TDA8783在CCD相機(jī)視頻信號(hào)處理中的應(yīng)用

0 引言
高分辨率可見(jiàn)光相機(jī)是航天遙感最重要的手段之一，在商業(yè)領(lǐng)域和科學(xué)研究領(lǐng)域也都具有廣泛的應(yīng)用前景。高分辨率可見(jiàn)光相機(jī)的發(fā)展，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。目前，用戶對(duì)地面分辨率的要求不斷提高，發(fā)展高分辨率光學(xué)遙感器成為世界各國(guó)在空間遙感領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。高分辨率可見(jiàn)光相機(jī)在國(guó)外發(fā)展較早，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已先后發(fā)展了高分辨率可見(jiàn)光相機(jī)。而我國(guó)高分辨率CCD相機(jī)的發(fā)展起步較晚,跟發(fā)達(dá)國(guó)家水平還有一定距離。影響相機(jī)分辨率的因素有很多，低噪聲視頻處理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)相機(jī)高分辨率成像能力的關(guān)鍵之一。

1 CCD器件的噪聲及噪聲處理
CCD器件的噪聲主要有光子噪聲、散粒噪聲、肥零噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲、暗電流噪聲和輸出噪聲[1]，噪聲是影響CCD輸出圖像信號(hào)的主要因素。

在CCD應(yīng)用中為抑制和消除上述噪聲采取了以下措施[3]：

（1）在電路工藝上，增加直流電源的濾波，消除來(lái)自電源的干擾?？s短驅(qū)動(dòng)電路與CCD器件的連線，降低時(shí)鐘感應(yīng)造成的尖峰干擾。數(shù)字地與模擬地分開(kāi)，減少來(lái)自地線的干擾。

（2）對(duì)于轉(zhuǎn)移噪聲，采用將CCD電壓取反倒置或提高襯底電壓使CCD電壓倒置，可以消除界面態(tài)俘獲噪聲；降低運(yùn)行溫度可以使俘獲噪聲明顯成指數(shù)減小。

（3）對(duì)于散粒噪聲，利用相鄰像素（或相鄰行）積分平均器法去除或相鄰多幀取平均法。（4）暗電流噪聲：對(duì)于各像元暗電流較平均的CCD來(lái)說(shuō)，如果在像元陣列的起始處有少量暗像元，則對(duì)其輸出信號(hào)采樣存儲(chǔ)，并與后續(xù)有效像元的輸出信號(hào)采樣值相減以去除暗電流噪聲。但必須保證兩次采樣的積分時(shí)間和溫度相同。

（5）對(duì)輸出噪聲可使用截至頻率為2f（f為CCD讀出頻率）的低通濾波器。另外還有相關(guān)雙采樣法（CDS）、雙斜積分法（DSI）、箝位切除法（CCS）等。

2 TDICCD視頻信號(hào)處理
視頻處理電路主要是去除復(fù)位脈沖干擾和噪聲信號(hào)，由前置放大、相關(guān)雙采樣、箝位、濾波輸出、行緩存、輸出接口電路等環(huán)節(jié)組成。CCD視頻處理電路如圖2－1所示。

圖2－1 視頻處理電路原理框圖

CCD圖像傳感器接收的圖像信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大后成為差分信號(hào)輸出，經(jīng)過(guò)差分接收電路后變換成單端視頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)CDS進(jìn)行相關(guān)雙采樣處理，得到“干凈”的視頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除CCD驅(qū)動(dòng)脈沖的尖峰干擾，由可控增益放大電路放大到A/D轉(zhuǎn)換器需要的電平，進(jìn)行A/D變換，成為數(shù)字圖像信號(hào)，并由緩存器（FIFO）交替緩存，由 LVDS接口芯片驅(qū)動(dòng)后輸出。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用了Philips公司的專(zhuān)用CCD相機(jī)接口芯片TDA8783來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1 TDA8783簡(jiǎn)介
TDA8783是PHILIPS公司的一種專(zhuān)用于CCD相機(jī)的10位模數(shù)接口芯片，主要由相關(guān)雙采樣電路（CDS）、增益控制電路（AGC）、箝位電路、低功耗10bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）組成[5]。可通過(guò)對(duì)片上三線串口編程實(shí)現(xiàn)片內(nèi)DACs分配來(lái)完成系統(tǒng)的各個(gè)功能。

2.2 前置放大電路
CCD輸出的信號(hào)電平隨積累電荷的增加而下降。為了進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸和減少傳輸過(guò)程中引入的共模干擾，需要進(jìn)行放大和差分輸出。前置放大作用就是對(duì)CCD的輸出信號(hào)放大到足夠的幅度。

本系統(tǒng)中前置放大器與CCD輸出端之間采用交流耦合方式，消除了直流電平，有利于兩級(jí)之間的匹配，同時(shí)也消除了溫度等因素造成的零點(diǎn)漂移對(duì)傳輸信號(hào)的影響。當(dāng)然，采用交流耦合會(huì)造成信號(hào)中直流成份的丟失，這可由后續(xù)的箝位電路來(lái)恢復(fù)其直流分量。

2.3 相關(guān)雙采樣（CDS）

為保證輸出高信噪比的視頻信號(hào)，就必須對(duì)噪聲予以處理。相關(guān)雙采樣（CDS）技術(shù)，不僅可以很好地濾除復(fù)位噪聲，而且對(duì)TDICCD傳感器的水平時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)及電源地線耦合串?dāng)_噪聲、輸出放大器的白噪聲和1／f噪聲等成份也有一定的濾除作用[4]。

在本系統(tǒng)中我們采用CCD相機(jī)接口芯片TDA8783實(shí)現(xiàn)CCD視頻信號(hào)處理，它內(nèi)部包含一個(gè)相關(guān)雙采樣（CDS）模塊，能夠有效地對(duì)CCD輸出信號(hào)進(jìn)行處理，很好地消除CCD的KTC噪聲等。CDS可編程帶寬為4～120MHz；輸入峰值電壓400mV；輸出放大器增益 為6dB。在使用中，可以通過(guò)對(duì)外部三線串口編程來(lái)選擇內(nèi)部控制DAC來(lái)實(shí)現(xiàn)CDS功能。當(dāng)串口移位寄存器地址A2A1A0＝“001”時(shí)，片內(nèi)4bit DAC工作控制CDS工作。本系統(tǒng)中采樣速率為4MHz，在此4 bit DAC輸入代碼設(shè)置為D3D2D1D0＝“0001”。

2.4 增益控制
為了適應(yīng)不同亮度的目標(biāo)，防止信號(hào)過(guò)弱或飽和，視頻信號(hào)處理電路中應(yīng)設(shè)計(jì)增益選擇放大電路。根據(jù)地面目標(biāo)的亮度，選用相應(yīng)的增益。CCD相機(jī)接口芯片TDA8783內(nèi)部集成了一個(gè)增益控制器（AGC），AGC輸出最小增益為4.5dB，最大增益為34.5dB。TDA8783的增益控制內(nèi)部邏輯關(guān)系如圖2－2所示。通過(guò)對(duì)三線串口編程來(lái)實(shí)現(xiàn)增益控制功能，當(dāng)串口輸入移位寄存器地址A2A1A0＝“010”時(shí)，9 bit控制DAC工作；當(dāng)其輸入代碼為“00”時(shí)，為最小增益4.5dB，輸入代碼大于等于“319”時(shí)，輸出增益為34.5dB。

圖2－2增益控制內(nèi)部邏輯關(guān)系圖

2.5 箝位與濾波電路

圖2－3輸入箝位內(nèi)部邏輯框圖

相關(guān)雙采樣處理電路輸出的信號(hào)混雜有采樣尖鋒干擾和其它高頻干擾信號(hào)，這就需要經(jīng)過(guò)低通濾波電路來(lái)濾除高頻干擾，并挑選出頻率較低的有用視頻信號(hào)。同時(shí)，前置放大器采用交流耦合，負(fù)極性的交流信號(hào)經(jīng)過(guò)相關(guān)雙采樣去除噪聲，并以正極性的形式出現(xiàn)在相關(guān)雙采樣電路的輸出端。兩次采樣并相減的過(guò)程中會(huì)引入一些不必要的負(fù)極性成份。由于A/D轉(zhuǎn)換電路要求輸入的模擬量不能為負(fù)值，所以設(shè)置了箝位電路，去除低通濾波后信號(hào)中的負(fù)電平。

TDA8783中包含了帶寬控制電路和箝位控制電路，可以通過(guò)對(duì)片上三線串口編程來(lái)實(shí)現(xiàn)帶寬控制和箝位控制功能。TDA8783的箝位控制內(nèi)部邏輯關(guān)系如圖2－3所示。當(dāng)串口輸入移位寄存器地址A2A1A0＝“001”時(shí)，片上8 bit DAC工作來(lái)控制帶寬，此時(shí)D3～D0用于設(shè)置CDS帶寬，D4～D7用于設(shè)置AGC帶寬；當(dāng)串口輸入移位寄存器地址A2A1A0＝“100”時(shí)，片上10bit DAC工作來(lái)控制ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的輸入箝位電平。

當(dāng)輸入代碼為“0”時(shí)，VDACOUT（ADC箝位控制DAC輸出電壓）為1.5V；當(dāng)輸入代碼為“1023”時(shí)，VDACOUT為2.5V。

2.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換
視頻處理電路的輸出是模擬信號(hào)，為便于數(shù)據(jù)壓縮和傳輸，需要把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路[2]在時(shí)序脈沖控制下把模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號(hào)，并按規(guī)定的格式驅(qū)動(dòng)輸出。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，輻射量化等級(jí)為8bit，需要采用采樣速率大于10MHz的A/D芯片輸出。為了獲得高質(zhì)量的量化信號(hào)，需要認(rèn)真選擇性能參數(shù)較高的A/D轉(zhuǎn)換器。

在本系統(tǒng)中， TDA8783集成了一個(gè)10bit A/D轉(zhuǎn)換器。該ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的最大采樣頻率可以達(dá)到40MHz，最小時(shí)鐘脈寬12ns，占空比1：1，輸入峰值電壓2V，最大輸入電流120 ，＋5V單電源供電，典型非線性誤差0.2LSB，最大采樣延時(shí)5ns。

在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，需要正確確定A/D轉(zhuǎn)換的采樣點(diǎn)，也就是采樣脈沖在模擬信號(hào)上的位置（必須讓采樣點(diǎn)落在有效而且穩(wěn)定的模擬信號(hào)段上），否則有可能是采樣點(diǎn)落在信號(hào)的不穩(wěn)定位置，產(chǎn)生誤差信號(hào)，或是采樣點(diǎn)落在信號(hào)以外的位置，產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)。

2.7 數(shù)據(jù)輸出接口
數(shù)據(jù)輸出采用LVDS差分輸出，每通道的輸出信號(hào)有：一路像元時(shí)鐘，一路行同步信號(hào)和數(shù)字圖像信號(hào)。圖像數(shù)據(jù)、行同步和像元時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)接口電路驅(qū)動(dòng)后輸出。接口芯片選用NS公司的DS90C031。

3 結(jié)論
（1）只有正確設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)才能夠完成整個(gè)電路的協(xié)調(diào)工作；

（2）CCD輸出視頻信號(hào)的前置放大電路也應(yīng)盡量靠近傳感器，CCD視頻信號(hào)處理電路

間也應(yīng)盡量靠近，來(lái)減小傳輸過(guò)程中引入的噪聲干擾；

（3）CCD信號(hào)經(jīng)過(guò)視頻處理電路處理后，信號(hào)質(zhì)量得到了很大改善，滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。