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作者：Luo Xin 數(shù)字圖像已經(jīng)發(fā)展到高清晰度和高速刷新的階段，當(dāng)今CMOS成像器的優(yōu)越性能正推動(dòng)了這個(gè)進(jìn)程，成為這一領(lǐng)域圖像傳感器的唯一選擇。高清晰度的圖像包含了巨大的信息量，而高刷新速率的高清晰度圖像，又要求以極高的速度傳輸和處理這些巨大的數(shù)據(jù)量。一幀數(shù)字圖像包含的總像素?cái)?shù)Nframe為： Nframe = Ncolumn x Nrow 其中Ncolumn是圖像陣列的列數(shù)，即水平方向每行的像素?cái)?shù)；Nrow是圖像陣列的行數(shù)，即一幀圖像垂直方向的行數(shù)。靜止圖像的幀刷新速率FR (Frame Rate or Fresh Rate)往往比較低，而攝取活動(dòng)畫面的視頻圖像則要求更高的幀刷新率，通常從每秒15幀到120幀，在特殊應(yīng)用中可以達(dá)到每秒上千幀的要求。高清晰度和高刷新率，使成像器的數(shù)據(jù)處理和傳輸速率達(dá)到每秒Giga像素的要求。因?yàn)榻^大多數(shù)圖像應(yīng)用都要求高速刷新和傳輸圖像信息，而CMOS成像器又具備直接輸出數(shù)字圖像信息的特點(diǎn)，所以從一開始CMOS成像器芯片就從引腳上直接輸出并行數(shù)據(jù)，靜止圖像往往并行輸出14 - 16bit圖像數(shù)據(jù)，而視頻圖像因?yàn)橐蟾叩乃⑿滤俾释ǔ］敵? - 12 bit。 如表是高清晰度電視HDTV和4K影院級(jí)高清晰度圖像的像素速率： 
影院級(jí)高清晰度圖像的清晰度描述，用水平一行像素?cái)?shù)的1024(1K)倍數(shù)表示，如表中4K圖像表示的是每行4096像素的圖像。可以看出，即使在HDTV格式，象素?cái)?shù)據(jù)的輸出速率也高達(dá)124 M pixel / s；而在4K高清晰度影院格式，這一速率要求甚至高達(dá)1.1G pixel / s。當(dāng)圖像數(shù)據(jù)并行輸出時(shí)，圖像數(shù)據(jù)速率分別對(duì)應(yīng)于：124 MB / s和1.1GB / s。雖然在CMOS結(jié)構(gòu)中這樣速率的數(shù)字信號(hào)是有成熟的技術(shù)來解決的，但對(duì)于圖像信息的模擬通道和12bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換，卻難以簡(jiǎn)單地解決。所幸CMOS成像器在即使低清晰度的世代，就習(xí)慣于用多路模擬通道和多ADC結(jié)構(gòu)，來降低對(duì)模擬電路的速度和采樣速率的要求。 圖6示意一個(gè)4K高清晰度成像器的多模擬通道和模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)框圖。在圖中，像素陣列的下方，布局了偶數(shù)列的模擬通道；而陣列的上方，布局了奇數(shù)列的模擬通道。這種奇偶數(shù)列被分開上下的排列，即使在最初的成像器芯片上，也常被采用來抑制由于模擬信號(hào)引出方向而導(dǎo)致的固定圖樣噪聲FPN。圖中每一側(cè)的每N個(gè)通道由模擬開關(guān)依次切換到N個(gè)可變?cè)鲆婺M放大器Amp. s/n [N-1..0] 中，然后由N個(gè)模數(shù)變換器ADC s/n [N-1..0]轉(zhuǎn)換成N路數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。陣列上下兩側(cè)每隔N列共享一路模擬放大器和模數(shù)變換器通道。上下共2N路模擬通道和模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出，使每一列模擬數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間延長(zhǎng)2N倍。
雖然模擬信號(hào)通道的速度要求得到了降低，但是所有的數(shù)據(jù)都必須與像素時(shí)鐘信號(hào)保持嚴(yán)格同步和良好的信號(hào)完整性，這個(gè)像素時(shí)鐘的頻率等于圖像的像素速率： CLK pixel = Pixel Rate 任何相對(duì)于像素時(shí)鐘的偏移skew和抖動(dòng)jitter都將會(huì)影響圖像的正確重建。所以所有的圖像數(shù)據(jù)輸出必須由達(dá)到Gigabit / s速率的高速差分標(biāo)準(zhǔn)并行傳輸。 模擬信號(hào)通道的分組數(shù)根據(jù)實(shí)際情況而定，分組和并行的結(jié)果將使芯片的引腳數(shù)大幅度增加，而差分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)又使引腳數(shù)增加一倍。對(duì)于HD視頻圖像而言，可以采用BGA焊球網(wǎng)格陣列高密度封裝，通常需要上千個(gè)引腳數(shù)才能滿足要求。高速數(shù)據(jù)傳輸還會(huì)增加芯片的功耗，并使芯片的工作溫度升高，對(duì)于集成有傳感器的芯片而言，溫度噪聲將降低圖像信號(hào)的信噪比，這對(duì)于芯片和片外結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都提出了挑戰(zhàn)。 當(dāng)然對(duì)于靜止圖像的傳感器，被攝物體的運(yùn)動(dòng)和連續(xù)曝光速度的要求，也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率提出要求。但是就不會(huì)有像對(duì)連續(xù)圖像高達(dá)每秒120幀那么高刷新率的要求，通常的要求在每秒10幀以下的數(shù)量級(jí)。 |
