一種采樣位置自適應調整的ccd視頻信號處理系統的制作方法
【專利摘要】本發明一種采樣位置自適應調整的CCD視頻信號處理系統，實時監測CCD視頻信號的相位變化，并根據監測得到的相位關系變化，對采樣時鐘的相位關系進行調整，以補償CCD視頻信號由于外部溫度或器件老化引起的相位畸變。本發明提出的CCD視頻信號處理系統將CCD驅動信號進行分壓與整形處理后，發送至相位監測及采樣位置調整模塊。該模塊能實時監測視頻信號相對于內部基準信號的相位變化，并根據監測得到的相位變化計算獲得對應的采樣位置參數，產生相應的前采樣時鐘SHP及后采樣時鐘SHD，從而完成對CCD視頻信號采樣位置的自適應調整。
【專利說明】一種采樣位置自適應調整的CCD視頻信號處理系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種采樣位置自適應調整的C⑶視頻信號處理系統，用于補償C⑶相 機在外界溫度變化或器件老化引起的延遲偏差，保證CCD視頻信號采樣點位置的穩定性。
【背景技術】
[0002] 信噪比是空間遙感(XD相機的一個重要指標，而采樣點位置是影響C⑶圖像信噪 比的一個重要因素。采樣點位置選擇不合適，不僅會造成圖像信噪比的下降，而且在一些情 況下，圖像數據甚至不能正常顯示。特別是，隨著空間遙感相機的CCD像元頻率逐步提高， CCD視頻信號采樣點位置受外界溫度變化或器件老化因素影響的程度愈來愈大。
[0003] 傳統方式采用全采樣位置掃描定標得到相應的信噪比，通過比較各采樣點位置時 的信噪比，將信噪比相對平緩的采樣點簇的中間位置作為最終確定的采樣點位置參數，并 將該位置參數進行固化，作為相機整個生命周期中的采樣位置參數。傳統的模擬信號采樣 位置參數一旦設定，就無法改變，而由于器件延遲特性不僅會隨著溫度變化而變化，而且也 會隨著器件老化而發生改變，這樣就會造成，通過定標設定的最佳采樣點位置發生了相位 偏移，從而影響了圖像的信噪比。
【發明內容】
[0004] 本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供了一種采樣位置自適應調 整的CCD視頻信號處理系統。采用本發明可以補償CCD相機由于外界溫度變化或器件老化 弓丨起的采樣位置相位偏差，保證模擬信號采樣位置的穩定，從而保證了圖像的信噪比穩定。
[0005] 本發明的技術解決方案是：一種采樣位置自適應調整的(XD視頻信號處理系統， 包括時序基準控制器、CCD時序控制器、CCD驅動電路、CCD電路、濾波及預放電路、采樣及 AD轉換電路、相位監測及采樣位置調整模塊以及分壓與整形電路；時序基準控制器在基準 時鐘的控制下，產生焦面時鐘信號以及信號處理基準時鐘；CCD時序控制器根據焦面時鐘 產生CCD工作所需的時序信號；CCD驅動電路根據產生的時序信號生成滿足CCD工作所需 的驅動信號，并驅動CCD電路對外部光信號進行采集；CCD電路將采集到的光信號轉換為電 信號后，將該電信號作為初始視頻信號發送給濾波及預放電路進行濾波及預放大處理，獲 得視頻信號并發送給采樣及AD轉換電路；分壓與整形電路采集由CCD驅動電路產生的驅動 信號，將該驅動信號進行電平轉換獲得初始相位信號，使該初始相位信號的電平幅值滿足 相位監測及采樣位置調整模塊的輸入電平要求，之后對初始相位信號進行整形，使整形獲 得的相位信號的沿變化率滿足閾值要求；相位監測及采樣位置調整模塊根據時序基準控制 器產生的信號處理基準時鐘對相位信號進行采樣并測量相位信號的相位變化，產生采樣時 鐘并發送給采樣及AD轉換電路；采樣及AD轉換電路根據采樣時鐘對濾波及預放電路發送 來的視頻信號進行采集，將其轉換為數字信號后向外輸出。
[0006] 所述分壓與整形電路包括電阻R1、電阻R2和施密特觸發器；電阻R1的一端接至 C⑶驅動電路產生的驅動信號，另一端與電阻R2的一端相連；電阻R2的另一端接地；電阻 R1與電阻R2的公共端接至施密特觸發器的輸入端，施密特觸發器的輸出端接至相位監測 及采樣位置調整模塊。
[0007] 所述相位監測及采樣位置調整模塊包括相位監測模塊、單時鐘周期延遲環節數計 算模塊、參數存儲模塊、相位關系計算模塊和采樣位置調整模塊；相位監測模塊測量接收到 的相位信號的延遲相位參量以及相位監測模塊內部基準信號的延遲相位參量；單時鐘周期 延遲環節數計算模塊測量在單個信號處理基準時鐘周期內，信號處理基準時鐘在延遲鏈中 傳輸的延遲節點數L ;參數存儲模塊用于存儲分頻參數k，像元周期采樣點數M，默認粗調參 數以及默認細調參數，基準SHP位置參數及基準SHD位置參數；相位關系計算模塊同時接 收參數存儲模塊存儲的相關參數、相位監測模塊測量得到的延遲相位參量以及單時鐘周期 延遲環節數計算模塊測量得到的延遲節點數L，獲得采樣位置調整量；采樣位置調整模塊 將計算得到的采樣位置相位調整量進行采樣時鐘的相位調整，產生相應的采樣時鐘SHP和 SHD，并發送給采樣及AD轉換電路。
[0008] 所述相位監測模塊包括兩路相位測量延遲鏈、計數器、分頻器；所述的相位測量 延遲鏈包括延遲鏈、寄存器以及編碼器；第一路相位測量延遲鏈的延遲鏈對輸入的相位信 號進行延遲，并將每一個延遲抽頭的信號輸入到對應的寄存器，并在相位信號有效后的第 一個時鐘沿進行鎖存，鎖存的數據發送給對應的編碼器后得到相位信號的延遲參數T fl ;同 樣，將信號處理基準時鐘信號通過分頻器進行分頻，得到與相位信號相同頻率的內部基準 信號，內部基準信號通過第二路相位測量延遲鏈的延遲鏈進行延遲，并將每一個延遲抽頭 的信號輸入到對應的寄存器，并在內部基準信號有效后的第一個時鐘沿進行鎖存，鎖存的 數據發送給對應的編碼器后得到內部基準信號的延遲參數T f2 ;同時，信號處理基準時鐘信 號通過計數器進行內部計數，計數器值輸入到兩個寄存器中，其中一個寄存器在相位信號 有效后的第一個信號處理基準時鐘信號上升沿進行鎖存，另一個寄存器在內部基準信號有 效后的第一個信號處理基準時鐘信號上升沿進行鎖存，分別得到相位信號的延遲計數值 Tmtl和內部基準信號的延遲計數值Tmt2 ;將Tfl和Tmtl作為相位信號的延遲參量，將Tf2和 Tmt2作為內部基準信號的延遲參量。
[0009] 所述單周期時鐘延遲環節測量模塊包括延遲鏈、D觸發器、寄存器以及單時鐘周期 延遲環節數計算模塊；內部基準信號經過D觸發器進行延遲后，一路作為延遲鏈的輸入延 遲信號，另一路再經過一個D觸發器后，作為各延遲節點寄存器的工作時鐘，在該工作時鐘 的上升沿，延遲鏈各延遲節點的狀態鎖存至各節點對應的寄存器；單時鐘周期延遲環節數 計算模塊基于對鎖存的延遲鏈各延遲節點的數據狀態進行判斷，若該寄存器組成的N位向 量數據滿足下列條件，即：低h位為全' Γ，高（Ν-ηι)位全為' 0'，則在單個信號處理基準時 鐘周期內，延遲信號在延遲鏈中傳輸通過的節點數為h，即L = ηι ;所述的N為延遲鏈總節 點數。
[0010] 所述相位關系計算模塊計算獲得采樣位置調整量的具體方法為：
[0011] 采樣位W闥整尕=[(77, -Γρ -默y、雜剛參數) + (!；,", -Γ_2 -默認糖_參 Lxk
[0012] 本發明與現有技術相比具有如下優點：
[0013] (1)本發明將CCD驅動信號進行分壓和整形后作為CCD視頻信號的相位信號，去除 了驅動器件由于溫度和老化引起的相位變化對采樣位置的影響，減小了模擬信號相位變化 程度。
[0014] (2)傳統方法在高像元頻率的應用則受到極大限制。而本發明中用于監測相位信 號相變的相位監測模塊，其對相位測量的精度非常高，可以達到l〇〇ps。適用于更高像元頻 率的應用。
[0015] (3)本發明提出的一種采樣位置自適應調整的(XD視頻信號處理系統的方法，t匕 傳統方法增加的硬件成本很小，分壓與整形電路，只需相應的電阻和小規模集成電路組成； 相位監測及采樣位置調整模塊易于集成，可以通過通用的FPGA或專用集成芯片ASIC實現。
[0016] (4)本發明提出的通過模擬信號相位監測，并實時調整采樣點位置的方法，不僅適 用于可見光CCD視頻信號的采樣應用，對于類似于紅外CCD視頻信號的S/Η采樣應用情況， 也同樣適用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發明一種采樣位置自適應調整的C⑶視頻信號處理系統的原理框圖；
[0018] 圖2為本發明CCD視頻信號、相位信號及采樣點位置時序示意圖；
[0019] 圖3為本發明分壓與整形電路圖；
[0020] 圖4為本發明相位監測與采樣位置調整模塊原理框圖；
[0021] 圖5為高精度延時測量原理時序示意圖；
[0022] 圖6為相位監測模塊原理示意圖；
[0023] 圖7為高精度延遲鏈單環節延遲參數測量原理示意圖；
[0024] 圖8為C⑶視頻信號單周期采樣點示意圖；
[0025] 圖9為本發明視頻處理AD芯片寄存器配置指令格式示意圖；
[0026] 圖10為本發明采樣點位置調整模塊示意圖；
[0027] 圖11為本發明模擬信號采樣位置自適應調整流程圖。
【具體實施方式】
[0028] 如圖1所示，為本發明提出的一種采樣位置自適應調整的C⑶視頻信號處理系統 的結構框圖，包括時序基準控制器、CCD時序控制器、CCD驅動電路、CCD電路、濾波及預放電 路、采樣及AD轉換電路、相位監測及采樣位置調整模塊以及分壓與整形電路。其中，時序基 準控制器、CCD時序控制器、CCD驅動電路、CCD電路、濾波及預放電路、采樣及AD轉換電路、 信號處理控制器均為傳統CCD視頻信號處理電路的基本電路，本發明是在傳統CCD視頻信 號處理電路的基礎上，利用分壓與整形電路對CCD驅動信號進行分壓整形處理，產生表征 CCD視頻信號相位的相位信號，發送至相位監測及采樣位置調整模塊，利用該模塊，對相位 信號的相位變化量進行測量，并計算出采樣位置的對應調整量，實現對采樣位置在線調整。
[0029] 本發明提出的一種采樣位置自適應調整的C⑶視頻信號處理系統涉及到兩個電 路的設計，其一為分壓與整形電路，其二為相位監測及采樣位置調整模塊。其中分壓與整形 電路用于對C⑶驅動信號進行分整形處理，分壓使其幅值電平滿足相位監測及采樣位置調 整模塊的輸入電平要求，整形用于提高信號的沿變化率，使其沿變陡，利于提高相位關系的 測量精度。相位監測及采樣位置調整模塊，用來監測相位信號的相位變化，并計算出，為了 補償相位關系的變化，采樣位置需要的調整量，并以此對采樣位置進行相應的調整。
[0030] 一、關鍵模塊設計
[0031] 1、分壓與整形電路
[0032] 分壓與整形電路，由電阻分壓網絡和沿變化率增強器組成。本發明實例中的具體 電路設計如圖3所示，電阻分壓網絡通過兩個電阻串聯分壓的方式實現，其主要功能是將 CCD驅動信號的電平進行幅值轉換，以滿足后續相位監測及采樣位置調整模塊的輸入電平 要求。一般而言，CCD驅動信號的幅值要求是由CCD器件特性決定的，即不同的CCD對于驅 動信號的幅值要求是有差異的。同樣，不同的相位監測及采樣位置調整模塊對于輸入電平 幅值要求也存在差異，電阻分壓網絡實現的功能就是在驅動信號幅值和相位監測及采樣位 置調整模塊的輸入電平要求實現匹配處理。
[0033] 例如，C⑶驅動信號的幅值為：0 - 10V，而相位監測及采樣位置調整模塊的輸入電 平要求為〇 - 3. 3V，需要通過選取合適的電阻R1及R2,即滿足：
[0034]
【權利要求】
1. 一種采樣位置自適應調整的CCD視頻信號處理系統，其特征在于：包括時序基準控 制器、CCD時序控制器、CCD驅動電路、CCD電路、濾波及預放電路、采樣及AD轉換電路、相位 監測及采樣位置調整模塊以及分壓與整形電路；時序基準控制器在基準時鐘的控制下，產 生焦面時鐘信號以及信號處理基準時鐘；CCD時序控制器根據焦面時鐘產生CCD工作所需 的時序信號；CCD驅動電路根據產生的時序信號生成滿足CCD工作所需的驅動信號，并驅動 CCD電路對外部光信號進行采集；CCD電路將采集到的光信號轉換為電信號后，將該電信號 作為初始視頻信號發送給濾波及預放電路進行濾波及預放大處理，獲得視頻信號并發送給 采樣及AD轉換電路；分壓與整形電路采集由CCD驅動電路產生的驅動信號，將該驅動信號 進行電平轉換獲得初始相位信號，使該初始相位信號的電平幅值滿足相位監測及采樣位置 調整模塊的輸入電平要求，之后對初始相位信號進行整形，使整形獲得的相位信號的沿變 化率滿足閾值要求；相位監測及采樣位置調整模塊根據時序基準控制器產生的信號處理基 準時鐘對相位信號進行采樣并測量相位信號的相位變化，產生采樣時鐘并發送給采樣及AD 轉換電路；采樣及AD轉換電路根據采樣時鐘對濾波及預放電路發送來的視頻信號進行采 集，將其轉換為數字信號后向外輸出。
2. 根據權利要求1所述的一種采樣位置自適應調整的CCD視頻信號處理系統，其特征 在于：所述分壓與整形電路包括電阻R1、電阻R2和施密特觸發器；電阻R1的一端接至CCD 驅動電路產生的驅動信號，另一端與電阻R2的一端相連；電阻R2的另一端接地；電阻R1與 電阻R2的公共端接至施密特觸發器的輸入端，施密特觸發器的輸出端接至相位監測及采 樣位置調整模塊。
3. 根據權利要求1所述的一種采樣位置自適應調整的CCD視頻信號處理系統，其特征 在于：所述相位監測及采樣位置調整模塊包括相位監測模塊、單時鐘周期延遲環節數計算 模塊、參數存儲模塊、相位關系計算模塊和采樣位置調整模塊；相位監測模塊測量接收到的 相位信號的延遲相位參量以及相位監測模塊內部基準信號的延遲相位參量；單時鐘周期延 遲環節數計算模塊測量在單個信號處理基準時鐘周期內，信號處理基準時鐘在延遲鏈中傳 輸的延遲節點數L ;參數存儲模塊用于存儲分頻參數k，像元周期采樣點數M，默認粗調參數 以及默認細調參數，基準SHP位置參數及基準SHD位置參數；相位關系計算模塊同時接收參 數存儲模塊存儲的相關參數、相位監測模塊測量得到的延遲相位參量以及單時鐘周期延遲 環節數計算模塊測量得到的延遲節點數L，獲得采樣位置調整量；采樣位置調整模塊將計 算得到的采樣位置相位調整量進行采樣時鐘的相位調整，產生相應的采樣時鐘SHP和SHD， 并發送給采樣及AD轉換電路。
4. 根據權利要求3所述的一種采樣位置自適應調整的CCD視頻信號處理系統，其特征 在于：所述相位監測模塊包括兩路相位測量延遲鏈、計數器、分頻器；所述的相位測量延遲 鏈包括延遲鏈、寄存器以及編碼器；第一路相位測量延遲鏈的延遲鏈對輸入的相位信號進 行延遲，并將每一個延遲抽頭的信號輸入到對應的寄存器，并在相位信號有效后的第一個 時鐘沿進行鎖存，鎖存的數據發送給對應的編碼器后得到相位信號的延遲參數T fl ;同樣， 將信號處理基準時鐘信號通過分頻器進行分頻，得到與相位信號相同頻率的內部基準信 號，內部基準信號通過第二路相位測量延遲鏈的延遲鏈進行延遲，并將每一個延遲抽頭的 信號輸入到對應的寄存器，并在內部基準信號有效后的第一個時鐘沿進行鎖存，鎖存的數 據發送給對應的編碼器后得到內部基準信號的延遲參數T f2 ;同時，信號處理基準時鐘信號 通過計數器進行內部計數，計數器值輸入到兩個寄存器中，其中一個寄存器在相位信號有 效后的第一個信號處理基準時鐘信號上升沿進行鎖存，另一個寄存器在內部基準信號有效 后的第一個信號處理基準時鐘信號上升沿進行鎖存，分別得到相位信號的延遲計數值T mtl 和內部基準信號的延遲計數值Tmt2 ;將Tfl和Tmtl作為相位信號的延遲參量，將Tf2和Tmt2 作為內部基準信號的延遲參量。
5. 根據權利要求3所述一種采樣位置自適應調整的CCD視頻信號處理系統，其特征在 于：所述單周期時鐘延遲環節測量模塊包括延遲鏈、D觸發器、寄存器以及單時鐘周期延遲 環節數計算模塊；內部基準信號經過D觸發器進行延遲后，一路作為延遲鏈的輸入延遲信 號，另一路再經過一個D觸發器后，作為各延遲節點寄存器的工作時鐘，在該工作時鐘的上 升沿，延遲鏈各延遲節點的狀態鎖存至各節點對應的寄存器；單時鐘周期延遲環節數計算 模塊基于對鎖存的延遲鏈各延遲節點的數據狀態進行判斷，若該寄存器組成的N位向量數 據滿足下列條件，即：低h位為全' Γ，高（Ν-ηι)位全為' 0'，則在單個信號處理基準時鐘周 期內，延遲信號在延遲鏈中傳輸通過的節點數為ηι，即L = ηι ;所述的N為延遲鏈總節點數。
6. 根據權利要求3所述的一種采樣位置自適應調整的CCD視頻信號處理系統，其特征 在于：所述相位關系計算模塊計算獲得采樣位置調整量的具體方法為： 采打啦S調整Μ =[(& - Γ,.,-默汄細調#數）+《7；,,, - 7；,,、-默汄粗調參數> X L] X 。 ' + -^ . Lxk
【文檔編號】H04N5/372GK104219464SQ201410484555
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月19日 優先權日:2014年9月19日
【發明者】潘衛軍, 劉濤, 賀強民, 張曄, 王研 申請人:北京空間機電研究所