一種CCD相機的視頻處理電路設計與噪聲分析

摘 要： 為使CCD相機系統能夠捕獲到高信噪比的圖像，介紹了一種視頻處理器TDA9965的應用電路設計，簡述了其內部組成框圖及工作原理。利用某型號TDI CCD作為系統傳感器，成功實現了對CCD輸出模擬視頻信號的量化處理，能夠使相機系統完成實時采集圖像等任務。同時分析了視頻處理器電路設計對相機系統圖像信噪比的影響，以電源噪聲為干擾源，具體計算了在電路設計不合理和改進設計后兩種情況下，CCD相機圖像信噪比的變化，并通過試驗測試驗證，合理的電路設計可以使圖像的信噪比提高20 dB以上，從而說明了視頻處理電路合理設計的重要性，為高速高信噪比CCD相機的研制提供了技術基礎。

關鍵字： CCD； 視頻處理； TDA9965； SNR

中圖分類號： TN702?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）18?0091?03

0 引 言

CCD（Charge?coupled Device）傳感器具有輸出噪聲低、靈敏度高、動態范圍大、光譜響應范圍寬等優點[1?2]，其輸出為模擬信號形式，因此需要利用視頻處理器進行數字量化處理，以便于圖像的傳輸、存儲與顯示，CCD視頻處理的另一目的就是：為了盡可能地消除各種噪聲和干擾同時又不損失圖像細節，并且保證在CCD的動態范圍內圖像信號隨目標亮度成線性變化[3?5]。

為保證相機系統的高信噪比要求，在選擇視頻處理器型號、設計其應用電路等方面均要特別注意。一款經過合理電路設計的高性能視頻處理器能夠使CCD相機系統穩定、可靠的工作，捕獲高質量的圖像。而如果視頻處理電路設計有問題，即使選用高性能的視頻處理器也將會降低整個相機的動態范圍，嚴重地影響圖像的信噪比。因此視頻處理電路設計的合理性直接影響著相機系統的成像質量。

本系統選用了具有高速、高精度特點的視頻處理器TDA9965，以該芯片為例，分析了在不同電路設計情況下，電源噪聲對相機圖像信噪比的影響，從而說明了視頻處理電路設計的重要性。

1 TDA9965的電路設計

1.1 TDA9965視頻處理器簡介

TDA9965視頻處理器是Philips公司生產的，其具有12位A/D量化精度、最高采樣頻率可達40 MHz，該芯片同時集成了相關雙采樣電路、具有可編程增益（0～36 dB），通過三線串口實現對芯片的工作參數設置[6]，其芯片內部的組成框圖如圖1所示。

1.2 TDA9965的工作原理

該芯片主要由CTH鉗位采樣保持電路模塊、PGA可編程增益控制模塊以及A/D模數轉換模塊等部分組成。模擬視頻信號從芯片引腳2輸入后，再利用FPGA產生的兩路采集信號SHP和SHD對輸入的視頻信號進行相關雙采樣處理，即在一個視頻信號周期內連續采集兩次，如圖2所示，以獲得模擬視頻信號的幅值，即圖中畫虛線的部分。

在獲得視頻信號的幅值后，還可根據實際視頻信號的大小，通過三線串口設置視頻處理器的增益和偏置，對視頻信號進行幅值放大，以獲得灰度較理想的圖像，經過放大后的視頻信號最終輸入至12位A/D轉換模塊進行數字量化處理，即完成了視頻處理器的處理過程。

量化后的圖像數據再輸入至FPGA，在FPGA中首先將圖像數據進行緩存，然后再利用乒乓操作按照規定的圖像格式，通過約定的接口將圖像數據傳輸至圖像快視系統。

1.3 TDA9965的應用電路設計

TDA9965具體的電路設計如圖3所示，輸入的視頻信號經過一個33 pF的獨石電容隔直處理后，再輸入芯片進一步處理。在同時處理多路視頻信號時，芯片之間的三根引腳VRT，VRB和REF32應該連接在一起，以保證在同一個參考電壓上，實現對多路模擬視頻信號的精確數字量化。

2 視頻處理器的電路噪聲分析

CCD相機系統的噪聲除了CCD傳感器自身所固有的噪聲，如非均勻噪聲、暗電流噪聲、固有圖形噪聲、復位噪聲和讀出噪聲等，還有外部電路設計引入的噪聲，其中影響最大的就是視頻處理電路部分的噪聲[7～9]。

在設計視頻處理器電路時，應注意盡量降低芯片供電電源與地平面上的噪聲，PCB設計時影響芯片性能的主要因素包括如下方面：

（1）CCD輸出信號與芯片輸入信號接口之間的連線應盡量短，并要加屏蔽地層保護；

（2）數字地與模擬地應進行隔離，并且模擬信號與數字信號的回流也應走到各自的地平面上；

（3）電源層與地層均要足夠穩定、低噪聲，輸入到各片視頻處理器的狀態應保持一致。

對于有多路視頻信號需要處理的情況，上述中第三條在PCB設計中尤為重要，各處理器之間的相互串擾噪聲影響較大，如果芯片的供電電源，或者其各種參考電壓有波動，則該噪聲的影響就會直接體現在圖像上。

則該噪聲將直接影響到視頻信號量化后的碼值，經計算碼值為102 LSB，即反應到圖像上灰度值變化為102，因此利用式（1）計算圖像的信噪比，SNR最大降低到32 dB。可見，芯片供電電源的波動對視頻處理電路的工作性能影響很大，直接影響著相機采集圖像的信噪比。因此必須盡量抑制電源及地平面上的噪聲，這與電路的合理設計是分不開的。

3 實驗及結果

采用TDA9965作為視頻處理器量化DALSA公司生產的某型號CCD傳感器，該傳感器共有8路模擬視頻信號輸出，因此需要8片處理器同時進行量化處理。

在TDA9965電路設計考慮不周全的情況下，如：參考電源不穩定、地平面較小、關鍵信號未屏蔽、高速信號的回流路徑較長、各處理器參考電源未連接等，芯片的供電電源及地平面上必然會有一定的噪聲。在該狀態下，相機在均一光源輸入的情況下，采集的灰度圖像如圖5所示，可見圖中有比較明顯的灰度噪聲條紋存在。分析其灰度碼值變化在50～100個碼左右，與上述的理論分析基本相符。

改進視頻處理電路設計不合理的部分，將供電電源、參考電壓和地平面均采用鋪銅設計，以提高電源與地平面的穩定性，降低供電電源的噪聲，對視頻模擬信號等關鍵信號進行屏蔽處理，盡量減少高速信號的回流路徑，將各處理器的參考電壓進行互連，以保證多路信號有相同的量化基準。同時為有效降低處理器供電電源與地平面上的噪聲，減小了多路之間的串擾噪聲，采用了磁珠、電容等器件對電源進行隔離、濾波處理，對系統的布局布線進行優化設計。因此在均一光源輸入的情況下，利用改進電路設計后的相機系統捕獲的圖像如圖6所示，條紋現象明顯改善。

計算上述圖像的均方根噪聲平均值為8.6 LSB，而視頻處理器的滿量程輸出為4 095 LSB，由式（1）計算可得該圖像的信噪比為53.56 dB，比電路設計不合理的狀態提高了21 dB，可見電路設計的合理性直接決定著相機捕獲圖像的信噪比。而一般航天相機的最大信噪比要求不小于40 dB[10]，所以在設計航天CCD相機時，必須對視頻處理電路進行合理設計，以保證系統信噪比的指標要求。

4 結 語

系統采用高精度、高速的視頻處理器TDA9956實現了對CCD輸出模擬信號的量化處理，分析了其電路設計對相機圖像質量的影響，通過試驗證明，合理的電路設計可以使圖像的信噪比提高20 dB以上。因此，必須高度重視視頻處理器的電路設計，其具有重要的工程意義，同時為高速高信噪比CCD相機的研制提供了一定的技術基礎。

參考文獻

[1] 佟首峰，阮錦，郝志航.CCD圖像傳感器降噪技術的研究[J].光學精密工程，2008，8（2）：140?145.

[2] 魏仲慧，張貴祥，何昕.基于增強型并口的CCD圖像數據高速采集系統[J].計算機測量與控制，2008，16（2）：276?281.

[3] 王慶友.CCD應用技術[M].天津：天津大學出版社，2005.

[4] 侯新梅，李自田，胡炳樑.AD9822及其在面陣CCD系統中的應用[J].現代電子技術，2010，33（20）：191?196.

[5] 劉燕，高偉，陳傳，等.TDA9965工作原理及其在TDI?CCD相機電路中的應用[J].現代電子技術，2010，33（18）：163?165.

[6] Philips Semiconductors Corporation. TDA9965A 12?bit 40Msps analog?to?digital interface for CCD cameras [R]. Netherlands： Philips Semiconductors Corporation， 2004.

[7] 全先容，李憲圣，任建偉，等.基于輻射亮度反演的TDI CCD相機的響應非均勻性校正[J].液晶與顯示，2011，26（3）：379?383.

[8] CHEN Zhi， QIU Yue?hong， WEN Yan， et al. A practical method to extending dynamic range of CCD camera [J]. SPIE， 2011，8149： 1?6.

[9] 魏偉，劉恩海，鄭中印.CCD相機視頻處理電路設計[J].光電工程，2012，39（6）：144?150.

[10] 楊秉新. TDI CCD相機的信噪比的研究[J].航天返回與遙感，2005，26（2）：22?24.