CN102223491A - 一种低分辨率adc实现高分辨率模数转换的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对CCD相机利用低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的方法及其系统，该方法包括以下步骤：1)对焦平面组件FPA产生的CCD模拟信号进行后级预处理；2)对预处理后的CCD模拟视频信号进行放大，得到放大后的视频信号；3)将放大后的视频信号进行模数转换，得到低位ADC量化结果；4)将低位量化结果转换为高位量化结果。本发明提供了一种延迟小、传输速率高、抗干扰能力强、信噪比高以及应用范围广的针对CCD相机低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现方法及其系统。

Description

一种低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的方法及其系统

技术领域

本发明属电学领域，涉及一种模数转换方法，尤其涉及一种针对CCD相机利用低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的方法及其系统。

背景技术

CCD相机现已广泛应用于天文探测，其光谱范围覆盖300nm-1100nm之间。为了充分利用CCD探测器的动态范围，在设计CCD信号处理电路选择ADC时，应尽量满足ADC的动态范围大于CCD的动态范围。目前的CCD尤其科学级CCD的动态范围高达10⁵∶1，甚至10⁶∶1，此时若要满足DR_ADC≥DR_CCD，则必须选择分辨率为18-20bit的ADC。而高等级、高性能的高分辨率ADC较少且价格昂贵，所以在信号处理电路中，通常出现以下两种情况：

1)牺牲了CCD高端动态范围，保证了相机的灵敏度，即相机系统通道增益小(系统通道增益G定义为相机系统每读出一个ADC量化单位所对应的电子数)；

2)牺牲了相机的灵敏度，保证了CCD的高端动态范围。

CCD相机系统区别于其他信号处理系统最根本的不同点是它的噪声谱密度跟信号大小有密切关系。CCD相机系统噪声主要由光子噪声、复位噪声、暗信号噪声和读出噪声组成。其中，暗信号噪声可以通过对CCD器件进行制冷，使暗信号噪声减小。而光子噪声和信号大小息息相关。当CCD探测大信号时，光子噪声为CCD相机系统的主要噪声；当CCD探测小信号时，读出噪声为CCD相机系统的主要噪声。

根据CCD相机系统噪声特性，用低分辨率模数转换器ADC实现高分辨率的模数转换，主要是通过粗细量化的思想来实现。当采用n bit高分辨ADC进行模数转换时，系统通道增益为：

$G=\frac{S_{\mathrm{FW}}}{2^n}(e^{-}/\mathrm{LSB}),$ 其中S_FW为满阱电荷容量。

当采用(n-m)bit的低分辨率ADC进行模数转换，并采用粗细量化的思想，系统通道增益G为：

大信号探测时，系统通道增益G_大：

其中S_FW为满阱电荷容量。

小信号探测时，将其放大2^m倍后，系统通道增益G_小

其中S_FW为满阱电荷容量。

当大信号探测时，直接采用低分辨率ADC进行转换，会使系统通道增益增加，相机的探测灵敏度降低，但由于此时信号较强，光子噪声为主要噪声，因此不会影响相机对大信号的探测；当小信号探测时，将信号放大2^m倍后，再用(n-m)bit的低分辨率ADC进行模数转换时的系统通道增益与采用nbit高分辨ADC进行模数转换的相同，相机的探测灵敏度并未由于ADC分辨率的降低而降低，从而保证了小信号探测时的精度。

对于低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的传统方法是：用一个(n-m)bit低分辨率ADC，一个放大电路和一个模拟开关实现高分辨率模数转换，参见图1所示。该方案首先将经模拟前端处理后的CCD视频信号，与设定的阈值进行模拟比较，判断是强光信号还是弱光信号；然后根据判断结果选择相应的放大电路进行放大，同时将所选的放大倍数送给数据处理单元；数据处理单元根据提供的放大倍数对ADC转换的(n-m)位数据进行相应的数据处理。该方案需要进行模拟比较，模拟比较会引起数据传输链路中的延时。而且电路中需增加增益数据线，将所选的放大倍数送给数据处理单元，以备数据处理单元正确地处理数据所用。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种延迟小、传输速率高、抗干扰能力强、信噪比高以及应用范围广的针对CCD相机低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现方法及其系统。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现方法，其特殊之处在于：所述方法包括以下步骤：

1)对焦平面组件FPA产生的CCD模拟信号进行后级预处理；

2)对预处理后的CCD模拟视频信号进行放大，得到放大后的视频信号；

3)将放大后的视频信号进行模数转换，得到低位ADC量化结果；

4)将低位量化结果转换为高位量化结果。

上述方法还包括：

5)对高位量化结果进行偏置修正。

上述步骤2)的具体实现方式是：对步骤1)经过预处理后的CCD模拟视频信号同时进行不同放大倍数的增益放大。

上述步骤2)中对步骤1)经过预处理后的CCD模拟视频信号同时进行1倍增益放大和2^m倍增益放大，其中1倍增益放大对应小倍数增益放大；2^m倍增益放大对应大倍数增益放大。

上述步骤3)的具体实现方式是：

将步骤2)所得到的放大后的视频信号同时进行(n-m)bit量化，得到(n-m)bit粗、细量化结果；其中小倍数增益放大对应粗量化结果；大倍数增益放大对应细量化结果。

上述步骤4)的具体实现方式是：

4.1)将步骤3)产生的粗、细量化结果进行锁存，在每个像元周期内进行2^m次采集，分别计算该像元粗量化值的2^m次采集累加和记为sum_data_粗量化和细量化值的2^m次采集累加和记为sum_data_细量化，并将值存入累加和寄存器中。为了不使像元累加和寄存器溢出，设像元累加和寄存器位宽为n位。

4.2)对粗、细量化2^m次采集累加和结果进行自动切换；

4.3)对粗、细量化2^m次采集累加和结果自动切换后的值进行归一化处理。

上述4.2)的具体实现方式是：

4.2.1)设定一阈值；

4.2.2)将细量化值的2^m次采集累加和与阈值进行数字比较，若细量化值的2^m次采集累加和大于阈值，则取粗量化值的2^m次采集累加和处理结果；若细量化值的2^m次采集累加小于阈值，则取细量化值的2^m次采集累加处理结果。

上述4.3)的具体实现方式是：若粗、细量化结果自动切换选择输出细量化值的2^m次采集累加处理结果，取细量化值的2^m次采集累加和的高(n-m)位作为输出结果的低(n-m)位，高m位补零；若粗细量化结果自动切换后选择输出粗量化结果，则直接输出粗量化结果的累加和。

一种低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现系统，其特殊之处在于：所述系统包括对焦平面组件FPA产生的CCD模拟信号进行后级预处理的预处理模块、对预处理后的CCD模拟视频信号进行放大的放大模块、将放大后的视频信号进行模数转换以及将低位量化结果转换为高位量化结果的转换模块；所述预处理模块、放大模块以及转换模块依次电性连接。

上述系统还包括用于对高位量化结果进行偏置修正的修正模块，所述修正模块和转换模块相连。

上述预处理模块包括缓冲放大单元以及和缓冲放大单元相连接的相关双采样单元。

上述放大模块是两个具有不同放大倍数的运算放大器。

上述转换模块包括模数转换单元、数据处理单元以及与数据处理单元相连的粗、细量化结果自动切换单元。

本发明的优点是：

1、延迟小、传输速率高、抗干扰能力强。本发明所提供的针对一种低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现方法改变传统先比较再放大的方式，直接采用不同放大倍数的运放进行首先放大，然后进行数模转换，本发明利用粗细量化的思想来实现低分辨率ADC达到高分辨率的模数转换。正是因为由两个具有不同放大倍数的运放，一个双通道(n-m)bit ADC和一个FPGA组成，直接对模拟信号同时进行粗、细量化。无需模拟比较处理，可以减少模拟比较处理所引起的延迟，有利于整个信号处理链数据传输速率的提高，在FPGA中对信号大小进行数字比较，完成粗细量化结果自动切换，输出n bitADC量化值。同时，本发明采用FPGA进行数字比较，不但比较结果准确，而且不易受噪声的影响和干扰。

2、信噪比高、应用范围广。本发明在完成对CCD相机低位ADC向高分辨率模数转换实现的同时还对ADC进行了图像偏置的修正，有效抑制了整个视频处理链路偏置的不稳定性而引起的CCD图像数据偏置波动，提高信噪比，从而扩大了CCD相机的动态范围。同时，由于本发明简单易行，可移植性强。可在原有的相机视频处理电路的基础上稍加改动即可扩大CCD相机的动态范围。

附图说明

图1是传统的实现高分辨率模数转换流程示意图；

图2是本发明所提供的对FPA产生的CCD模拟信号进行后级预处理的流程框图；

图3是本发明所提供的对处理后的CCD模拟视频信号进行放大的流程框图；

图4是本发明所提供的将低位量化结果转换为高位量化结果流程框图；

图5是本发明所提供的粗细量化结果自动切换算法框图。

具体实施方式

本发明提供了一种低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现方法，该方法包括以下步骤：

1)对FPA(焦平面组件)产生的CCD模拟信号进行后级预处理：

FPA(焦平面组件)产生的CCD模拟信号进行后级预处理的目的是使输出信号同CCD传感器所接收的光照度成同一变化趋势，并抑制传输过程中引入的干扰，尽量减少CCD输出信号中的复位噪声(kTC噪声)。通常可采用图2的实现方式，缓冲电路为了抑制传输过程中引入的干扰，后级处理电路首先对接收到的视频信号进行缓冲，采用运放实现，增益为-1倍。相关双采样电路CDS的目的是尽量减少CCD输出信号的复位噪声(kTC噪声)，采用箝位采样结构，由运放和模拟开关实现。

2)对处理后的CCD模拟视频信号进行放大：其具体实现方式是：对处理后的CCD模拟视频信号同时进行不同放大倍数的放大。这样做的目的是为了防止不同亮度的目标所产生的信号过弱或饱和，可对信号同时进行多个放大倍数的放大，实现方式如图3。在本发明中对模拟信号同时进行了1倍增益放大和2^m倍增益放大。

3)将放大后的视频信号进行模数转换，得到低位ADC量化结果。

对步骤2)产生的模拟视频信号进行模数转换，得到低位ADC量化结果。在本专利中对1倍增益放大和2^m倍增益放大的结果同时进行量化，实现方式如图3所示用1个高速双通道(n-m)bit ADC，对模拟视频信号进行(n-m)bit量化。

在该电路中低倍增益ADC的灵敏度低，即相机系统每读出一个ADC量化单位所对应的电子数多，相当于对大信号进行了粗量化。2^m倍增益ADC的灵敏度高，即相机系统每读出一个ADC量化单位所对应的电子数少，相当于对小信号进行了细量化。对处理后的CCD模拟视频信号同时进行粗、细量化，为步骤4)中的数字比较奠定了基础。

采用两个不同信号处理链对视频信号进行粗细量化相结合以扩大CCD相机动态范围。低倍增益ADC处理链路，经模拟前端处理后，使ADC的满量程范围与CCD的满阱电荷容量相对应(2^n-mgG＝S_FW)。由于DR_ADC＜DR_CCD，所以可得该视频处理链路的通道增益G＞N_r，即ADC的最小可分辨的信号大于CCD的读出噪声，由此可知，该视频链路对小信号探测灵敏度降低，但可以对大信号进行粗量化；高倍增益ADC处理链路，通过模拟前端处理后使该视频处理链路通道增益G小于读出噪声(G＜N_r)，由于DR_ADC＜DR_CCD，那么必有2ⁿgG＜S_FW，即ADC的满量程范围小于CCD的满阱电荷容量，由此可知，该视频链路对大信号进行探测时，在CCD未饱和前ADC已经饱和，但可以针对小信号进行细量化；

4)将低位量化结果转换为高位量化结果，其具体实现方式是：

首先将步骤3)产生的粗、细量化结果进行锁存，在每个像元周期内进行2^m次采集，分别计算该像元粗量化值的2^m次采集累加和记为sum_data_粗量化和细量化值的2^m次采集累加和记为sum_data_细量化。其次在数据处理模块中对粗、细量化2^m次采集累加和结果进行自动切换。根据探测目标的特性，设定一个阈值。首先将该像元细量化值2^m次采集累加和结果与阈值进行数字比较，若细量化值2^m次采集累加和结果值大于阈值，取粗量化值2^m次采集累加和结果；若细量化值2^m次采集累加和结果小于阈值，取细量化值2^m次采集累加和结果。最后对粗细量化2^m次采集累加和结果进行归一化处理。若粗细量化2^m次采集累加和结果自动切换选择输出细量化2^m次采集累加和结果，则取细量化值2^m次采集累加和的高n-m位数据，作为输出结果的低(n-m)位，高m位补零。若粗细量化2^m次采集累加和自动切换后选择输出粗量化2^m次采集累加和结果，则直接输出n位粗量化2^m次采集累加。这样就将粗细量化结果进行了归一化。通过上述的处理使低分辨率ADC实现高分辨率的模数转换。在数据处理模块中可根据CCD相机探测目标的特性，多设置几个阈值。在本专利中采取了数字电路的方式实现将低位量化结果转换为高位量化结果。在FPGA中对低位ADC粗细量化值进行锁存，累加求和，粗细量化2^m次采集累加和结果自动切换和数据归一化处理。其实现方式如图4所示。

为了便于说明，参见图5，在每个像元周期内采集2^m点，分别计算该像元粗、细量化值的2^m点累加和。在FPGA中设定一个阈值，首先将该像元细量化值的累加和与阈值进行数字比较，若细量化值的累加和大于阈值，取粗量化值的归一化数值；若细量化值的累加和小于阈值，取细量化值的归一化数值。粗量化值的归一化数值是取粗量化值的累加和sum_data_粗量化的n位作为并行n位数据的n位；细量化值的归一化数值是取细量化值的累加和sum_data_细量化的高(n-m)位作为并行n位数据的低(n-m)位，高m位补零。

5)对量化结果进行偏置修正，对步骤4)所采集到像元值可以进行实时偏置修正。有效降低视频处理链路因工作温度、元器件老化等因素而引起的CCD图像数据偏置波动。在CCD相机输出图像时，所有的像元的偏置都已经过实时修正，抑制了偏置的浮动。对于双路输出的CCD，两路图像的偏置也被修正到同一水平。这样有效提高了信噪比，扩大CCD相机的动态范围。

本发明在提供一种低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现方法的同时，还提供了一种低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现系统，该系统包括对焦平面组件FPA产生的CCD模拟信号进行后级预处理的预处理模块、对预处理后的CCD模拟视频信号进行放大的放大模块、将放大后的视频信号进行模数转换以及将低位量化结果转换为高位量化结果的转换模块；预处理模块、放大模块以及转换模块依次电性连接。预处理模块包括缓冲放大单元以及和缓冲放大单元相连接的相关双采样单元。放大模块包括两个不同放大倍数的运算放大器。转换模块包括模数转换单元、数据处理单元以及与数据处理单元相连的粗、细量化结果自动切换单元。数据处理单元同时起到对粗、细量化结果进行锁存，在每个像元周期内进行多次采集，分别计算该像元粗、细量化值的多次采集累加和对粗、细量化结果自动切换后的值进行数据拼接和归一化处理等功能。

为了有效降低视频处理链路因工作温度、元器件老化等因素而引起的CCD图像数据偏置波动，本发明在上述系统提供的同时，还提供了用于对高位量化结果进行偏置修正的修正模块，修正模块和转换模块相连。修正模块可以是现有的常用的任何一种能起到偏置修正功能的单元或电路都是可行的。

Claims (13)

1.一种针对低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)对焦平面组件FPA产生的CCD模拟信号进行后级预处理；

2)对预处理后的CCD模拟视频信号进行放大，得到放大后的视频信号；

3)将放大后的视频信号进行模数转换，得到低位ADC量化结果；

4)将低位ADC量化结果转换为高位ADC量化结果。

2.根据权利要求1所述的针对低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现方法，其特征在于：所述方法还包括：

5)对高位ADC量化结果进行偏置修正。

3.根据权利要求1或2所述的针对低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现方法，其特征在于：所述步骤2)的具体实现方式是：对步骤1)经过预处理后的CCD模拟视频信号同时进行不同放大倍数的增益放大。

4.根据权利要求3所述的针对低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现方法，其特征在于：所述步骤2)中对步骤1)经过预处理后的CCD模拟视频信号同时进行1倍增益放大和2^m倍增益放大，其中1倍增益放大对应小倍数增益放大；2^m倍增益放大对应大倍数增益放大。

5.根据权利要求4所述的针对低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现方法，其特征在于：所述步骤3)的具体实现方式是：

将步骤2)所得到的放大后的视频信号同时进行(n-m)bit量化，得到粗、细量化结果；其中小倍数增益放大对应粗量化结果；大倍数增益放大对应细量化结果。

6.根据权利要求5所述的针对低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现方法，其特征在于：所述步骤4)的具体实现方式是：

4.1)将步骤3)产生的粗、细量化结果进行锁存，在每个像元周期内进行2^m次采集，分别计算该像元粗、细量化值的2^m次采集累加和；

4.2)对粗、细量化值2^m次累加和结果进行自动切换；

4.3)对粗、细量化值2^m次累加和结果自动切换后的值进行归一化处理。

7.根据权利要求6所述的针对低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现方法，其特征在于：所述4.2)的具体实现方式是：

4.2.1)设定一阈值；

4.2.2)将细量化值的2^m次采集累加和与阈值进行数字比较，若细量化值的2^m次采集累加和大于阈值，则取粗量化值的2^m次采集累加和结果；若细量化值的2^m次采集累加和小于阈值，则取细量化的2^m次采集累加和结果。

8.根据权利要求7所述的针对低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现方法，其特征在于：所述4.3)的具体实现方式是：若粗、细量化值2^m次累加和结果进行自动切换后输出细量化值的2^m次采集累加，则取细量化值2^m次采集累加和的高n-m位数据，作为输出结果的低(n-m)位，高m位补零；若粗细量化2^m次累加和结果自动切换后输出粗量化2^m次累加和结果，则直接输出n位粗量化2^m次采集累加和。

9.一种针对低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现系统，其特征在于：所述系统包括对焦平面组件FPA产生的CCD模拟信号进行后级预处理的预处理模块、对预处理后的CCD模拟视频信号进行放大的放大模块、将放大后的视频信号进行模数转换以及将低位量化结果转换为高位量化结果的转换模块；所述预处理模块、放大模块以及转换模块依次电性连接。

10.根据权利要求9所述的针对低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现系统，其特征在于：所述系统还包括用于对高位量化结果进行偏置修正的修正模块，所述修正模块和转换模块相连。

11.根据权利要求9或10所述的针对低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现系统，其特征在于：所述预处理模块包括缓冲放大单元以及和缓冲放大单元相连接的相关双采样单元。

12.根据权利要求11所述的针对低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现系统，其特征在于：所述放大模块是是两个具有不同放大倍数的运算放大器。

13.根据权利要求12所述的针对低分辨率ADC实现高分辨率模数转换的实现系统，其特征在于：所述转换模块包括模数转换单元、数据处理单元以及与数据处理单元相连的粗、细量化结果自动切换单元。

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