TDA8783在CCD相机视频信号处理中的应用

0 引言
高分辨率可见光相机是航天遥感最重要的手段之一，在商业领域和科学研究领域也都具有广泛的应用前景。高分辨率可见光相机的发展，已经成为衡量一个国家科学技术水平的重要标志。目前，用户对地面分辨率的要求不断提高，发展高分辨率光学遥感器成为世界各国在空间遥感领域研究的热点。高分辨率可见光相机在国外发展较早，美国等发达国家已先后发展了高分辨率可见光相机。而我国高分辨率CCD相机的发展起步较晚,跟发达国家水平还有一定距离。影响相机分辨率的因素有很多，低噪声视频处理技术是实现相机高分辨率成像能力的关键之一。

1 CCD器件的噪声及噪声处理
CCD器件的噪声主要有光子噪声、散粒噪声、肥零噪声、转移噪声、暗电流噪声和输出噪声[1]，噪声是影响CCD输出图像信号的主要因素。

在CCD应用中为抑制和消除上述噪声采取了以下措施[3]：

（1）在电路工艺上，增加直流电源的滤波，消除来自电源的干扰。缩短驱动电路与CCD器件的连线，降低时钟感应造成的尖峰干扰。数字地与模拟地分开，减少来自地线的干扰。

（2）对于转移噪声，采用将CCD电压取反倒置或提高衬底电压使CCD电压倒置，可以消除界面态俘获噪声；降低运行温度可以使俘获噪声明显成指数减小。

（3）对于散粒噪声，利用相邻像素（或相邻行）积分平均器法去除或相邻多帧取平均法。（4）暗电流噪声：对于各像元暗电流较平均的CCD来说，如果在像元阵列的起始处有少量暗像元，则对其输出信号采样存储，并与后续有效像元的输出信号采样值相减以去除暗电流噪声。但必须保证两次采样的积分时间和温度相同。

（5）对输出噪声可使用截至频率为2f（f为CCD读出频率）的低通滤波器。另外还有相关双采样法（CDS）、双斜积分法（DSI）、箝位切除法（CCS）等。

2 TDICCD视频信号处理
视频处理电路主要是去除复位脉冲干扰和噪声信号，由前置放大、相关双采样、箝位、滤波输出、行缓存、输出接口电路等环节组成。CCD视频处理电路如图2－1所示。

图2－1 视频处理电路原理框图

CCD图像传感器接收的图像信号经过前置放大后成为差分信号输出，经过差分接收电路后变换成单端视频信号，经过CDS进行相关双采样处理，得到“干净”的视频信号，再经过低通滤波器滤除CCD驱动脉冲的尖峰干扰，由可控增益放大电路放大到A/D转换器需要的电平，进行A/D变换，成为数字图像信号，并由缓存器（FIFO）交替缓存，由 LVDS接口芯片驱动后输出。

在实际设计中采用了Philips公司的专用CCD相机接口芯片TDA8783来实现。

2.1 TDA8783简介
TDA8783是PHILIPS公司的一种专用于CCD相机的10位模数接口芯片，主要由相关双采样电路（CDS）、增益控制电路（AGC）、箝位电路、低功耗10bit模数转换器（ADC）组成[5]。可通过对片上三线串口编程实现片内DACs分配来完成系统的各个功能。

2.2 前置放大电路
CCD输出的信号电平随积累电荷的增加而下降。为了进行长距离传输和减少传输过程中引入的共模干扰，需要进行放大和差分输出。前置放大作用就是对CCD的输出信号放大到足够的幅度。

本系统中前置放大器与CCD输出端之间采用交流耦合方式，消除了直流电平，有利于两级之间的匹配，同时也消除了温度等因素造成的零点漂移对传输信号的影响。当然，采用交流耦合会造成信号中直流成份的丢失，这可由后续的箝位电路来恢复其直流分量。

2.3 相关双采样（CDS）

为保证输出高信噪比的视频信号，就必须对噪声予以处理。相关双采样（CDS）技术，不仅可以很好地滤除复位噪声，而且对TDICCD传感器的水平时钟驱动及电源地线耦合串扰噪声、输出放大器的白噪声和1／f噪声等成份也有一定的滤除作用[4]。

在本系统中我们采用CCD相机接口芯片TDA8783实现CCD视频信号处理，它内部包含一个相关双采样（CDS）模块，能够有效地对CCD输出信号进行处理，很好地消除CCD的KTC噪声等。CDS可编程带宽为4～120MHz；输入峰值电压400mV；输出放大器增益 为6dB。在使用中，可以通过对外部三线串口编程来选择内部控制DAC来实现CDS功能。当串口移位寄存器地址A2A1A0＝“001”时，片内4bit DAC工作控制CDS工作。本系统中采样速率为4MHz，在此4 bit DAC输入代码设置为D3D2D1D0＝“0001”。

2.4 增益控制
为了适应不同亮度的目标，防止信号过弱或饱和，视频信号处理电路中应设计增益选择放大电路。根据地面目标的亮度，选用相应的增益。CCD相机接口芯片TDA8783内部集成了一个增益控制器（AGC），AGC输出最小增益为4.5dB，最大增益为34.5dB。TDA8783的增益控制内部逻辑关系如图2－2所示。通过对三线串口编程来实现增益控制功能，当串口输入移位寄存器地址A2A1A0＝“010”时，9 bit控制DAC工作；当其输入代码为“00”时，为最小增益4.5dB，输入代码大于等于“319”时，输出增益为34.5dB。

图2－2增益控制内部逻辑关系图

2.5 箝位与滤波电路

图2－3输入箝位内部逻辑框图

相关双采样处理电路输出的信号混杂有采样尖锋干扰和其它高频干扰信号，这就需要经过低通滤波电路来滤除高频干扰，并挑选出频率较低的有用视频信号。同时，前置放大器采用交流耦合，负极性的交流信号经过相关双采样去除噪声，并以正极性的形式出现在相关双采样电路的输出端。两次采样并相减的过程中会引入一些不必要的负极性成份。由于A/D转换电路要求输入的模拟量不能为负值，所以设置了箝位电路，去除低通滤波后信号中的负电平。

TDA8783中包含了带宽控制电路和箝位控制电路，可以通过对片上三线串口编程来实现带宽控制和箝位控制功能。TDA8783的箝位控制内部逻辑关系如图2－3所示。当串口输入移位寄存器地址A2A1A0＝“001”时，片上8 bit DAC工作来控制带宽，此时D3～D0用于设置CDS带宽，D4～D7用于设置AGC带宽；当串口输入移位寄存器地址A2A1A0＝“100”时，片上10bit DAC工作来控制ADC（模数转换器）的输入箝位电平。

当输入代码为“0”时，VDACOUT（ADC箝位控制DAC输出电压）为1.5V；当输入代码为“1023”时，VDACOUT为2.5V。

2.6 模数转换
视频处理电路的输出是模拟信号，为便于数据压缩和传输，需要把它转换成数字信号，模数转换电路[2]在时序脉冲控制下把模拟视频信号转换成数字视频信号，并按规定的格式驱动输出。根据技术指标要求，辐射量化等级为8bit，需要采用采样速率大于10MHz的A/D芯片输出。为了获得高质量的量化信号，需要认真选择性能参数较高的A/D转换器。

   在本系统中， TDA8783集成了一个10bit A/D转换器。该ADC（模数转换器）的最大采样频率可以达到40MHz，最小时钟脉宽12ns，占空比1：1，输入峰值电压2V，最大输入电流120 ，＋5V单电源供电，典型非线性误差0.2LSB，最大采样延时5ns。

在进行A/D转换时，需要正确确定A/D转换的采样点，也就是采样脉冲在模拟信号上的位置（必须让采样点落在有效而且稳定的模拟信号段上），否则有可能是采样点落在信号的不稳定位置，产生误差信号，或是采样点落在信号以外的位置，产生错误信号。

2.7 数据输出接口
数据输出采用LVDS差分输出，每通道的输出信号有：一路像元时钟，一路行同步信号和数字图像信号。图像数据、行同步和像元时钟信号经过接口电路驱动后输出。接口芯片选用NS公司的DS90C031。

3 结论
（1）只有正确设计系统的时序驱动信号才能够完成整个电路的协调工作；

（2）CCD输出视频信号的前置放大电路也应尽量靠近传感器，CCD视频信号处理电路

间也应尽量靠近，来减小传输过程中引入的噪声干扰；

（3）CCD信号经过视频处理电路处理后，信号质量得到了很大改善，满足系统指标要求。