基于五光譜TDICCD的模擬信號發生器設計

王旭 劉正敏 樊奔 何志寬

（北京空間機電研究所，北京100094）

0 引言

多光譜電荷耦合器件（CCD）是在一個CCD器件內實現可探測多個光譜的線陣，其實現方式是將多條CCD線陣封裝在一起，再采用鍍膜或窗口分光的方式，使每條線陣探測不同光譜。多光譜TDICCD是多光譜CCD器件的一種，其光敏面全部由TDICCD陣列組成[1]。

經過20多年的發展，我國空間多光譜CCD相機的研制取得了長足的進步，高性能的多光譜TDICCD器件開始被廣泛應用到最新的多光譜CCD相機中，進而大幅簡化航天相機設計的復雜程度[2-3]。但是多光譜TDICCD器件的價格昂貴，而且相機研制階段的多次調試也會增加損壞的風險，采用通用的信號發生器模擬的多光譜TDICCD信號又存在輸出波形固定、通道數量有限和信號時序失配等問題。針對以上問題，文章根據某高分辨率多光譜相機定制的五光譜TDICCD的特性，設計了一種基于現場可編程門陣列（FPGA）的16通道TDICCD模擬信號發生電路，其輸出的模擬TDICCD信號可以同時滿足航天相機研制對五光譜TDICCD波形、通道數量和時序的要求，在輸出模擬信號頻率達到20MHz時，噪聲可以控制在10mV以內，達到了高精度、多通道、低噪聲等特點，可以為空間多光譜TDICCD相機研制提供信號源，有效縮短研制周期。

1 五光譜TDICCD器件的時序關系和輸出特性

TDICCD是時間延遲積分CCD，其中TDI也稱作延遲相加或者運動補償模式，是一種能夠增加線掃描傳感器靈敏度的掃描技術[4-5]。其工作過程是基于對同一目標的多次曝光，通過延遲積分的方法，來增加等效積分時間，增強光能的收集。與普通CCD相比，TDICCD通過可變的積分級數，增加了曝光時間，因此具有更高的靈敏度，可以在低光照度環境下成像，又不影響掃描速度[6-8]。

某高分辨率多光譜航天相機定制的五光譜TDICCD器件由一條6 144個像元的TDICCD和4條3 072個像元的TDICCD組成，通過在窗口玻璃上鍍濾光膜實現分光，使該器件可以探測P區、B1區、B2區、B3區和B4區共5個譜段。其中P區像元尺寸為10μm(水平)×10μm(垂直)，有8通道輸出，B區像元尺寸為20μm(水平)×20μm(垂直)（包括B1、B2、B3和B4四個譜段）共有8個通道輸出，16個通道的最高輸出頻率都是20MHz。

信號發生器系統除了要產生16通道最高頻率20MHz的模擬TDICCD信號，同時對P區和B區像元時鐘和同步信號之間的相位關系也有嚴格的要求。圖1是五光譜TDICCD像元時鐘和同步信號之間的相位關系。

圖1 五光譜TDICCD像元時鐘和同步信號之間的時序關系Fig.1 Tim ing diagram of five-spectral TDICCD pixel clock and synchronous signal

除了通道數量、信號頻率和相位要求，信號發生器系統輸出的模擬TDICCD信號波形也有幅度參數和時間參數兩個要求。圖2是五光譜TDICCD信號波形的示意，波形由復位脈沖、基準電平和信號電平三部分組成。在每一個像元周期開始時，在信號電荷到達之前，復位脈沖的到來使復位開關接通，即在內部存儲電容上復位一個參考電平。當信號電荷到來時，復位開關截止，信號電荷注入到已被復位的存儲電容上，使電位降低ΔU，輸出緩沖放大器的源極也跟隨變化。這一過程主要是把CCD光電轉換獲得的電荷轉換成以電壓形式輸出的視頻信號，ΔU的大小反映了光信號的強弱，而轉換過程產生的復位噪聲可以通過相關雙采樣技術來有效清除[9]。針對五光譜TDICCD的特點，本系統設計的復位過沖U1為0.5V，最大信號電平U2為1.5V；時間參數方面，復位脈沖時間T1、基準電平時間T2和信號電平時間T3這3個時間設計成1∶2∶3的關系，分別是1/6個像元時鐘、1/3個像元時鐘和1/2個像元時鐘。

圖2 五光譜TDICCD信號波形Fig.2 Signalwaveform of five-spectral TDICCD

2 電路的系統設計

信號發生器系統主要由圖像處理電路、數模轉換電路和模擬信號濾波電路三部分組成（如圖3所示），其中圖像處理電路主要由FPGA、第二代雙倍速率同步動態隨機存儲器（DDR2）和閃存（FLASH）組成。FLASH負責存儲來自上位機的圖像數據；DDR2作為FLASH和FPGA之間的緩存用來提高數據讀取速度；FPGA以本地20MHz的晶振時鐘作為工作時鐘，進行相應的數據處理和數據拼接，然后數模轉換電路以6倍本地時鐘（120MHz）的頻率進行數模轉換，產生16路TDICCD模擬信號，最后為了提高信號精度，模擬信號濾波電路對16路TDICCD模擬信號進行濾波處理。

圖3 信號發生器系統的組成Fig.3 Block diagram of system

2.1 圖像處理電路

（1）器件的選擇

信號發生器需要將來自上位機的圖像數據進行存儲，為了保證不同相機對圖像數據大小的要求，FLASH使用了一款2Gbit容量的FLASH。為了加速圖像數據的讀取，在FLASH和FPGA之間增加了DDR2作為數據的緩存，同樣選擇了一款的2Gbit容量的DDR2，該器件標準工作頻率為200MHz，數據傳輸速率達到400Mbit/s。圖像處理電路的核心器件FPGA選用XILINX公司一款Virtex-5系列的FPGA，擁有豐富的可編程門陣列資源和龐大的I/O(輸入/輸出)接口，可用I/O接口數量達到640個，時鐘管理模塊（CMT）有6個，包括2個數字時鐘管理單元（DCM）和1個鎖相環（PLL），合計共12個DCM和6個PLL，可以單獨分開使用也可以聯合使用，能夠產生復雜的控制邏輯，適合高速的時序控制和大規模的并行處理[10]。

（2）時序設計

如圖4所示，圖像處理電路時序部分設計了5個模塊：通訊接口模塊、指令控制模塊、時鐘同步信號產生模塊、遙測數據輸出模塊和數據處理模塊。通訊接口模塊集成了UART接口、雙向通訊接口和時鐘同步接口等通訊接口；指令控制模塊負責完成FPGA和上位機之間的交互，并且對FPGA內部各個功能模塊進行配置；時鐘同步信號產生模塊負責FPGA內部時鐘和各種同步信號的產生；遙測數據輸出模塊是為了完成轉發圖像數據的輔助信息以及各種遙測數據所預留的功能模塊；最后一個模塊是數據處理模塊，負責CCD圖像數據的接收和處理，完成級數曝光、噪聲疊加和編碼映射等處理，并且實現復位脈沖數據、基準電平數據和有效圖像數據拼接功能。

圖4 圖像處理電路時序設計框圖Fig.4 Block diagram of image processing circuit tim ing design

數據處理模塊是時序設計的核心模塊，分為數據接收單元和數據處理單元。如圖5所示，數據接收單元由FLASH控制和DDR2控制兩個部分組成，負責接收和存儲外部的圖像數據，主要實現數據接收、高速緩存的寫入和輸出，供給后級數據處理單元處理。數據處理單元由隨機噪聲疊加、曝光級數累加、像元累加、固有噪聲疊加、編碼映射和數據拼接共6個部分組成，主要實現數據格式量化、隨機噪聲生成與疊加、級數累加、相鄰像元合成累加、固有噪聲疊加、編碼映射以及數據拼接和輸出到數模轉換電路。

圖5 數據處理模塊結構Fig.5 Block diagram of data processing module

2.2 數模轉換電路

數模轉換電路負責完成灰度圖像數據從數字信號到模擬信號的轉換，數模轉換芯片選用DAC5662，其最高的數據更新速率達200Mbit/s，電路輸出結構為高阻差分電流輸出，該芯片的滿量程的輸出電流可控，范圍為2～20mA。芯片采用差分輸出方式可以消除所有的偶次諧波，最大程度上減小信號噪聲和電磁干擾[11-12]。數模轉換電路如圖6所示。

圖6 數模轉換電路示意Fig.6 Sketchmap of digital-to-analog conversion circuit

根據DAC5662的芯片資料[13]，雙通道輸出電流參考公式如下：

式（1）中UREF是DAC5662內部+1.2V的基準電壓，RSET是外部配置電阻，通過該電阻來調節DAC5662的滿量程輸出電流，本系統將電阻RSET都設置為2k?。根據式（1），得到滿量程輸出電流IOUTFS約為20mA。根據式（2）和（3）可知，輸出的電流值除了和IOUTFS有關，還與芯片輸入數字碼Code有關。本系統通過對地電阻來實現DAC5662輸出電流信號到電壓信號的轉換。根據式（4）和（5），R1和R2的選取決定了芯片DAC5662輸出電壓的大小。運放A1構成了差分比例運算電路，為保證運放輸入端的平衡條件，選取同相輸入端和反相輸入端的外接電阻對稱，由此得到運放輸出電壓（mV）和圖像Code碼的對應關系（如式（6）所示），其中反饋電阻RF和R等值，為了滿足模擬信號最大輸出電壓范圍（2V）的要求，R1和R2取值 50?。

根據式（6），當 Code＝0，UOUT＝1V；當 Code＝1023，UOUT＝0.5V；當 Code＝4095，UOUT＝–1V。根據圖像Code碼和輸出電壓的對應關系，圖像處理電路負責把0～4095的圖像碼映射到1024～4095中（對應電壓幅值0.5～–1V），使CCD的有用信號幅值范圍為–1～0.5V，復位過沖信號幅值范圍為0.5～1V，滿足設計要求。

2.3 模擬信號濾波電路

為了提高輸出模擬信號精度，降低電路中的高頻噪聲，在發生器模擬信號輸出端采用了二階低通濾波電路（如圖7所示）。該電路既引入了負反饋，又引入了正反饋，其中負反饋決定了電路的放大倍數，而合適的正反饋既可以獲得適合系統的中心頻率，又不會因為正反饋過強而產生自激振蕩。通過正向輸入端阻容的選取，系統可以得到合適的–3dB截止頻率和平坦的幅頻曲線[14-15]。電路選取了R3=R4=51?、C1=10pF、C2=22pF，經過仿真分析，–3dB截止頻率為132.9MHz，具有平坦的幅頻曲線。

圖7 二階低通濾波電路Fig.7 Second-order low-pass filter circuit

3 系統的測試

3.1 測試平臺

為了測試五光譜TDICCD模擬信號發生器系統，搭建了一個測試平臺（如圖8所示），包括PC機、供電電源、示波器、五光譜TDICCD信號發生器以及信號處理和采集設備。

圖8 系統測試平臺Fig.8 Platform of system testing

3.2 信號波形

通過測試平臺得到五光譜TDICCD信號發生器的輸出波形，如圖9所示，該圖為像元時鐘20MHz情況下固定灰度值（圖像碼Code=3071）系統輸出的TDICCD波形。本文從幅度參數和時間參數兩個方面給出了輸出波形的實測結果：1）輸出有效信號幅度理論值為1V，實測有效信號幅度為0.992V；2）復位脈沖時間T1、基準電平時間T2和信號電平時間T3的設計值分別是1/6個像元時鐘（8.333 3ns）、1/3個像元時鐘（16.666 7ns）、1/2個像元時鐘（25.000 0ns），實測結果T1＝8.333 3ns，T2＝16.668 3ns，T3＝25.001 5ns。依據上述測試結果，本系統輸出的模擬TDICCD波形和設計值十分接近，完全滿足系統輸出波形的設計要求。

圖9 系統輸出的TDICCD信號波形Fig.9 TDICCD signalwaveform of system output

3.3 信號噪聲

使用示波器對輸出模擬信號波形進行了放大測試，得到了復位電平和信號電平處的紋波噪聲（如圖10所示），基準電平最大紋波噪聲為5.8m V（見圖10（a）），信號電平處最大紋波噪聲為7.5m V（見圖10（b））。從測試結果看，輸出信號紋波噪聲小于10mV，達到了低噪聲的要求。

圖10 系統輸出的TDICCD信號紋波噪聲Fig.10 TDICCD signal ripple noise of system output

3.4 輸出圖像

通過測試平臺，系統根據上位機輸入的RS232串口指令，產生了相應的圖像數據（B區為黑白條紋，P區為漸變圖像），并通過數模轉換和濾波電路產生相應幅值的16路五光譜TDICCD模擬信號輸出，測試平臺使用信號處理和采集設備采集了B區黑白條紋圖像（如圖11（a）所示）和P區漸變圖像（如圖11（b）所示），根據系統輸出圖像，計算得到了滿量程輸出情況下16個通道的信噪比，最高可達69dB。依據上述測試結果，本系統可以根據上位機指令輸出指定圖像，同時輸出圖像具有很高的信噪比，完全滿足系統對輸出圖像的設計要求。

圖11 系統的16通道輸出圖像Fig.11 16 channels output image of the system

4 結論

本文對某高分辨率多光譜相機定制的一款五光譜TDICCD的輸出特性進行了分析，設計并實現了一種五光譜TDICCD模擬信號發生器系統。通過搭建測試平臺，測試了系統的輸出波形、紋波噪聲和輸出圖像，測試結果表明：系統輸出的模擬五光譜TDICCD波形，頻率達到20MHz，紋波噪聲小于10mV，同時根據上位機的指令可以輸出指定圖像，輸出圖像信噪比最高可達69dB，可以滿足遙感相機對五光譜TDICCD模擬信號的要求。目前該發生器已經成功應用到某高分辨率多光譜相機的研發測試中，有效縮短了空間遙感相機的研發測試周期。

（References）

[1] 韓志學,王旭,蔡媛媛,等.一種高速分辨率遙感相機全色/多光譜焦平面電路設計[J].航天返回與遙感,2012,33(4):57-58.HAN Zhixue,WANG Xu,CAIYuanyuan,et al.Design of Focal Plane Circuits of High Speed and High Resolution Remote Sensing Camera[J].Spacecraft Recovery&Remote Sensing,2012,33(4):57-58.(in Chinese)

[2] 郝賢鵬,任建岳.TDICCD相機的低噪聲視頻處理技術[J].光學精密工程,2008,16(10):1869-1873.HAO Xianpeng,REN Jianyue.Low Noise Video Processing Technique for TDICCD Camera[J].Optics and Precision Engineering.2008,16(10):1869-1873.(in Chinese)

[3]李愛玲,張伯珩,達選福,等.基于CPLD的CCD相機圖像信號模擬器的設計[J].微計算機信息,2006,22(2):151-153.LIAiling,ZHANG Boheng,DA Xuanfu,etal.Implementation of CPLD-based Image Signal Simulator for CCD Camera[J].Control&Automation,2006,22(2):151-153.(in Chinese)

[4] 萬旻,李濤.TDICCD時序設計在FPGA中的工程實現[J].航天返回與遙感,2006,27(3):34-36.WAN M in,LITao.A Kind of FPGA Engineering Realization of TDICCD Timing Design[J].Spacecraft Recovery&Remote Sensing,2006,27(3):34-36.(in Chinese)

[5] 盧陽,陳向東.基于CPLD的TDI/CCD圖像傳感器驅動時序設計[J].微計算機信息,2006,22(17):227-229.LU Yang,CHEN Xiangdong.Design of Driving Generator for TDI/CCD Imaging Sensor Based on Complex Programmable Logic Device[J].Control&Automation,2006,22(17):227-229.(in Chinese)

[6] 李云飛,李敏杰,司國良,等.基于FPGA的科學級CCD相機時序發生器的設計[J].微計算機信息,2007,23(5):196-198.LIYunfei,LIM injie,SI Guoliang,et al.The Design of Tim ing Generator of Scientific Grade CCD Camera Based on FPGA[J].Control&Automation,2007,23(5):196-198.(in Chinese)

[7] 宋小龍,張犁,石光明.基于FPGA的高精度TDI-CCD信號發生器的設計[J].電子科技,2007,19(4):1-4.SONG Xiaolong,ZHANG Li,SHIGuangm ing.A High Accuracy TDI-CCD Signal Generator Based on FPGA[J].Electronic Sci&Tech,2007,19(4):1-4.(in Chinese)

[8] James R J.Scientific Charge-Coupled Devices[M].USA:SPIE,2010:22-24.

[9] 黃巧林,金偉其,朱敏.航天TDICCD相機視頻信號處理中相關雙采樣技術的研究[J].航天返回與遙感,2002,23(4):17-25.HUANG Qiaolin,JIN Weiqi,ZHU M in.TDICCD Video Data Sampling Technique for Space Remote Sensing Camera[J].Spacecraft Recovery&Remote Sensing,2002,23(4):17-25.(in Chinese)

[10] Xilinx.Virtex-5 User Guide[EB/OL].//www.xilinx.com

[11] 姜博,阮錦.基于CPLD的CCD信號發生器的研究[J].微計算機信息,2009,25(17):267-269.JIANG Bo,RUAN Jin.Design of CCD Signal Generator Based on CPLD[J].Control&Automation,2009,25(17):267-269.(in Chinese)

[12] 劉杰,牛燕雄,董偉,等.基于FPGA的視頻信號發生器設計與應用研究[J].儀器儀表學報,2008,29(3):654-657.LI Jie,NIU Yanxiong,DONGWei,et al.Design and Application of Video Signal Generator Based on FPGA[J].Chinese Journalof Scientific Instrument.2008,29(3):654-657.(in Chinese)

[13] Texas Instruments.DAC5662[EB/OL].//www.ti.com

[14] 曹偉,譚南征.基于TDICCD相機有源低通濾波器的優化研究[J].航天返回與遙感,2005,26(2):29-33.CAOWei,TAN Nanzheng.Optim ization Research of Active Low-pass Filter of TDICCD Camera[J].Spacecraft Recovery&Remote Sensing,2005,26(2):29-33.(in Chinese)

[15] 裴曉旭,鞠浩,張建勛.CCD讀出電路中數字補償式一階模擬濾波器設計[J].光電工程,2008,35(6):135-140.PEIXiaoxu,JU Hao,ZHANG Jianxun.Digital Compensation First-order Low pass Filter in the CCD Readout Circuit[J].Opto-electronic Engineering,2008,35(6):135-140.(in Chinese)