视频信号 分析

第 30 卷　 第 6 期　　　 　　　　　　　　　　　　激 光 与 红 外 V o l. 30,N o. 6 　 2000 年 12 月 　　　　　　　　　　　　　　LA SER　&　 IN FRA R ED D ecem ber, 2000 　　文章编号: 100125078 (2000) 0620373203 CCD 视频信号处理电路应用 佟首峰, 刘金国, 阮　锦, 郝志航 (中科院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130022) 摘　要: 首先对CCD 输出信号特性进行简要描述, 然后针对 CCD 信号存在复位噪声, 对相关 双采样法进行细致分析。为了改善视频图像, 需要对图像的对比度和亮度进行调节, 提出了可 编程增益控制和数字化偏置控制方法。另外, 对暗电平自动校正和A öD 模数转换也进行比较 深入的研究。XRD 4460 是CCD 视频处理专用集成芯片, 它包含了上面所述的所有功能。本文 已成功地将XRD 4460 CCD 视频信号处理专用芯片应用于遥感CCD 相机中, 并且得到比较理 想的视频图像。 关键词: 电荷耦合器件; 相关双采样; 可编程增益控制; 数字化偏置控制; 暗参考电平校正 中图分类号: TN 29; TN 386. 5　　　文献标识码: A An Analysis of CCD Analog Signa l Processing TON G Shou2feng,L IU J in2guo, RUAN J in, HAO Zh i2hang (Changchun Inst itu te of Op tics, F ine M echan ics and Physics Ch inese A cadem y of Sciences, Chang Chun 130022) Abstract: T he characterist ics of CCD ou tpu t signal are analyzed b riefly at first, then the co rrela ted doub le samp le (CD S) function to elim inate the KTC no ise are p resen ted in detail, the p rogramm ab le gain and digita l offset con tro lling are described as w ell,w h ich is often necessary to adju st the con trast and b righ tness fo r dis2 p laying a h igh quality im age, addit ionally, analog2to2digita l converter and digita l b lack level au to2calib rat ion function are in troduced. T he XRD 4460 ch ip is h igh ly analog app licat ion specific in tegrated circu it (A S IC) de2 signed p rim arily fo r CCD signal p rocessing, w h ich p rovides the comp letely functions m en tioned above. T he XRD 4460 have been used successfu lly in ou r CCD cam era fo r remo te sensing, and have m et ou r design specifi2 cat ions. Key words: charge coup led device; co rrela ted doub le samp ler; p rogramm ab le gain amp lifier; digita l offset; line rate clamp. 1　引　言 CCD 输出信号处理的目的就是尽可能地消除 各种噪声和干扰, 但又不能损失图像细节; 并且保证 在CCD 的动态范围内图像信号随目标亮度成线性 变化, 同时为了便于计算机处理和大容量存储, 还必 须对CCD 输出信号进行数字化处理[ 1 ]。这些功能若 由分立电路来实现, 电路复杂、调试困难、价格昂贵、 　　基金项目: 本论文为 86322 国家高技术资助课题。 作者简介: 佟首峰, (19732) , 男, 满族, 硕士, 现在中国科学院长 春光学精密机械研究所攻读博士学位。主要从事空间光学摄影的 CCD 相机研制工作, 参与两项国家 863 项目——传输型三线阵CCD 航天摄影测量相机和立体测绘微小卫星有效载荷2三线阵CCD 立体 测绘相机的研制。感兴趣的领域有空间光学摄影、电力电子、微弱信 号和数字图像处理等领域。已发表论文数篇。 收稿日期: 2000205208; 修订日期; 2000208221 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 功耗紧张等缺点是显而易见的, 这与CCD 相机向着 功能更强大、性能更完善、价格更便宜、功耗更低的 发展趋势是相悖的。因为相关双采样、可编程增益控 制、暗电平补偿、ADC 数模转换等功能是高性能相 机 所必备的, 所以许多公司 ( EXA R , KODA K, M A X IM )开发的CCD 视频处理专用芯片含有这些 通用功能电路。其中 EXA R 公司的XRD 4460 具有 功能强大、性能优越, 价格便宜等原因, 成为我们所 的CCD 相机信号处理电路的首选器件[ 2 ]。下面 我们对 XRD 4460 的各个功能模块进行详细分析, 并且简要阐述在采用XRD 4460 芯片来完成视频信 号处理应用中的一些工程中的实际问题。 2　相关双采样法 CCD 输出噪声主要有光子散弹噪声、暗电流噪 声、输出放大器产生的复位噪声。其中, 信号处理电 路主要对复位噪声 (亦称KTC 噪声)进行抑制[ 3 ]。由 于复位噪声表现为在同一像素周期内近似为常数, 但是对于不同像素单元是随机变化的。所以, 只要在 同一像素周期内的暗电平参考区间和信号电平区间 进行两次采样, 那么这两次采样的复位噪声是相关 的, 将两次采样值模拟相减后, 复位噪声从输出信号 中抑制了, 从而得到视频信号的真实成分, 这便是著 名的相关双采样法。在多种CD S 拓扑电路中, 2∆法 CD S 电路不仅能有效地消除 KTC 噪声、低频噪 声[ 2 ]。对于高速专用的视频信号处理芯片中基本上 采用这种方法。XRD 4460 的CD S 的原理框图如图 1 所示。CD S 输入信号为差分输入方式, 这种差分方 式不仅有效的抑制开关干扰, 而且采用较小的内部 电容可以获得比较长的保持时间。CCD 2 ( IN - PO S) 是公共电压端, 即 CCD 的视频信号地, CCD 1 ( IN - N EG) 为实际的CCD 视频输出端。为了便于 分析相关双采样的工作过程, 我们将结合控制信号 和内部结点的波形图 (见图 2)进行分析。CCD 视频 信号为周期信号 , 每一周期起始于复位脉冲的 上升沿。首先 SDR K 为高电平 , 将 PGA 的输入 信号箝位于 VDD 电平 , 内部电容对暗参考电 平采样。为了消除复位脉冲串扰的影响 , 应使 CCDR ST 脉冲的高电平与 CCD 视频信号的复 位脉冲串扰电平的相位匹配 , 当 CCDR ST 为高 电平 时 , 将 CCD 输 入 信 号 与 CD S 隔 离。 当 R STCCD 为低电平时 , 内部电容对暗参考电平 进行采样。当 SDR K 为低电平时 , 信号电平通 过内部电容耦合到差分放大器 PGA 1 的输入 端。 PGA 1 的输入电压为信号电平与暗参考电 平的差 , PGA 1 输出的全差分信号如图 2 中的 V a。当 SP IX 为高电平时 , PGA 2 输入端的内部 电容对 PGA 1 的输出信号 V a 的信号电平进行 采样保持。这样 PGA 2 的输出信号 V b (V b 与 V c 的波形相似 , 仅仅幅度和直流电平可能不 同 ) 便是噪声和干扰被抑制的视频真实信号。 由于暗参考电平和信号电平的采样点由 SH P 和 SHD 的下降沿控制 , 为了消除复位脉冲和 图 1　CD S 和 PGA 的原理框图 水平移位时钟的串扰影响, 需要对 SH P 的下降沿进行精确定位, 考虑 电荷转移时间和耦合电容的影响需 要对 SHD 的下降沿进行精确定位。 3　可编程增益控制 输入到ADC 的视频信号的电 压是由 CCD 像感器输出信号的电 压和信号处理的系统增益、偏置决 图 2　CD S 控制信号和内部结点信号的时序图 定的。因为CCD 像感器的输出信号的大小随着入射 照度的强弱而改变, 只有通过信号处理系统进行增 益、偏置地调节, 才能使输出的数字图像的亮度和对 比度满足要求。可编程增益控制既可以对视频信号 进行动态调节, 而且输入和输出信号的对应关系可 知。适合于一些科学探测中需要使输出信号的数值 与被探测信号的光强存在一定的对应关系的应用。 对 XRD 4460 的可编程增益控制的分析仍参见图 1 和图 2。由于增益带宽积的限制, CD S 的增益由两部 分共同完成。PGA 1 为宽带差分运算放大器, 它提供 CD S 的粗略增益, 依据串口输入的 8 位增益控制码 的高两位使增益增加 8dB、16dB、24dB。PGA 2 提供 精细增益, 当输入的增益码为 00H 时, 系统存在固 定的 6dB 增益, 增益控制码每增加一个码, 系统增 益增加 0. 125dB。所以系统总增益可以表达为 Gain 473 激 光 与 红 外　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 30 卷 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net [dB ]= 6+ 32× (codeö255)。 4　暗电平自动校正 XRD 4460 的输入端通常需要加隔直电容, 仅将 交流的视频信号输入到CD S 中。由于光强、温度、供 电电压的缓慢变化都会使视频输出信号的暗参考电 平出现波动, 在实际应用中, 需要暗参考电平维持一 个固定电平, 暗参考电平校正过程亦即直流电平恢 复过程。通过情况下, CCD 输出视频信号的开始部 分或结束部分会分布若干个暗电平参考像素。只要 让 CLAM P 的高电平与输出信号的暗参考像素对 应, 便能对暗参考电平进行校正。暗电平自动校正过 程参见图 2。当CLAM P 为高时, 将经过外部电容耦 合的视频信号的暗参考电平嵌位到内部偏置电压 V B。当CLAM P 为低电平时, 校正过程结束。只要选 择合适的外部耦合电容, 将使整行的暗参考电 平保持这个固定电平上。由于校正的过程发生的每 行的开始或结束, 所以亦称行率嵌位 (L ine R ate C lam p ) [ 5 ]。 5　数字偏置控制 为了提高弱光强条件下的灰度分辨率, 需要使 输出视频信号的暗参考电平高于ADC 的下参考电 压值, 那么仅仅调整增益是不够的, 还需要对视频输 出信号的偏置进行调整。偏置的设置过程参见图 3。 当CLAM P 为高电平时,ADC 的输出数字信号电平 为暗电平参考电压的值, 将它与偏置寄存器的存储 值进行比较, 从而增加或减少DA C 的偏置控制量, 此控制量与 PGA 2 的输出信号V c 叠加后再送给 ADC, 直至使ADC 的输出值等于寄存器的设置值。 图 3　偏置校正原理框图 也就完成了将整个视频信号整体电平抬高或降低过 程, 视频图像表现为亮度的增强和减弱。偏置设置过 程的调整需要六个 SH PöSHD 时钟周期: CD S 需要 1 个周期、A öD 转换需要 3 个周期、逻辑判断需要 1 个周期、DA C 需要 1 个周期, 所以要求 CLAM P 必 须包括 6 个完整的采样ö保持周期。一旦CLAM P 信 号变低, 校正过程结束。除非重新设置偏置或进行复 位操作, 否则将始终保持当前设置值。偏置寄存器的 8 位偏置码通过串口可编程控制。电源上电后默认 的偏置设置值为 08H , 典型值应选取 02H 到 20H。 6　A öD 模数转换 XRD 4460 内部集成了 10 位分辨率、逐次比较 式A öD 转换器, 由于利用对分搜索的原理, 转换速 率高达 18M , 这样的转换速度和转换精度适合于大 多数应用场合。ADC 转换由内部信号ADCL K 来控 制,ADCL K 的下降沿时刻对ADC 对 PGA 2 输出信 号 vc 进行采样。由于ADC 转换和并行数字地更新 需要 2. 5 采样周期。若从复位信号的上升沿计算, 从 视频输入到数字视频信号输出共需要 4 个 SH Pö SHD 时钟周期的延迟 (见图 1)。所以在给存储器送 行有效信号LVAL 时应考虑到这个因素的影响, 否 则不仅引起像素整体平移, 而且每一行的前后各有 4 个数据发生错误。 另外, XRD 4460 除了集成以上几种主要功能 外, 还有串行接口、省电模式、复位电路、时钟电平极 性控制等辅助电路, 给设计和应用带来方便。 7　结束语 通过对 CCD 视频信号处理各功能电路的详细 分析和对 XRD 4460 芯片深入地研究, 我们成功地 将 XRD 4460 芯片用于 CCD 遥感相机的视频信号 处理电路的研制中。我们不仅对 SH P、SHD、CC2 DR ST、CLAM P 等控制脉冲的周期、幅度、宽度、前 后沿和相互位置关系进行考虑设计, 而且还对 CCD 时序控制、时序驱动、信号布线、电源滤波等其它种 因素精心设计, 得到数据输出速率为 12M , 输出信 噪比为 50dB , 而且对比度和亮度可以根据信号的强 弱进行调整的视频图像, 圆满地达到了各项工程设 计指标。 参　考　文　献 [1 ]　李永远, 谢小平. CCD 输出信号处理 [J ]. 应用光学. 1997, 18 (1) : 20- 23. [2 ]　EXA R Co rpo rat ion. EXA R D ata Book [M ]. 1996. [3 ]　Perter D. Burns. Im age signal M odu lat ion and N o ise Characterist ics of Charge2coup led2device im gers [C ]. P roc. SP IE, 1989, 1071: 144～ 151. [4 ]　M ichael K riss, Ken Paru lsk i, L ew is D avid. C rit ical T echno logies Fo r Still Im aging System s [C ]. P roc. SP IE, 1989, 1082: 157～ 183 [5 ]　R am Kamm egundla,D avid Bo isvert. A 40M H z A nalog Signal P rocesso r fo r H igh2D efin it ion M o tion2Still V ideo System s[C ]. P roc. SP IE, 1996, 2645: 199- 205. 573第 6 期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　激 光 与 红 外 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net