基于哈达码矩阵调制的信号处理电路.pdf

本发明公开一种基于哈达码矩阵调制的信号处理电路，包括有探测器阵列和A/D转换器，在探测器阵列和A/D转换器之间还设置有依次连接的预放大器阵列、模拟乘法器阵列和多输入复合加法器，其中，探测器阵列的输出连接预放大器阵列的输入端，多输入复合加法器的输出连接A/D转换器的输入端，还设置有控制电路和编码器，所述的控制电路通过I2C总线接收外部的设定控制信号，并分别连接并控制编码器、A/D转换器和探测器阵列，所述的编码器还通过数据总线连接模拟乘法器阵列。本发明整个系统只需要一个A/D转换器。在消耗少量电路功耗和面积的情况下，提高了读出效率和对探测器阵列输出信号的处理速度。增大焦平面阵列，探测元数量的增多使A/D的速度只跟图像处理的帧频有关。

1.  一种基于哈达码矩阵调制的信号处理电路，包括有探测器阵列(1)和A/D转换器(7)，其特征在于，在探测器阵列(1)和A/D转换器(7)之间还设置有依次连接的预放大器阵列(2)、模拟乘法器阵列(3)和多输入复合加法器(4)，其中，探测器阵列(1)的输出连接预放大器阵列(2)的输入端，多输入复合加法器(4)的输出连接A/D转换器(7)的输入端，还设置有控制电路(5)和编码器(6)，所述的控制电路(5)通过I2C总线(8)接收外部的设定控制信号，并分别连接并控制编码器(6)、A/D转换器(7)和探测器阵列(1)，所述的编码器(6)还通过数据总线(9)连接模拟乘法器阵列(3)。

2.  根据权利要求1所述的基于哈达码矩阵调制的信号处理电路，其特征在于，所述的探测器阵列(1)设置有N个探测器(11)，预放大器阵列(2)设置有N个预放大器(12)，模拟乘法器阵列(3)设置有N个模拟乘法器(13)，所述的N为大于等于1的整数，所述的探测器(11)、预放大器(12)和模拟乘法器(13)为一一对应的依次连接。

3.  根据权利要求1所述的基于哈达码矩阵调制的信号处理电路，其特征在于，所述的多输入复合加法器(4)包括有单运算放大器(10)，所述的单运算放大器(10)的反相输入端连接电阻网络或电容网络，同相输入端接地，输出端通过电阻(R_f)连接反相输入端，输出端输出信号(V_o)。

4.  根据权利要求3所述的基于哈达码矩阵调制的信号处理电路，其特征在于，所述的电阻网络或电容网络具有与模拟乘法器阵列(3)中模拟乘法器(13)个数相同的电阻或电容，所述的电阻或电容的输入端一一对应连接模拟乘法器阵列(3)中模拟乘法器(13)的输出端，所述的电阻或电容的输出端共同连接单运算放大器(10)的反相输入端。

5.  根据权利要求1所述的基于哈达码矩阵调制的信号处理电路，其特征在于，所述的控制电路(5)包括有：分别与I²C总线的串行时钟信号(81)和I²C总线的串行数据信号(82)相连接的I²C从机(54)，所述的I²C从机(54)分别连接探测器阵列曝光时间控制模块(53)、A/D时序控制模块(51)和编码单元控制模块(52)。

基于哈达码矩阵调制的信号处理电路
技术领域
本发明涉及一种红外焦平面阵列读出电路的信号处理。特别是涉及一种能够将探测器阵列输出的并行模拟电压信号调制整合成单端串行模拟电压信号，供A/D进行数字化转换的基于哈达码矩阵调制的信号处理电路。
背景技术
红外焦平面阵列由探测器阵列和读出电路组成。读出电路的作用是对红外探测器输出的微弱信号进行积分，放大、去噪和并/串转换后传输给A/D进行模拟信号数字化转换。读出电路的性能将直接影响红外焦平面的质量。随着红外焦平面阵列不断的增加，整个成像系统集成度不断的提高，对读出电路的性能和尺寸也有了更高的要求。目前读出电路的设计可以说已经成了红外焦平面技术进一步发展的瓶颈。
红外焦平面阵列读出方式分为并行读出和串行读出两种方式。对于串行读出电路，外部时钟驱动的移位行寄存器和移位列寄存器控制的多路开关阵列对探测器阵列进行扫描，将探测器阵列输出的多路并行模拟信号转换成单端串出的模拟电压信号提供给A/D进行数字化转换。串行读出方式对探测器阵列读出信号的处理速度低。随着焦平面阵列的不断增大，探测元数量的不断增多，对多路选择器和A/D转换的速度要求也越来越高，从而引起了电路功耗和面积的增大以及实现上的困难。另外，对于串行读出方式，在CMOS工艺中还存在由MOS晶体管构成的大开关阵列造成的时钟溃通和沟道电荷注入引起的误差。对于并行读出电路A/D转换器可以对探测器阵列中探测元的输出信号进行点对点的处理，即每个探测元需要一个A/D，具体的实现为采用像素级A/D进行数字化转换。像素级A/D转换以后的数字信号传输可以大大降低噪声干扰，提高信号的处理速度，但是系统的面积和功耗将会很大，目前在高性能应用中很少采用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够将探测器阵列输出的并行模拟电压信号调制整合成单端串行模拟电压信号，供A/D进行数字化转换，解决红外焦平面阵列日益增大、探测器阵列的探测元日益增多的情况下，采用扫描串行读出方式读出速度慢的问题，以及实现在不影响图像帧频的情况下降低对A/D处理电路工作速度的要求的基于哈达码矩阵调制的信号处理电路。
本发明所采用的技术方案是：一种基于哈达码矩阵调制的信号处理电路，包括有探测器阵列和A/D转换器，在探测器阵列和A/D转换器之间还设置有依次连接的预放大器阵列、模拟乘法器阵列和多输入复合加法器，其中，探测器阵列的输出连接预放大器阵列的输入端，多输入复合加法器的输出连接A/D转换器的输入端，还设置有控制电路和编码器，所述的控制电路通过I²C总线接收外部的设定控制信号，并分别连接并控制编码器、A/D转换器和探测器阵列，所述的编码器还通过数据总线连接模拟乘法器阵列。
所述的探测器阵列设置有N个探测器，预放大器阵列设置有N个预放大器，模拟乘法器阵列设置有N个模拟乘法器，所述的N为大于等于1的整数，所述的探测器、预放大器和模拟乘法器为一一对应的依次连接。
所述的多输入复合加法器包括有单运算放大器，所述的单运算放大器的反相输入端连接电阻网络或电容网络，同相输入端接地，输出端通过电阻连接反相输入端，输出端输出信号。
所述的电阻网络或电容网络具有与模拟乘法器阵列中模拟乘法器个数相同的电阻或电容，所述的电阻或电容的输入端一一对应连接模拟乘法器阵列中模拟乘法器的输出端，所述的电阻或电容的输出端共同连接单运算放大器的反相输入端。
所述的控制电路包括有：分别与I²C总线的串行时钟信号和I²C总线的串行数据信号相连接的I²C从机，所述的I²C从机分别连接探测器阵列曝光时间控制模块、A/D时序控制模块和编码单元控制模块。
本发明的基于哈达码矩阵调制的信号处理电路，没有采用扫描机制，消除或减少了多路模拟开关阵列的使用。在读出电路中插入简单的单位增益缓冲器、反相器和由单个运算放大器及电阻或电容网络组成的多输入加法器就可以使探测器阵列输出的信号被整行(或列)，甚至全部并行同时读出。整个系统只需要一个A/D转换器。在消耗少量电路功耗和面积的情况下，提高了读出效率和对探测器阵列输出信号的处理速度。采用本方案所提出的读出电路设计方法，焦平面阵列的增大，探测元数量的增多将不会再对A/D的处理速度造成影响，A/D的速度只跟图像处理的帧频有关。另外，不使用或减少多路模拟开关阵列可以在一定程度上降低时钟溃通和沟道电荷注入所引入的误差。本发明还可用于其他类似于红外焦平面阵列的读出信号处理电路中。
附图说明
图1是本发明的整体框图；
图2是本发明的数据流示意图；
图3是本发明的多输入复合加法器的电路原理图；
图4是控制电路的构成框图。
其中：
1：探测器阵列        2：预放大器阵列
3：模拟乘法器阵列    4：多输入复合加法器
5：控制电路          6：编码器
7：A/D转换器         8：I²C总线
9：数据总线       10：运算放大器
11：探测器        21：预放大器
31：模拟乘法器
具体实施方式
下面结合实施例附图对本发明的基于哈达码矩阵调制的信号处理电路做出详细说明。
Hadamard(哈达码)矩阵在正交编码理论中具有非常重要的作用，因为这种矩阵的的每一行(或列)都是一组正交码。
若两个周期为T的模拟信号X₁(t)和X₂(t)相互正交，则有∫0Tx1(t)·x2(t)dt=0.]]>
对于两个正交的码组x，y存在如下的相互关系：
设长为n的码组x，y，码元只有+1和-1
x＝(x₁，x₂，x₃，…，x_n)
y＝(y₁，y₂，y₃，…，y_n)
其中x_i，y₁∈(+1，-1)，i＝1，2，…，n，则存在ρ(x,y)=1nΣi=1nxiyi=0]]>
Hadamard矩阵仅由元素+1和-1构成，2阶hadamard矩阵为最低阶，其结构为H2=+1-1+1-1,]]>阶数为2的幂的高阶hadamard矩阵可以从下列递推关系中得到：HN=HN/2⊗H2,]]>其中，N＝2^m，如4阶hadamard矩阵H4=H2H2H2-H2,]]>同理可以得出N阶矩阵。Hadamard矩阵的阶数都是2的幂，这与焦平面阵列中探测器阵列的阶数都是2的幂是一样的。从数学的角度上来说，焦平面阵列中探测器的阵列输出的信号也是一个特殊的矩阵，与hadamard矩阵不同的是这个矩阵的元素是模拟信号。所以用这种矩阵来作为焦平面阵列读出电路信号的调制信号有很好的匹配效果。
本发明利用上述原理，对于一个N×N元的焦平面阵列在设计时采用N阶hadamard矩阵进行编码调制。
如图1所示，本发明的基于哈达码矩阵调制的信号处理电路，包括有探测器阵列1和A/D转换器7，在探测器阵列1和A/D转换器7之间还设置有依次连接的预放大器阵列2、模拟乘法器阵列3和多输入复合加法器4，其中，探测器阵列1的输出连接预放大器阵列2的输入端，多输入复合加法器4出连接A/D转换器7的输入端，还设置有控制电路5和编码器6，所述的控制电路5通过I²C总线8接收外部的设定控制信号，并分别连接并控制编码器6、A/D转换器7和探测器阵列1，所述的编码器6还通过数据总线9连接模拟乘法器阵列3。所述的各部分之间是通过互联线实现连接。
编码器是通过软件算法实现的一个单元。例如，要生成一个N＝2^m阶的hadamard矩阵，则需要m个2阶hadamard矩阵进行直积。生成的N阶矩阵存储在编码单元的Ram中供后来的调制使用。
如图4所示，控制电路5为数字集成电路，包括有：分别与I²C总线的串行时钟信号81和I²C总线的串行数据信号82相连接的I²C从机54，所述的I²C从机54分别连接探测器阵列曝光时间控制模块53、A/D时序控制模块51和编码单元控制模块52。
控制电路5主要为本发明的基于哈达码矩阵调制的信号处理电路中模拟模块提供时序控制，同时完成与外部的通讯和编码器中矩阵阶数的设置。在电路实现上主要包括寄存器单元、存储单元和频率计数分频电路。
如图2所示，所述的探测器阵列1设置有N个探测器11，预放大器阵列2设置有N个预放大器12(预放大器要求很好的低噪声特性，如选用MAX4475)，模拟乘法器阵列3设置有N个模拟乘法器13，所述的N为大于等于1的整数，所述的探测器11、预放大器12和模拟乘法器13为一一对应的依次连接。
探测器阵列1的输出信号并行传送给预放大器阵列2，经过放大后的模拟信号通过模拟乘法器阵列3与从数据总线9上传来的码元相乘，然后传到多输入复合模拟加法器4中实现并/串转换。经A/D转换器7数字化后存储起来，以备后用。
如图3所示，所述的多输入复合加法器4包括有单运算放大器10(运算放大器要求高精度、高增益，如选用LMP7717)，所述的单运算放大器10的反相输入端连接电阻网络或电容网络，同相输入端接地，输出端通过电阻R_f连接反相输入端，输出端输出信号V₀。
所述的电阻网络或电容网络具有与模拟乘法器阵列3中模拟乘法器13个数相同的电阻或电容，所述的电阻或电容的输入端一一对应连接模拟乘法器阵列3中模拟乘法器13的输出端，所述的电阻或电容的输出端共同连接单运算放大器10的反相输入端。
本发明的基于哈达码矩阵调制的信号处理电路可分为模拟电路部分和数字电路部分。模拟电路部分对探测元输出信号进行积分、预放大、调制和整合，然后通过A/D转换器将读出的模拟信号转换成数字信号。数字部分用来对整个电路系统的工作和探测元的曝光时间进行控制和产生hadamard矩阵编码，生成的调制码通过数据总线在控制电路调度下分配到相应的模拟乘法单元，实现读出模拟信号的调制，调制后的模拟信号作为复合模拟加法器的输入，实现并/串转换，也就是说将探测元输出的多路并行模拟电压信号转换成单端串行的模拟电压信号。然后将该单端模拟信号传送给A/D转换器进行数字化转换。输出的数字信号存储到存储电路中，供后面的数字信号处理电路使用。
采用hadamard矩阵编码进行调制，电路中的模拟乘法器可以用单位增益缓冲器实现+1的相乘，反相器实现-1的相乘，从而简化电路设计，节省电路面积和功耗。多输入复合模拟加法器可以使用单运放与电阻或电容网络组成的模拟加法器实现。另外，N×N元探测器阵列最好采用N阶hadamard矩阵进行编码调制，以避免不必要的错误和简化设计。
本发明的处理电路有两种工作模式，一种是正常工作模式，另一种是自检测试模式。
当处理电路处于正常工作模式时，各通道处理电路与各自的探测器相连接；当处理电路处于自检测试模式时，仅有一个通道与测试专用探测器相连，用以对某一特定通道的性能进行单独测试。在处理电路与探测器阵列连接之前，要使处理电路工作于自检测试模式，轮流对各通道的性能进行测试，确认芯片的性能无误后，再与探测器进行连接。
处理电路工作模式的选择是通过I²C通信控制实现的，通过写入测试模式控制字和待测试的通道编号，控制系统进入自检测试模式，将相应的通路连接到测试专用探测器上。当写入非测试模式的控制字时，系统将进入正常工作模式。
本发明的基于哈达码矩阵调制的信号处理电路中各个部分的工作过程如下：外部通过I²C总线对本发明的基于哈达码矩阵调制的信号处理电路的工作模式、探测器阵列的曝光时间以及hadamard矩阵的阶数进行设置；控制电路对探测器阵列的曝光时间，编码器的编码方式、码元在数据总线上的传输以及A/D转换器的工作时序进行控制；编码器用来产生所需要的hadamard矩阵并在控制电路的控制下通过数据总线传输到模拟乘法器阵列；模拟乘法器阵列将从探测器阵列读出，经过预放大后的模拟电压信号与从数据总线上传来的调制编码相乘，这个过程从数学角度可以看作两个N阶矩阵相乘。从模拟乘法器阵列输出的信号经过一个多输入复合模拟加法器实现并/串转换，得到的单端串行模拟电压信号经A/D转换器数字化以后进行存储供后面的数字信号处理电路使用。
本发明的基于哈达码矩阵调制的信号处理电路，对从探测器阵列读出来的信号的具体处理过程如下，若从探测器阵列输出的是小电流信号，一般来说都是通过积分将其转换成模拟电压信号然后再进行预放大；若探测器阵列输出的是模拟电压信号，则可直接进行预放大。预放大后的电压信号通过一个模拟乘法器与从数据总线上传来的编码信号相乘，然后再通过一个模拟多输入复合加法器把多路模拟信号整合成单端串出的模拟信号，传输给A/D转换器进行数字化转换。
采用hadamard矩阵编码可将模拟乘法器的设计简化成单位增益缓冲器和反相器的设计。多输入复合模拟加法器可采用运算放大器和电阻或电容网络实现。采用这种设计可以消除或减少模拟多路开关阵列的使用。由于hadamard矩阵元素为+1和-1，采用该矩阵调制不会引入额外的电子噪声，而且可以最大程度的简化电路设计。码元的正交特性可以使模拟电压信号在进行整合相加的时候不至于溢出，造成图像采集的错误。