CCD应用中数据取样技术的研究

第20卷第4期半　导　体　光　电Vol.20No.4 1999年8月Semiconductor Optoelectronics Aug.1999文章编号:　1001-5868(1999)04-0273-04
CCD应用中数据取样技术的研究①
曾晓洋,郝志航
(中国科学院长春光学精密机械研究所,长春130022)
摘　要:　分析了CCD视频信号读出时复位噪声的产生机理,并从噪声互消原理出发,分析了CCD输出视频信号的取样技术———相关双取样,讨论了相关双取样技术的工作原理及其对CCD 读出噪声(包括复位噪声和1/f噪声等低频噪声)的滤除作用,给出了相关双取样技术在实际应用中的电路实现,讨论了相关双取样技术的扩展形式———相关四取样技术。

关键词:　CCD　相关双取样　复位噪声　相关四取样
中图分类号:　TN386.5 文献标识码:A
Study on the data sampling technology in the application of CCD
ZEN G Xiao-yang,HAO Zhi-hang
(Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics,Chinese Academ y of Sciences,Changchun130022,China)
Abstract:　The mechanism of the reset noise of CCD video signal is presented.Based on the inter -removed principle of noise,the correlated-double-sampling is analyzed,and it’s effect on the readout noise elimination of CCD.The circuit implementation of the CDS is given.And CDS’extend2 ed form,correlated-quadrupole-sampling is discussed as well.
K eyw ords:　CCD,CDS,reset noise,correlated-quadrupole-sampling
1　引言
CCD的输出视频信号由电压脉冲组成,单个脉冲的幅值正比于每个敏感元的光感电荷量。

在CCD的输出视频信号中,包含着许多噪声成分,其中最主要的有复位噪声、随机噪声、散粒噪声和固定图形噪声等[1,2]。

为了保证输出高信噪比的视频信号,以期提取高质量的有用信号,必须对这些噪声予以抑制。

为了提高视频信号的信噪比,应对在CCD信号的各种噪声中最主要的复位噪声(KTC噪声)进行处理。

最简单的处理方法是使用截止频率为2f(f 为CCD的读出频率)的低通滤波器,但其效果不好而且对有用的空间边沿信号有衰减作用[3]。

采用相关双取样技术不仅可以很好地滤除复位噪声,而且对CCD传感器的1/f噪声也有一定的滤除作用[4]。

2　相关双取样技术
CCD的读出噪声包括KTC噪声、1/f噪声及固定图形噪声等。

依据噪声互消原理,广泛应用于CCD传感器输出视频信号取样中的相关双取样技术能有效地滤除读出噪声。

2.1　电荷的检测和噪声
我们以三相CCD为例,先讨论CCD电荷的检测和复位噪声的产生机理[5,6]。

如图1所示为三相CCD器件的浮置栅放大输出时的电荷检测原理图。

CCD是在周期脉冲的作用下,通过电荷的存贮和传输来完成它的各种功能的。

包含着有用信号的光生电荷包在输出端被检测出,经常采用的是所谓“选通电积分器”的结构。

如图1所示,每次信息的取样,
①1998-12-01收稿;1999-02-03定稿
图1　三相CCD 器件输出电荷的检测
Fig.1　The output charge detection of three phase CCD
以单个电荷包的形式出现在放大器的栅节点A 上。

每行在对光生电荷包产生的电压进行检测读出后,栅极节点需加以复位一次。

工作过程中,复位管栅极加上正脉冲<R ,复位管开启,使漏极直流偏压V RD 预置到节点A 上,随着复位管的截止,A 点的电压还保持在这一高阻抗点上,直到<3变为低电平时,信号电荷包转移进A 点电容,电荷量转变成节点A 的电压变化量。

作为低噪声成像和信号处理器件,我们关心的是各个阶段引入的噪声。

复位管开启时,电流通过
R D 对C
A 进行充电,预置到V RD 电平,但是由于电
阻上的热噪声使电容C A 上预置电压的同时也包含噪声电压V n ,电容上的噪声均方电压为
V 2
n =4k T R ∫
∞
0d ω1+R 2C 2A
ω2=k T C A (
1)由式(1)知,这种噪声仅与C A 和T 有关,而与电阻量无关,故称之为“KTC 噪声”。

我们可以将复位过
程理解为一个电阻对一个电容充电,等效电路如图2所示。

图2　复位过程等效电路
Fig.2　Equivalent circuit of the reset course
图2中电阻R 表征复位MOSFET 的沟道导通
电阻,电容C A 是反偏二极管D 的节电容C d 和源极跟随器栅电容C g 之和。

对于如图2所示的等效电路,电容C A 上的电压均方起伏为:
ΔV 2n =k T
C A
1-exp -2t R C
A
(2)式中,RC A 是输出电容复位的时间常数,但是R 是
MOSFET 的沟道导通电阻,取值很小,一般小于2
k Ω,C A 的取值范围是0.1～0.5p F ,所以RC A 约为
1×10-
10
～1×10-9s 。

这就表明复位FET 开启后,
电路很快达到平衡。

2.2　相关双取样的基本原理
输出电压由于时钟的馈入而有一定的下降,这个过程的时间常数为R off C A ,R off 是FET 沟道关断电阻,因为取值很大,一般大于1×1012Ω,故此时的时间常数很大,大约是1×10-1s 以上。

由此可见电容C A 电后噪声电压起伏非常缓慢。

相关双取样就是利用电容C A 上的噪声电压起伏缓慢这一特点,在输出电荷包之前和输出电荷包之时,进行前后两次取样并且使两次取样时间间隔远小于时间常数
R off C A ,这样前后两次取样是与时间相关的。

这里我们只考虑KTC 噪声。

图3所示为一相关双取样的电路实现原理图[3]。

如图3中,通过电容C 1输入被送到由开关S 1和S 2所隔离的节点。

当开关S 1闭合时,节点被短路至地;开关S 2接通输出,输出同时还由电容C 2接至地。

开关闭合周期为T 1,闭合时间相对时钟周期可以忽略。

开关S 1的闭合将中间节点固定后测量初始的KTC 噪声,开关S 1的闭合用于信号电荷的检测。

开关S 2在开关S 1闭合λ时间后闭合,其中λ<T 1。

图3　相关双取样电路原理图
Fig.3　Principle circuit of CDS
可将随时间变化的输出写成输入的函数[5]:
v out (t )=
6
+∞
n =-∞
W (t -n T 1-λ
)v mid (n T 1+λ)(3a )
v mid (t )=
6
+∞
m =-∞
W (t -m T 1)×
[v in (t )-v in (m T 1)]
(3b )
将式(3b )代入式(3a )得
v out (t )=
6+∞
n =-∞6
+∞
m =-∞
W (n T 1+λ-m T 1)・
W (t -n T 1-λ
)・ [v in (n T 1+λ
)-v in (m T 1)](3c )
因为窗口函数在0<t <T 1范围内为单位1,其他情
4
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况下为零。

式(3a)表示开关S2迫使v out(t)取样-保持v mid(t),式(3b)表示了v mid(t)的周期性的复位动作。

根据窗口函数的定义,W(n T1+λ-m T1)正是Kronecker delta函数δn,m,这样
v out(t)=6+∞n=-∞W(t-n T1-λ)・ [v in(n T1+λ)-v in(n T1)](4)对输出v out(t)幅值的傅里叶变换有
V out(f)=exp[-iπf(T1+2λ)]sin(πf T1)
πf T
1
・
6+∞n=-∞[v in(n T1+λ)-v in(n T1)]・
exp(-i2πf T n) (5)式(5)表示了两个不同的离散傅里叶变换,根据Poisson求和的规则,我们可以将幅值改写成
V out(f)=exp[-iπf(T1+2λ)]sin(πf T1)
πf T
1
・
6+∞
n=-∞
V in(f-n/T1)・
{-1+exp[i2πλ(f-n/T1)]}(6)考虑V out(f)的复平方,我们有
S out(f)=4sin(πf T1)
πf T
1
2
・
6+∞n=-∞S in(f-n/T1)sin2[πλ(f-n/T1)]
(7)式(6)即为相关双取样电路的输出能量谱密度。

由式(4)至式(7)可知,在前后两次取样值相减后,KTC噪声因相互抵消而在输出信号中有一定衰减,于是可知经相关双取样后的输出信号中KTC噪声大大减少了,即该技术有效地去除了复位噪声的影响。

KTC噪声的有效滤除,很大程度上提高了输出信号的信噪比,从而有利于提取有用的视频信号。

对于任何随时间变化的信号,在时间间隔内的转移函数是
G(s)=G0(1-e-s T)/(1+s/ω0)(8)其中G0为增益,ω0为带宽。

当ω0趋近于零时,转移函数也趋近于零,故对所有低频噪声均有抑制作用。

即相关双取样技术也可以有效地抑制1/f噪声,也有利于提高输出信号的信噪比。

3　相关四取样技术
为了保持CCD输出高信噪比的信号以提取有用视频信号,除了使用相关双取样方法外,我们还可以使用其转化形式———相关四取样技术[3]。

该技术在一般的相关双取样的信噪比性能上大约改善40%,相关四取样的简化原理如图4所示。

相关四取样运转原则是:相关的两个取样可以从CCD信号脉冲的两个前后沿获得,从而加倍恢复了有用信号,而噪声只增加2
倍。

相关四取样的工作过程是:正好在信号前沿跃迁之前提供箝位,即记录参考电平(含噪声)以及在完成信号跃迁之后取样出信号的幅值(此过程与相关双取样相似);然后将上述程序倒过来,就可以完成后沿幅值的取样。

两个信号均接入一个输出差动放大器中,该放大器便可有效地合成取样。

相关四取样技术能很好地滤除KTC噪声,并对1/f噪声及其它低频噪声也有抑制作用。

图4　相关四取样的简化原理图
Fig.4　Principle diagram of correlated-quadrupole-sampling 4　结束语
在CCD传感器读出噪声的抑制处理方法中,除了相关双取样法,还有相关四取样技术、常用的差分平均取样法、直流恢复与积分法、直流恢复与差分平均法等。

这些方法适用于不同的场合,能较好地消除复位噪声(KTC噪声),并对其他噪声(包括1/f 噪声和由电源产生的低频噪声)也有抑制作用,从而提高CCD传感器输出信号的信噪比,完成对有用视频信号的有效提取。

参　考　文　献
[1]　吴君钦.对弱信号CCD噪声的最佳化处理[J].云南天
文台台刊,1991,2:46～51.
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[3]　Salomon P M.Charge-coupled device(CCD)tracker for
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[4]　Turko B T.Elimination of artifacts in interline charge-
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produced by correlated -doubled -sam pling [J ].IEEE Trans.on Circ.and Sys.,1991,38(9):1086～1090.
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半导体光电,1989,10(2):70～
73.
曾晓洋　男,1972年生。

1996
年毕业于湘潭大学机械工程系,同年考入中国科学院长春光机所攻读机电控制及自动化专业硕士学位,现为博士研究生。

参
加国家“863”项目———“传输型
三线阵航天摄影测量相机”的研究工作,主要从事EDA 及电子技术的研究,已发表论文数篇。

(上接第251页)
信元的实际花费时间,以HDLC 协议为例:
t =t I +P ×E (T 1)+P 2
×E (T 2)
(6)
其中,t I 为发送一帧所需要的时间,T 1为重发一次
需要的时间,T 2为重发两次需要的时间,P 为发送出错的概率,重发三次以上的概率忽略不计,t 为平均处理时间。

CTD 性能恶化将严重影响语音、交互游戏和Web 浏览等对回应时间有限制的业务的服务质量。

可以通过减少物理层传输误码,简化LLC 协议和优化MAC 接入控制算法等方法降低CTD ,保证各种交互业务经受尽量低的接入延时。

5　结论
A TM -PON 的两个时延参数,CTD 和CDV 对
业务质量有很大影响,对这两个参数性能的优化要
从物理层、媒质接入层和逻辑链路层来综合考虑。

参　考　文　献
[1]　Angelopoulos J D ,Venieris E S ,Stassinopoulos G I.A
TDMA based access control scheme for APON ’s [C ].In :IEEE Lightwave commun ,S pecial issue on broad 2band optical networks ,1993,11(5).
[2]　Guillemin F ,Roberts J W.Jitter and bandwidth enforce 2
ment [C].In :Proc.G LOBECOM ’91,Session 9.
3.
徐　林　男,1975年1月18日出生,北京邮电大学无线系本科毕业,同年入该校工程学院光通信中心读硕士,所学专业为电磁场与微波技术,研究生课题为接入网网络管理。

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