉冲UWB信道的概率
密度函数能够大于多路径环境中的自由空间性能。扩频因子和发射限制也意味着短脉冲UWB干扰和拦截的概率较低，这是在生成强MRI频率和谐波杂散的环境中共存所必需的。UWB标准允许在3.1GHz至10.6GHz的
频率范围内进行传输，这允许选择精确的频率以避免严重拥塞的频谱，如2.4GHz和5.8GHz。
[0050] 无线MRI系统通信中时钟同步的挑战之一是无线时钟
同步信号的传播延迟的时间变化。这样的时间变化可能由患者、患者台或MRI室内的操作人员的运动所引起。
[0051] 图2A和图2B示出了一个简单的范例，用光速交换信号来强调时钟同步的挑战。具体地，图2A图示了两个未同步的通信站处的本地时钟2101 和2202的范例，并且图2B图示了正在同步的本地时钟2101和2202的范例。这里，假定本地时钟2101是第一通信站(例如，基站)的(第一)本地时钟并且本地时钟2202是第二通信站(例如，远程站或者移动站)的(第二)本地时钟，并且本地时钟2202的定时可以由第二通信站基于在第二通信站处从第一通信站接收的信号的定时来控制或约束。
[0052] 在该范例中，所讨论的两个本地时钟2101和2202相隔五光分钟。例如，如果将一个时钟放置在地球上而将另一个时钟放置在火星轨道上，则情况就是如此。通过将“分钟”替换为“纳秒”，该范例能够轻松扩展至 MRI环境，因为光每纳秒行进约30cm，而MRI环境中的无线信道长度将为30cm至3m的量级。
[0053] 图2A示出了一个范例，其中，第一通信站处的本地时钟2201与根据由第一通信站从第二通信站接收的信号恢复的恢复时钟2102相差10分钟，而第二通信站处的本地时钟2202与根据由第二通信站从第一通信站接收的信号恢复的恢复时钟2102完全对齐。因为我们知道信道传播延迟是5分钟，因此我们能够得出本地时钟2101和2202不同步的结论。
[0054] 图2B示出了第一通信站处的本地时钟2101与恢复时钟2102之差以及第二通信站处的本地时钟2202与恢复时钟2201之差都是五分钟的范例，这相当于传播延迟。能够容易地显示出，如果在两个位置处测得的时间差相同，则两个时钟2101和2202被同步并且将保持同步，只要信道传播延迟是恒定的或者以比时钟更新速率低得多的速率改变。
[0055] 图3是用于图示针对经由具有缓慢变化的路径延迟的无线信道10进行通信的第一无线通信站310与第二无线通信站320之间的时钟同步的条件的图。具体地，如图3所示，第一无线通信站310(例如，主站或基站)包括(第一)本地时钟2102和根据由第一通信站310从第二通信站320接收的信号恢复的恢复时钟2101，其中，第一本地时钟2102与恢复时钟2101 之间的
相位差为 第二无线通信站320(例如，远程站或移动站)包括 (第二)本地时钟2202和根据由第二通信站320从第一通信站310接收的信号恢复的恢复时钟2201，其中，第二本地时钟2202与恢复时钟2201之间的相位差为 当 时，时钟2101、2202、
2102和2201被同步。
[0056] 为了解决使第二无线通信站(例如，MRI系统100的RF站106b)的本地时钟与第一无线通信站(例如，包括RF线圈单元106a、发射器107、无线电单元111、时钟生成器108、驱动器110以及主控制器124的MRI 系统的主单元)的本地时钟同步的挑战，第一无线通信站和/或第二无线通信站可以采用载波相位跟踪，其实施例在下面进行描述。这里，载波相位跟踪指的是测量和跟踪针对接收到的无线信号的恢复载波的相位的方法。相位测量可以通过将恢复载波的相位与同本地时钟同步的本地参考信号进行比较并因此与本地时间进行比较来建立。本地参考进而用于为相应的发射信号生成载波。对第一无线通信站和第二无线通信站两者都进行这项操作将是有益的。
[0057] 通过连续跟踪第一无线通信站和第二无线通信站两者中的载波相位并与相位信息交换消息，可以调整一个本地参考的相位(有益地是调整第二无线通信站的相位)，使得第一无线通信站和第二无线通信站两者中的载波相位测量产生相同的结果。一旦第一无线通信站和第二无线通信站两者中的载波相位测量产生在期望的
精度目标或
阈值内的相同结果，则时钟被认为是同步的。
[0058] 图4示出了图示针对无线通信系统400中的载波相位同步的过程的概念图，无线通信系统400包括经由无线信道10通信的第一无线通信站410 和第二无线通信站420。图5示出了更详细的功能框图，其图示了针对包括第一无线通信站510和第二无线通信站520的无线通信系统500中的载波相位同步的布置。无线通信系统500可以是无线通信系统400的一个实施例。
[0059] 第一无线通信站410包括
输出信号ejω0·t的第一本地振荡器4115，并且第二无线通信站420包括输出信号ej(ω0·t+Δω0·t)的第二本地振荡器4215。也就是说，通常在第一LO 4115的第一LO频率(ω0)与第二LO 4215的第二 LO频率(ω0+Δω0)之间存在频率差Δω0。
[0060] 在操作中，第一无线通信站410处理包括要被传送到第二无线通信站 420的数据的第一基带信号4111(S1(t))，以产生第一无线通信站410通过无线信道10发射的第一发射信号4119(S1(t)·ejN0(ω0·t))。有益地，第一基带信号4111的部分可以是其模式由第二无线通信站420先验已知的同步序列 (例如，Barker码)。第一基带信号4111的另一部分包含关于在第一无线通信站410处测得的载波相位差的信息。
[0061] 在无线通信系统500中，第一无线通信站510利用具有作为第一值(例如，N0)5125与第一LO 4115的第一LO频率ω0的乘积的第一载波频率的第一载波信号5111对第一基带信号4111进行上变频，以产生第一发射信号 4119。有益地，具有第一载波频率(N0·ω0)的第一载波信号5111与第一 LO 4115同步。
[0062] 第一发射信号4119通过无线信道10被传播延迟Δt延迟，并被第二无线通信站420接收作为延迟的第一发射信号4229(S1(t)·ejN0(ω0·t+ω0·Δt))。响应于接收到的延迟的第一jN0((-Δω0·t+ω0·Δt)发射信号4229，第二无线通信站420产生恢复的基带信号4228(S1(t)·e )。
[0063] 在无线通信系统500中，第二无线通信站520利用具有作为第一值(例如，N0)5225与第二LO 4215的第二LO频率(ω0+Δω0)的乘积的频率的下变频信号5211对接收到的延迟的第一发射信号4229进行下变频，以产生恢复的基带信号4228。
[0064] 这里能够看出，恢复的基带信号4228包括识别第一LO 4115的第一 LO频率与第二LO 4215的第二LO频率之间的频率差Δω0以及通过无线信道10的时间延迟Δt的信息。该信息能够用于提供对频率差Δω0和时间延迟Δt的校正以同步第二LO 4215与第一LO 4115，如下文所解释的。
[0065] 第二无线通信站420将第二基带信号S2(t)与校正信号(ejN1(-Δω0·t+ω0·Δt)) 相乘以产生校正的第二基带信号4211(S2(t)·ejN1(-Δω0·t+ω0·Δt))。这里能够看出，校正信号的频率和相位分别是第一LO 4115的第一LO频率与第二LO 4215 的第二LO频率之间的频率差Δω0的缩放的倍数以及通过无线信道10的时间延迟Δt，这些均存在于恢复的基带信号4228中。有益地，第二基带信号 S2(t)的部分可以是其模式由第一无线通信站410先验已知的同步序列(例如， Barker码)。在一些实施例中，第二基带信号S2(t)可以是第一基带信号S1(t) 的恢复和清洁版本。在S1(t)和S2(t)中具有相同的消息内容允许在第一无线通信站410处进行位误差估计。这通过比较接收信号的消息内容S2(t)与由第一无线通信站410发射的信号的消息内容S1(t)进行比较来完成。
[0066] 响应于校正的第二基带信号4211，第二无线通信站420产生第二无线通信站420通jN1(ω0·t+ω0·Δt)过无线信道10发射的第二发射信号4219(S2(t)·e )。
[0067] 在无线通信系统500中，第二无线通信站520利用具有作为第二值(例如，N1)5215与第二LO 4115的第二LO频率(ω0+Δω0)的乘积的频率的第二载波信号5213对校正的第二基带信号4211进行上变频，以产生第二发射信号4219。有益地，具有第二载波频率(N1·(ω0+Δω0))的第二载波信号5213与第二LO 4215同步。
[0068] 作为该过程的结果，第二发射信号4219具有作为第二值(N1)与第一 LO频率ω0的乘积且与第一LO 4115在频率上同步的第二发射载波频率 (N1·ω0)。然而，由于信道10的原因，第二发射信号4219也具有相位移位 (N1·Δω0·Δt)。由于该相位移位将随时间变化，因此仍需要对其进行评估和补偿。接下来将描述用于该相位移位校正的方法的范例。
[0069] 第二发射信号4219通过无线信道10被传播延迟Δt延迟，并被第一无线通信站410/510接收，作为经延迟的第二发射信号4129 (S2(t)·ejN1(ω0·t+2·ω0·Δt))。响应于接收到的经延迟的第二发射信号4129，第一无线通信站410/510产生恢复的基带信号4128(S1(t)·ejN1(2·ω0·Δt))。
[0070] 在无线通信系统500中，第一无线通信站510利用具有作为第二值(例如，N1)5115与第一LO 4115的第一LO频率ω0的乘积的频率的下变频信号5113对接收到的经延迟的第二发射信号4129进行下变频，以产生恢复的基带信号4128。
[0071] 这里能够看出，恢复的基带信号4128包括识别通过无线信道10的时间延迟Δt的信息。该信息能够用于提供对第一LO 4115和/或第二LO 4215 的载波相位的校正，以将第一无线通信站410/510和第二无线通信站420/520的LO和时钟彼此同步。例如，在一些实施例中，第二无线通信站 420/520可以调整其自身的本地振荡器和时钟的相位以解决通过无线信道 10的传播延迟Δt。在一些实施例中，第二无线通信站420/520可以发射信号(例如，同步脉冲或定时数据)到第一无线通信站410/510以使第一无线通信站410/510解决通过无线信道10的传播延迟Δt。
[0072] 关于传播延迟Δt和/或载波相位移位Δt·ω0的信息能够作为消息内容被添加到第一基带信号4111(S1(t))并且从第一无线通信站410/510发送到第二无线通信站420/520。在第二无线通信站420/520处接收到关于传播延迟Δt和/或载波相位移位Δt·ω0的信息之后，第二无线通信站420/520可以形成第三基带信号4237(ejN1(-ω0·Δt))。第二无线通信站420/520然后可以利用具有作为第二值(例如，N1)5215与第二LO 4115的第二LO频率(ω0+Δω0) 的乘积的频率的第二载波信号5213对第三基带信号4237进行上变频，以产生仅载波第三发射信号4239(ejN1(ω0·t))。仅载波第三发射信号4239的频率恰好为第一无线通信站510的第一LO 4115的频率的N1倍。使用具有比率 N1的分频器(预分频器)4241，具有与第一无线通信站410/510的第一LO 4115的频率和相位相同的频率和相位的恢复的时钟信号4243(ejω0·t)能够由第二无线通信站420/520恢复，第二无线通信站420/520没有由于第二无线通信站420/520的LO引起的任何频率偏移，并且也没有由于无线信道10 的可变传播延迟Δt引起的任何可变相位偏移。
[0073] 如上所述的载波相位跟踪允许位于远程的无线通信站之间的时钟同步，但是仅提供相对时间测量和同步。该方法的进一步改进是使用已知的伪随机数(PRN)序列作为数据流。通过对PRN序列(这里也被称为“码相位跟踪”)应用类似的相位跟踪方法，能够建立绝对时间测量并且能够在两个无线通信站之间同步绝对时钟时间。
[0074] 图6示出了针对第一通信站610(例如，主站或基站)的时钟管理系统的功能框图，图7示出了针对可以与第一通信站610无线通信的第二通信站620(例如，远程站或移动站)的时钟管理系统的功能框图。第一通信站610可以是图3、图4和图5的第一通信站310、410和/或510的一个实施例。第一通信站610可以是MRI系统100的包括时钟生成器108的主单元的无线通信站的一个实施例。第二通信站620可以是图3、图4和图5的第二通信站320、420和/或520的一个实施例。第二通信站620可以是MRI 系统100的RF站106b的一个实施例。
[0075] 第一通信站610包括：(第一)本地时钟6101、恢复的第二时钟6102、本地码数字控制振荡器(NCO)6110、(第一)发射PRN码生成器6112、本地载波NCO 6115、发射时间寄存器6116、发射或上变频
混频器6117、发射PRN序列寄存器6118、恢复的码NCO 6120、恢复的第二PRN码生成器6122、互相关器6124、恢复的载波NCO 6125、接收时间寄存器6126、接收或下变频混频器6127、接收到的PRN序列寄存器6128、具有相关联的存储器的处理器6150、发射器
6910以及接收器6920。
[0076] 在操作中，(第一)发射PRN码生成器6112基于本地码NCO 6110的定时根据已知的生成器多项式来生成第一发射PRN序列6113，本地码NCO 6110进而与本地时钟6101同步。发射时间寄存器6116存储第一发射PRN 序列6113的发射时间，并且第一发射PRN序列6113被存储在发射PRN码寄存器6118中。发射混频器6117与本地时钟6101同步地将第一发射PRN 序列6113与由本地载波NCO 6115生成的本地载波混合，并且将要由发射器6910发射的第一发射信号6119经由无线信道输出到第二无线通信站620。同时，接收器6920接收第二发射信号6129，第二发射信号6129包括经由无线信道从第二无线通信站620接收到的这样的第二发射信号：所述第二发射信号的相位被第二信道相移移位，所述第二信道相移取决于无线信道的时间延迟。接收混频器6127与恢复的第二时钟6102同步地将接收到的相移的第二发射信号6129与由恢复的载波NCO 6125生成的下变频信号进行混合，并且输出在第二无线通信站620处根据相同的已知的生成器多项式产生的接收到的PRN序列6123，其被第一无线通信站610用于生成第一发射PRN序列6113。互相关器6124基于恢复的码NCO 6120的定时将接收到的PRN序列6123与由第二PRN码生成器6122生成的PRN序列相关，恢复的码NCO 6120进而与恢复的第二时钟6102同步。接收时间寄存器 6126存储接收到的PRN序列6123的接收时间，并且接收到的PRN序列6123 被存储在序列寄存器6128中。
[0077] 处理器6150可将发射PRN序列6113的定时与接收到的PRN序列6123 的定时进行比较，以确定第一无线通信站610与第二无线通信站620之间的码相移误差。
[0078] 第二通信站620包括：(第二)本地时钟6202、恢复的第二时钟6201、本地码数字控制振荡器(NCO)6210、(第一)发射PRN码生成器6212、本地载波NCO 6215、发射时间寄存器6216、发射或上变频混频器6217、发射PRN序列寄存器6218、恢复的码NCO 6220、恢复的第二PRN码生成器6222、互相关器6224、恢复的载波NCO 6225、接收时间寄存器6226、接收或下变频混频器6227、接收到的PRN序列寄存器6228、具有相关联的存储器的处理器6250、发射器
7910以及接收器7920。
[0079] 在操作中，(第二)发射PRN码生成器6212基于本地码NCO 6210的定时来生成第二发射PRN序列6213，本地码NCO 6210进而与本地时钟 6202同步。发射时间寄存器6216存储第一发射PRN序列6213的发射时间，并且第一发射PRN序列6213被存储在发射PRN码寄存器6218中。发射混频器6217与本地时钟6201同步地将第二发射PRN序列6213与由本地载波NCO
6215生成的本地载波混合，并且将要由发射器7910发射的第二发射信号6219经由无线信道输出到第一无线通信站610。同时，接收器7920 接收相移的第二发射信号6229，相移的第二发射信号6229包括经由无线信道从第一无线通信站610接收的第一发射信号6119，该第一发射信号6119 是相位被第一信道相移移位，所述第一信道相移取决于无线信道的时间延迟。接收混频器6227与恢复的第一时钟6201同步地将接收到的相移的第一发射信号6129与由恢复的载波NCO 6225生成的下变频信号混合，并且输出接收到的PRN序列6223。互相关器
6224将接收到的PRN序列6223 与由第二PRN码生成器6222基于恢复的码NCO 6220的定时生成的PRN 序列相关，所述恢复的码NCO 6220继而与恢复的第一时钟6201同步。接收时间寄存器6226存储接收到的PRN序列6223的接收时间，并且接收到的PRN序列6223被存储在序列寄存器6228中。
[0080] 处理器6250可将发射PRN序列6213的定时与接收到的PRN序列6223 的定时进行比较，以确定第一无线通信站610与第二无线通信站620之间的码相移误差。
[0081] 在一些实施例中，第一无线通信站610和第二无线通信站620都跟踪第一无线通信站610与第二无线通信站620之间的载波相位和码相位的差异。在一些实施例中，可以在第一无线通信站610与第二无线通信站620 之间交换消息来校正载波相位和/或码相位的任何偏差。在一些实施例中，一个无线通信站(例如，第一无线通信站610(其可以是MRI系统100的包括时钟生成器108的主单元的无线通信站的实施例))将充当时钟参考，而另一个站(例如，第二无线通信站620(其可以是MRI系统100的RF 站106b的一个实施例))将根据交换的消息来调整其本地时钟和码相位。
[0082] 如上所述，第一无线通信站610和第二无线通信站620都可以根据已知的生成器多项式来生成相同的PRN序列。借助于互相关
块比较本地生成的PRN符号串与接收到的串允许在接收到的PRN序列与本地生成的PRN 序列之间进行准确的相位对准。一旦找到码相位，就能够利用如图8所示的布置来跟踪接收到的PRN码。
[0083] 图8示出了用于接收到的伪随机噪声(PRN)码与本地生成的PRN码之间的相位对准的布置800的功能框图。在一些实施例中，布置800可以被包括在第一无线通信站610和/或第二无线通信站620中。布置800包括码NCO 820、PRN码生成器822、I信道互相关器824A、Q信道互相关器 824B、恢复的载波NCO 825、发射时间寄存器826、下
变频器827、移位寄存器830以及具有相关联的存储器的处理器850。
[0084] I信道互相关器824A包括乘法器8242-L、8242-P和8242-E以及累加与转储元件8244-L、8244-P和8244-E。Q信道互相关器824B可以具有与 I信道互相关器824A相同的配置。
[0085] 在一些实施例中，具有相关联的存储器的处理器850可以包括处理器 6150和相关联的存储器或处理器6250和相关联的存储器。
[0086] 在操作中，下变频器827经由无线信道接收包括在另一无线通信终端处生成的PRN序列的接收信号829。下变频器从恢复的载波NCO 825接收下变频信号，并且使用该下变频信号将接收信号829下变频为同相(“I”) 和正交(“Q”)信道基带信号，下变频器将该同相(“I”)和正交(“Q”)信道基带信号供应给对应的I信道互相关器824A和Q信道互相关器824B。同时，恢复的PRN码生成器822生成本地PRN序列823，恢复的PRN码生成器822将本地PRN序列
823供应给移位寄存器830，并且恢复的PRN 码生成器822将本地PRN序列823的生成时间存储到发射时间寄存器826。移位寄存器产生PRN序列的三个
时移拷贝823(一个较早拷贝，一个即时拷贝，一个较晚拷贝)并且将这些拷贝分别供应给乘法器8242-L、8242-P 和8242-E。
乘法器8242-L、8242-P和8242-E将来自下变换器827的同相信道基带信号与PRN序列823的三个时移拷贝相乘，以产生三个同相相关值或结果IE、IP和IL，它们被供应给处理器850。类似地，Q信道互相关器 824B将来自下变换器827的正交相位信道基带信号与PRN序列823的三个时移拷贝相关，以产生三个正交相位相关值或结果，它们也被供应给处理器850。
[0087] 因此，在布置800中，接收到的信号829中的传入PRN码连续地与相同PRN序列823的三个本地生成的拷贝(一个较早拷贝，一个即时拷贝，一个较晚拷贝)进行比较(即，相关)。当经过适当调整时，针对PRN序列823的即时拷贝的相关性应当比针对较早拷贝和较晚拷贝的相关性具有显着更高的相关性值。针对较早序列和较晚序列的相关结果还应具有大致相同的绝对值。来自较早相关器、即时相关器和较晚相关器的输出信号能够用于生成
鉴别器信号，所述鉴别器信号作为反馈被施加到本地恢复的 PRN序列(例如，图6中的PRN码生成器
6122)。该反馈将确保恢复的PRN 序列与接收到的PRN序列同相。
[0088] 如上所述，在一些实施例中，第一无线通信站610和第二无线通信站 620连续生成PRN序列的两个拷贝。一个拷贝表示从接收到的信号流中恢复的PRN序列，另一个拷贝表示被发射到相应的其他站的PRN序列。与载波相位跟踪类似，如果两端的接收到的PRN码和发射的PRN码均具有相同的相位，则码相位跟踪要求时钟同步。
[0089] 如果第一无线通信站610与第二无线通信站620之间的码相位存在差异，则一端将调整其发射的PRN序列的相位，使得第一无线通信站610与第二无线通信站620的码相位相同。一旦第一无线通信站610和第二无线通信站620被
锁定并且正确地跟踪载波相位和码相位，则两个站上的所发射的PRN序列能够被用作时间的表示。例如，如果假设PRN序列的总长度为1ms并且每个个体符号的持续时间为1ns，则该布置将允许时间测量具有1ns的
分辨率和1ms的时钟周期。通过将时间测量为符号持续时间的几分之一即可获得更高的
时间分辨率。通过使用更长的PRN序列能够实现更长的周期性。
[0090] 在诸如MRI系统100的MRI系统内，
采样时钟被用于生成产生MRI 图像所需的各种
模拟信号并对所述各种模拟信号进行采样。这些采样时钟必须以非常高的准确度彼此同步。在RF采样时钟的情况下，这些时钟的最大漂移应当小于22ps以保持原始图像数据中的相位误差低于1度。同时， 22ps是无线信号行进大约7mm所花费的时间。
[0091] 在用于MRI线圈的无线数字接收器(例如，无线RF站106b)的情况下，这样的接收器内部的采样时钟应当借助于无线同步信号与MRI系统的其余部分(例如，时钟生成器108)同步。在MRI系统的环境中，同步信号的无线传输有几个相关联的挑战。这些挑战中的一个挑战是多路径传播。
[0092] 图9图示了在用于MRI系统的无线通信系统中可能发生的多路径传播现象。图9图示了(例如MRI系统100的主单元的无线通信站的)无线发射器910和(例如无线RF站106b的)无线接收器920。这里，无线发射器910在存在多个
反射器902的情况下通过无线信道将无线信号发射到无线接收器920。无线信号经由各种路径从无线发射器910行进到无线接收器 920，所述各种路径包括主视线(LOS)路径905和多个额外的路径915a、 915b、915c和915d。
此外，例如由于反射器902和/或无线发射器910和/ 或无线接收器920中的一个或多个的移动，额外的路径915a、915b、915c 和915d中的一个或多个可以随着时间而改变。这种效应引起“多路径衰退”：额外的路径915a、915b、915c和915d上的信号在无线接收器920处以不同的延迟、幅度和相位到达，因此部分地抵消或增大通过LOS路径905接收的信号。在无线信号具有非常短的符号持续时间的情况下，多路径信号甚至可以携带来自先前符号的信息，这些符号可能与当前符号完全无关。
[0093] 图10图示了针对以多路径传播为特征的无线通信信道的脉冲响应 1000的范例。具体地，图10图示了具有超过500MHz的信道带宽的超宽带(UWB)传输信道的典型脉冲响应函数。由于非常大的信道带宽，原始脉冲的各种延迟回波在时间上是能明显区分的。脉冲响应函数的延迟扩展取决于无线信道周围的性质。MRI扫描器内部的典型延迟扩展大约为
10ns 的数量级，这相当于延迟信号增加了约10英尺的行程距离。因此，提供一种或多种能够解决这种环境的特性的多路径传播缓解技术将是有益的。
[0094] 图11图示了以多路径传播为特征的无线通信信道的模型1100。这里，发射的信号1119沿着多个路径(LOS路径和额外的路径)传播，每个路径被描绘为具有特定的延迟τ1...τM的延迟线1112-1、1112-2...1112-M和具有复数增益G1(t)...GM(t)的复数乘法器1114-1、
1114-2...1114-M。所有这些路径通过组合器1116与加性高斯噪声(AGN)1120和多址干扰
1130的进一步损害组合在一起以产生单个接收信号r(t)1229。
[0095] 如上所述，涉及混合
信号处理的MRI系统内的所有时钟应当以高准确度同步。如果不这样做，则会在信号链中引入误差，这些误差将在信号之上表现为噪声，或者表现为由于编码错误造成的伪影。如果部分信号链被无线完成，则需要根据无线信号恢复时钟。
[0096] 然而，无线信号由于多路径衰退、变化的信道延迟、不需要的阻挡信号和其他因素而受到损害。这些损害中的每个都会对恢复的时钟信号的质量产生负面影响。可以采用各种措施来对抗这些损害，包括使用超宽带 (UWB)无线信号(例如，传输带宽>500MHz)，使用基于诸如Barker码或黄金码之类的伪随机噪声(PRN)码的特殊信号编码，使用短脉冲雷达 (IR)型信号，在接收端使用匹配
滤波器和/或Rake接收器，和/或通过测量信道的时间和/或频率响应对信道的周期性表征。
[0097] 对抗多路径信道劣化效应的一种方法是仔细探查信道，然后对接收信号应用校正。例如，能够以比信道的时间变化高得多的速率记录信道的脉冲响应，并且将该信息用于接收端的“Rake接收器”。能够在时域中通过应用短脉冲雷达(IR)型脉冲或在频域中通过使用啁啾式信号对信道带宽进行扫频来找到信道脉冲响应。
[0098] 图12图示了可以用于在以多路径传播为特征的通信信道中接收无线信号1229的接收器1200的部分的范例实施例。接收器1200包括多个相关器 1212-1、1212-2...1212-M和包括可变增益元件1214-1、1214-2...1214-M、组合器1216、积分器1218和判定块1220的信号处理器1250。
[0099] 在操作中，接收到的无线信号1229被提供给相关器1212-1、 1212-2...1212-M，它们中的每个将接收到的无线信号1229与被选择为与多路径信道中的一个路径相对应的对应时间延迟相关。信号处理器1250通过以下步骤来处理多个相关器的相关性输出：通过与多路径信道中的对应路径的相对强度相对应的对应因子α1、α1、...αM对每个相关器的输出进行加权；将相关器的经加权的输出相加以产生加和；在接收到的相移的第二发射信号的一个位周期上对加和求积分；并且将加和与阈值进行比较以确定针对位周期中的接收到的无线信号1229的位的值，并且输出多路径补偿的输出信号1239。
[0100] 通过使用具有长编码长度的UWB信号作为同步脉冲，也可以减少接收到的信号中的多路径回波。
编码信号可以被选择为使得其具有带低波瓣的强自相关峰值。图13图示了可以由无线通信站发射以对抗多路径传播效应的同步序列的范例的自相关，表现出强自相关峰值1310。针对这样的信号的范例是伪随机噪声(PRN)码，例如，Barker码或黄金码。
[0101] 尽管在本文中公开了优选实施例，但是属于本发明的构思和范围之内的许多变化是可能的。在查阅本文中的
说明书、附图和
权利要求之后，这样的变化对于本领域技术人员来说将变得清楚。因此，除了在权利要求的范围之内以外，本发明不受限制。
