32通道TDICCD遙感相機(jī)模擬前端電路設(shè)計(jì)

王棟 韓志學(xué) 翟國芳

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

0 引言

電荷耦合元件（CCD）具有信號動態(tài)范圍大、量子效率高以及電荷轉(zhuǎn)移效率高等優(yōu)點(diǎn)，在光電探測及成像領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，而具有時(shí)間延遲積分（TDI）功能的TDICCD也在光學(xué)遙感相機(jī)領(lǐng)域廣泛使用[1]。隨著CCD設(shè)計(jì)、制造工藝的不斷發(fā)展以及成像領(lǐng)域應(yīng)用的需要，TDICCD器件像元數(shù)量不斷增加，像元尺寸不斷縮小，同時(shí)集成多個光譜譜段的信息，像元速度不斷提高，使其模擬信號輸出通道大幅增加，同時(shí)信號輸出電壓幅值也相應(yīng)減小。如果對模擬前端電路的噪聲信號處理不當(dāng)，將減小TDICCD工作動態(tài)范圍，降低圖像信號品質(zhì)，從而限制TDICCD成像系統(tǒng)的應(yīng)用功能。因此，在高速成像系統(tǒng)中為了獲得較高品質(zhì)的圖像，TDICCD成像系統(tǒng)模擬前端電路（AFE）的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，因?yàn)樵诟咚偾闆r下模擬前端電路更容易引入干擾和噪聲[2-4]。

本文選擇一款TDICCD成像系統(tǒng)模擬前端電路專用器件來處理CCD模擬信號頻率為5MHz的32通道 TDICCD信號，設(shè)計(jì)完成模擬前端電路的方案，重點(diǎn)從模擬信號濾波放大電路的帶寬設(shè)置、相關(guān)雙采樣（CDS）技術(shù)箝位、采樣脈沖相位選擇、高速串行信號發(fā)送SerDes（Serializer/Deserializer）電路等方面進(jìn)行分析，給出電路具體測試結(jié)果，采集實(shí)際圖像，并得到初步的信噪比指標(biāo)參數(shù)。

1 模擬前端電路方案設(shè)計(jì)

模擬前端電路的作用是把 TDICCD輸出的模擬信號經(jīng)過放大器濾波降噪及阻抗變換處理后，經(jīng)過CDS、可變增益放大（PGA）和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）變換成相應(yīng)的數(shù)字圖像信號，通過SerDes接口電路輸出至視頻處理器（video signal processor，VSP）。按照信號流流向，模擬前端電路位于 TDICCD信號流的開始階段，其輸出已經(jīng)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號，而后續(xù)數(shù)字電路對于噪聲的容限較高，幾乎不引入額外的電路噪聲，因此模擬前端電路對TDICCD遙感相機(jī)成像品質(zhì)高低具有重要影響。目前模擬前端電路輸入端口需要的TDICCD信號電壓幅值一般在1V左右，根據(jù)不同的應(yīng)用，ADC的量化位數(shù)往往在10bit以上，有些已經(jīng)達(dá)到14～16bit，為了滿足這些要求，并使系統(tǒng)達(dá)到速度、性能、體積及功耗的最優(yōu)，需要對模擬前端電路進(jìn)行分析和合理設(shè)計(jì)。32通道CCD遙感相機(jī)模擬前端電路的功能組成如圖1所示，通道1～32的CCD模擬信號經(jīng)過前置放大電路濾波放大后，進(jìn)入模擬前端電路內(nèi)部，通過CDS后，加入對CCD模擬信號幅值的直流偏置調(diào)整，通過可編程增益放大器后，進(jìn)入14bit ADC完成模數(shù)變換，將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為低電壓差分信號（low voltage differential signal, LVDS）串行數(shù)據(jù)，然后將32通道數(shù)字圖像數(shù)據(jù)按照CCD器件的排列方式每16個通道合并為1組，通過高速SerDes接口電路輸出給后續(xù)的VSP，模擬前端電路主要性能參數(shù)指標(biāo)見表1。

圖1 32通道模擬前端電路功能框圖Fig. 1 The function block diagram of 32 Channel analog front end circuit

在模擬前端電路設(shè)計(jì)中，除了對TDICCD模擬信號進(jìn)行上述處理外，印制電路板（PCB）設(shè)計(jì)也是提高模擬前端電路性能的重要內(nèi)容，如果忽略了PCB的電氣特性，所設(shè)計(jì)的模擬前端電路性能也會大幅降低。由于 AFE電路為數(shù)?；旌想娐罚琍CB設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮模擬電路和數(shù)字電路之間的相互影響，因此設(shè)計(jì)時(shí)需遵循以下原則[5]：

表1 模擬前端電路主要性能指標(biāo)Tab.1 Main specification of the analog front end circuit

1）為減小數(shù)字電路對模擬電路的干擾，應(yīng)將模擬電路和數(shù)字電路分開布局，將PCB按照信號流向嚴(yán)格區(qū)分為數(shù)字和模擬分區(qū)，模擬信號在模擬分區(qū)走線，數(shù)字信號在數(shù)字分區(qū)走線，避免模擬和數(shù)字信號跨區(qū)走線；

2）模擬和數(shù)字分區(qū)采用獨(dú)立的電源和地平面，并使其保持緊密耦合，減小電源平面和地平面的阻抗，工程實(shí)踐表明，具有獨(dú)立地平面與電源平面的多層板可以獲得最佳的信號品質(zhì)。將模擬電路和數(shù)字電路分區(qū)后，將模擬地和數(shù)字地單點(diǎn)連接，使得噪聲較大的數(shù)字電流不會通過模擬地耦合到模擬區(qū)域，影響敏感的CCD模擬信號。

3）如果混合信號器件具有比較低的數(shù)字電源電流，通常把這個混合信號器件當(dāng)作模擬器件對待。例如CCD的VSP就是類似的芯片，其接地和電源去耦都要針對模擬地平面進(jìn)行。

2 前置濾波放大電路帶寬設(shè)置

合理設(shè)計(jì)前置濾波放大電路的帶寬可以通過濾波有效減小CCD模擬信號中寬帶白噪聲的引入[6]。為了簡化問題，可以將CCD信號簡化為方波而忽略復(fù)位脈沖干擾，并假設(shè)前置濾波放大電路為一階RC低通濾波系統(tǒng)，在這種情況下，如果后續(xù)量化位數(shù)為N的模數(shù)轉(zhuǎn)換可以容忍的誤差為，并且采樣時(shí)鐘在方波信號達(dá)到最大幅值后的時(shí)間進(jìn)行采樣[7]，則方波信號達(dá)到最大幅值的建立時(shí)間為

式中 T為像元周期。

該系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)為

那么系統(tǒng)帶寬為

如果像元周期 T = 2 00ns ，即CCD模擬信號頻率為5MHz，，則同樣可以得到

如果A/D量化位數(shù)N=14，得到系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)τ為

則系統(tǒng)帶寬為

即前置濾波放大電路的帶寬可以設(shè)計(jì)為 CCD模擬信號頻率的 6～7倍。濾波放大電路幅頻特性的Pspice軟件仿真曲線如圖2所示，其中輸入信號幅值為1V，通過設(shè)計(jì)前值濾波放大電路，一階RC低通濾波器的截止頻率為34.75MHz，而CCD模擬信號頻率為5MHz，濾波放大電路帶寬設(shè)置在模擬信號頻率的7倍。

圖2 運(yùn)放濾波電路幅頻曲線的Pspice仿真曲線Fig.2 Amplitude-frequency simulation curve of filter circuit for operation amplifier with Pspice

3 CCD模擬信號CDS脈沖相位確定

目前遙感相機(jī)CCD輸出信號幅值的確定方法主要通過CDS技術(shù)，由濾波放大電路濾除CCD信號包含的寬帶白噪聲后，CDS技術(shù)可以抑制CCD模擬數(shù)據(jù)信號中所包含的復(fù)位噪聲[7-8]。本文提出的CDS通過集成CCD模擬前端電路通用器件來實(shí)現(xiàn)，該器件內(nèi)部可以完成對最高頻率40MHz的兩路CCD模擬信號單獨(dú)進(jìn)行相關(guān)雙采樣，同時(shí)器件內(nèi)部集成精準(zhǔn)的時(shí)鐘核，可根據(jù)CCD模擬信號速率對CDS脈沖信號與 CCD模擬信號之間的相位進(jìn)行精確調(diào)整，調(diào)整精度可以達(dá)到模擬信號周期的 1/64，器件內(nèi)部在CDS模式下進(jìn)行箝位脈沖（CLAMP）和采樣脈沖（SAMPLE）相位進(jìn)行調(diào)整的時(shí)序如圖3所示，從圖3可以看到，CLAMP和SAMPLE的起始和結(jié)束的相位均可以進(jìn)行調(diào)整，通過調(diào)整其相對內(nèi)部像元時(shí)鐘上升沿的相位，實(shí)現(xiàn)箝位和采樣脈沖的相位和脈沖寬度的調(diào)整，最終得到實(shí)際的CCD模擬信號幅值。

采用該模擬前端電路通用器件對CCD模擬信號進(jìn)行CDS處理時(shí)，通過發(fā)送CLAMP和SAMPLE寄存器起始和結(jié)束相位的控制指令來實(shí)現(xiàn)其相位及寬度的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)CDS功能。該器件的配置信息主要通過外部的配置端口來輸入，采樣脈沖位置寄存器的配置時(shí)序如圖4（a）所示，由常用的三線配置信號進(jìn)行配置，并附加數(shù)據(jù)讀出功能，當(dāng)配置使能端口（SEN）為低電平時(shí)，配置數(shù)據(jù)輸入（SDI）端口在時(shí)鐘SCLK為上升時(shí)將數(shù)據(jù)寫入，器件內(nèi)部根據(jù)地址將數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的寄存器，同時(shí)在下一個SEN有效時(shí)，將前一次寫入的數(shù)據(jù)內(nèi)容通過配置數(shù)據(jù)輸出（SDO）端口輸出。依次發(fā)送設(shè)定相位范圍的 CLAMP和SAMPLE相位數(shù)據(jù)采集CCD圖像數(shù)據(jù)繪制的CCD波形如圖4（b）所示，可以作為設(shè)定最終CLAMP和SAMPLE相位的依據(jù)。

圖3 相關(guān)雙采樣模式箝位/采樣相位調(diào)整時(shí)序Fig. 3 Phase change timing of clamp/sample pulse in correlated double sample mode

圖4 采樣脈沖寄存器配置時(shí)序及最終的CCD波形圖Fig. 4 Register configuration timing for sample pulse register and the final CCD waveform

4 差分串行數(shù)據(jù)發(fā)送

差分串行數(shù)據(jù)發(fā)送包括LVDS在內(nèi)的差分信號將A/D變換后的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給32通道圖像數(shù)據(jù)單元，通過SerDes協(xié)議將合并后的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給后續(xù)VSP，下面分別進(jìn)行介紹。

4.1 LVDS串行數(shù)據(jù)發(fā)送

模擬前端電路通過A/D將CCD模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)?4bit數(shù)字信號后，可以將圖像數(shù)據(jù)并行輸出，也可以通過并串轉(zhuǎn)換將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高速LVDS串行數(shù)據(jù)再進(jìn)行輸出，與并行輸出相比具有如下優(yōu)點(diǎn)[9]：

1）運(yùn)行速度高，可達(dá)200Mbyte/s；

2）具備抗共模干擾能力，具有較小的輻射干擾和良好傳輸穩(wěn)定性；

3）終端容易匹配，功耗低。

LVDS差分發(fā)送和接收電路如圖5所示，其中R1和R2的作用是防止發(fā)送器D1的輸出端短路，但其數(shù)值不可選取過大，如果取值太大，發(fā)送器D1的輸出差分電壓將超出LVDS電氣協(xié)議規(guī)定的電壓，其值可在10?以下。接收器D2輸入除2個常用的51?電阻和消除共模干擾的10pF電容外，接收器D2正負(fù)端分別通過電源和地端連接的下拉電阻 R3和 R4，建立接收端的靜態(tài)直流電平，同時(shí)避免振蕩，提高噪聲容限。

圖5 LVDS差分發(fā)送和接收電路Fig.5 Transmission circuit for low voltage differential signal

4.2 高速SerDes串行數(shù)據(jù)發(fā)送

圖1 所示的32通道數(shù)據(jù)合并后，成像系統(tǒng)獲取的圖像數(shù)據(jù)量迅速增加，使得相機(jī)傳輸圖像數(shù)據(jù)的碼速率迅速增長，對成像電路的輸出系統(tǒng)提出了更高要求，高性能的輸出系統(tǒng)需要高可靠、高傳輸速率的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)來解決實(shí)時(shí)型相機(jī)數(shù)據(jù)的傳輸問題。目前，數(shù)據(jù)處理器的數(shù)據(jù)處理速率已經(jīng)遠(yuǎn)高于外部數(shù)據(jù)總線傳輸速率，增加并行總線寬度可以提高芯片與芯片、芯片與背板之間數(shù)據(jù)的吞吐量，但總線數(shù)目的增多及傳輸速率的增加將使PCB的布線難度提高，并且隨著數(shù)據(jù)位的增多，各數(shù)據(jù)位之間的相位延遲或偏移就會增加，因此，發(fā)展高速串行總線接口技術(shù)是提高數(shù)據(jù)傳輸帶寬的有效途徑[10]。

基于SerDes的高速串行接口突破了傳統(tǒng)并行I/O接口的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸：1）采用差分信號傳輸代替單端信號傳輸，從而增強(qiáng)了抗噪聲、抗干擾能力；2）采用時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)代替同步傳輸數(shù)據(jù)和時(shí)鐘，從而解決了限制數(shù)據(jù)傳輸速率的信號時(shí)鐘偏移問題；3）串行通信技術(shù)充分利用傳輸介質(zhì)的信道容量，減少所需的連接器引腳數(shù)目，從而大幅降低通信成本。

采用高速SerDes串行接口可以大幅減少設(shè)備間傳輸電纜的數(shù)量，同時(shí)由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾?，給相關(guān)電路的設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)，而衡量串行通信系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)就是誤碼率（bit error rate，BER），本文使用開環(huán)測試法完成BER的測試。開環(huán)測試法的主要原理為：發(fā)送端使用m序列（偽隨機(jī)碼）模擬實(shí)際數(shù)字信號序列，經(jīng)過信道發(fā)送到接收端，接收端接收到 m序列，同時(shí)接收端m序列發(fā)生器產(chǎn)生與發(fā)送端碼型相同的m序列，并由同步電路使其與接收到的m序列同步，將本地同步的m序列與接收的m序列進(jìn)行比較，不同的碼元就是誤碼，記錄誤碼數(shù)并除以總的碼元數(shù)，就可以得到誤碼率的近似值，由于m序列統(tǒng)計(jì)特性與隨機(jī)數(shù)字信息序列的統(tǒng)計(jì)特性接近，因此，這種測試方法的測試結(jié)果與實(shí)際信息碼元序列傳送情況誤碼結(jié)果基本一致。高速SerDes串行發(fā)送電路通過開環(huán)測試誤碼率后得到的結(jié)果如表2所示，從表2可以看到，在90min的測試時(shí)間內(nèi)，高速SerDes串行發(fā)送電路共發(fā)送碼數(shù)為6.526×1012bit，沒有出現(xiàn)誤碼，所以誤碼率小于10–12，結(jié)果可信[11-12]。

表2 高速SerDes串行接口誤碼率測試結(jié)果Tab.2 Test result of bit error rate for high speed SerDes interface

5 信噪比指標(biāo)測試

在完成模擬前端電路的方案設(shè)計(jì)后，按照表1所示的模擬前端電路性能指標(biāo)，對其采集圖像數(shù)據(jù)的信噪比（SNR）進(jìn)行測試。根據(jù)圖像灰度值得到圖像 SNR隨灰度值的變化如圖 6（a）所示，圖像灰度值為滿量程60%～80%范圍變化時(shí)，SNR隨圖像灰度的變化如圖6（b）所示，CCD模擬信號經(jīng)過14位量化的模數(shù)變換后，數(shù)字圖像灰度滿量程為16 383DN，因此，其80%滿量程在13 000DN左右，從圖6可以看到，當(dāng)圖像灰度到滿量程80%時(shí)，圖像SNR可以達(dá)到52dB，基本達(dá)到了所選用CCD器件能達(dá)到的最大值，并且SNR曲線基本線性，完成電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖6 圖像SNR隨圖像灰度變化曲線Fig. 6 SNR curve with different image gray level

6 結(jié)束語

本文對32通道遙感相機(jī)視頻模擬前端電路進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，采用高集成度、模塊設(shè)計(jì)和通用產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路，解決了模擬通道系統(tǒng)帶寬設(shè)計(jì)、遙感相機(jī)模擬前端電路專用集成芯片模擬信號內(nèi)部箝位和采樣脈沖相位確定方法、LVDS差分?jǐn)?shù)據(jù)輸出、高速SerDes串行數(shù)據(jù)誤碼率測試的方案及測試結(jié)果，通過采集圖像得到圖像的SNR曲線，最終測試結(jié)果表明：電路工作頻率為5MHz、圖像灰度達(dá)到滿量程80%時(shí)，圖像SNR達(dá)到52dB，可以滿足遙感相機(jī)視頻電路的設(shè)計(jì)要求。

References)

[1]韓志學(xué), 王旭, 蔡媛媛, 等. 一種高速高分辨率遙感相機(jī)全色多光譜焦平面電路設(shè)計(jì)[J]. 航天返回與遙感, 2012, 33(4): 57-63.HAN Zhixue, WANG Xu, CAI Yuanyuan, etal. A Circuit Design for High Speed and High Resolution Multi-spectral Focal Plane[J]. Spacecraft Recovery amp; Remote Sensing, 2012, 33(4): 57-63. (in Chinese)

[2]張健, 張伯珩, 邊川平, 等. CCD相機(jī)系統(tǒng)中的高信噪比多通道信號處理設(shè)計(jì)[J]. 航天返回與遙感, 2010, 31(2): 57-61.ZHANG Jian, ZHANG Boheng, BIAN Chuanping, etal. High SNR and Multiple Channel Signal Operation Design in CCD Camera System[J]. Spacecraft Recovery amp; Remote Sensing, 2010, 31(2): 57-61. (in Chinese)

[3]薛旭成, 李云飛, 郭永飛. CCD成像系統(tǒng)中模擬前端設(shè)計(jì)[J]. 光學(xué)精密工程, 2007, 15(8): 1191-1195.XUE Xucheng, LI Yunfei, GUO Yongfei. Design of Analog Front End of CCD Image System[J]. Optics and Precision Engineering, 2007, 15(8): 1191-1195. (in Chinese)

[4]白喆, 張伯珩, 屈有山, 等. CCD信號處理集成化方案[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2007, 28(6): 81-84.BAI Zhe, ZHANG Boheng, QU Youshan, etal. Integrated Solution for CCD Signal Processing[J]. Optics and Precision Engineering, 2007, 28(6): 81-84. (in Chinese)

[5]James R J. Scientific Charge Coupled Device[M]. USA: SPIE, 2010: 489-719.

[6]張貴祥, 金光, 鄭亮亮, 等. 高速多通道CCD圖像數(shù)據(jù)處理與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 液晶與顯示, 2011, 26(3): 397-403.ZHANG Guixiang, JIN Guang, ZHENG Liangliang, etal. Design of High Speed and Multi-channel CCD Image Data Processing and Transmission System[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Dislays, 2011, 26(3): 309-403. (in Chinese)

[7]程蕓, 李濤. 一種高速低噪聲信號處理電路的方案研究[J]. 航天返回與遙感, 2007, 28(1): 46-53.CHENG Yun, LI Tao. Study on High Speed with Low Noise Signal Processing Circuit[J]. Spacecraft Recovery amp; Remote Sensing, 2007, 28(1): 46-53. (in Chinese)

[8]牟研娜, 王鵬, 尹娜. CCD信號采樣位置選取方法的研究[J]. 航天返回與遙感, 2011, 32(1): 45-50.MU Yanna, WANG Peng, YIN Na. Research on the Method of Selecting Sample Location about CCD Video Signal[J].Spacecraft Recovery amp; Remote Sensing, 2011, 32(1): 45-50. (in Chinese)

[9]安源, 蘇蕾, 賀強(qiáng)民. 高速低壓差分信號(LVDS)器件應(yīng)用設(shè)計(jì)方法研究[J]. 航天返回與遙感, 2007, 28(2): 39-45.AN Yuan, SU Lei, HE Qiangmin. Method Research of Application Design of High Performance LVDS[J]. Spacecraft Recovery amp; Remote Sensing, 2007, 28(2): 39-45. (in Chinese)

[10]于雙江, 王建宇. SerDes器件在遙感相機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 航天返回與遙感, 2012, 33(6): 93-98.YU Shuangjiang, WANG Jianyu. Application of Serializer/Deserializer in Remote Sensing Camera System[J]. Spacecraft Recovery amp; Remote Sensing, 2012, 33(6): 93-98. (in Chinese)

[11]沈翰濤, 孫學(xué)聰, 朱蕊蘋. 一種串行通信的誤碼率測試方法[J]. 現(xiàn)代防御技術(shù), 2013, 41(4): 110-114.SHEN Hantao, SUN Xuecong, ZHU Ruipin. A BER Test Method on Serial Communication[J]. Modern Defense Technology,2013, 41(4): 110-114. (in Chinese)

[12]周炯槃, 龐沁華, 續(xù)大我, 等. 通信原理[M]. 北京: 北京郵電大學(xué)出版社, 2008: 441-442.ZHOU Jiongpan, PANG Qinhua, XU Dawo, etal. Communication Princple[M]. Beijing: Beijing University of Post Technology Press, 2008: 441-442. (in Chinese)