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。