CH653796A5 - Signalverarbeitungsvorrichtung mit einem ladungsverschiebenden analogen schieberegister. - Google Patents

Description

Die Erfindung befasst sich mit Signalverarbeitungsvorrichtungen zur analogen Verarbeitung von Signalen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, in welchen analoge Information verzögert und vorübergehend gespeichert wird.

Derartige Vorrichtungen finden bereits in Infrarot-Bilderzeugern zwischen der Video-Anzeigeeinrichtung und dem auf infrarote Wärmestrahlung ansprechenden Detektor Anwendung; sie verwenden analoge, ladungsverschiebende Schieberegister, welche nachfolgend auch als CCD-Schieberegister (engl.: charge-coupled device) bezeichnet werden. Solche CCD-Schieberegister werden z.B. von der Fa. Fairchild hergestellt. In ihnen wird ein Eingangssignal abgetastet und jeder Abtastwert als Ladungsmenge zeitlich gesteuert über einen Signalweg verschoben und auf einer Folge von Plätzen gespeichert, welche Bits des Registers bilden. Um das CCD-Schieberegister so klein zu machen, dass es auf einem einzigen Chip untergebracht werden kann, hat man den Signalweg gewunden angelegt, mit der Folge, dass die geometrische Lage von einem Registerplatz relativ zum folgenden Registerplatz entlang des Signalweges Änderungen unterworfen ist. Dies führt zu der bekannten Erscheinung, dass gewisse Registerplätze in Abhängigkeit von ihrer Lage auf dem Signalweg die gespeicherte Ladungsmenge um einen Faktor vermehren, welcher von der Zeitspanne abhängt,

während der die Ladungsmenge auf diesem Registerplatz gespeichert ist.

Ein weiterer Nachteil bekannter CCD-Schieberegister besteht darin, dass gewisse, geometrisch zufällig verteilt liegende Registerplätze aus einem Material bestehen, welches nicht vollständig mit dem Material übereinstimmt, aus welchem andere Registerplätze bestehen, und dies führt zu einer unerwünschten Änderung der auf diesen Registerplätzen gespeicherten Ladungspakete.

Den bekannten CCD-Schieberegistern sind also zwei nachteilige Eigenschaften gemein, welche beide zu unerwünschten Änderungen der durch die Schieberegister verschobenen Ladungsmengen führen.

Werden solche CCD-Schieberegister in Infrarot-Bilderzeugern eingesetzt, wo die durch die Register hindurch übertragenen Analogsignale eine Video-Information tragen, dann bewirken die geschilderten Nachteile sichtbare Verzerrungen in den auf der Video-Anzeigeeinrichtung dargestellten Bildern, sofern durch die CCD-Schieberegister eine signifikante Zeitverzögerung eingeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen durch eine verbesserte Signalverarbeitungsvorrich-tung, in welcher die beschriebene Signalverfälschung vermieden oder wenigstens vermindert wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Zweckmässigerweise besitzt das CCD-Schieberegister, wenn N die Anzahl der Abtastwerte (samples) des Eingangssignals ist, M Registerplätze, wobei M>N ist, und die Zeitsteuereinrichtung ist dann zweckmässig derart aufgebaut, dass sie die gespeicherten Abtastwerte während der Speicherzeit durch M-N Registerplätze hindurchbewegt.

Die Erfindung bietet eine einfache und doch wirkungsvolle Lösung, mit der sich die Zeitspanne, während der sich irgendeine einem Abtastwert entsprechende Ladungsmenge auf irgendeinem Registerplatz aufhält, verkürzen lässt. Auf diese Weise werden die unerwünschten Einflüsse der geometrischen Lage einzelner Registerplätze nicht mehr auf einzelne Ladungsmengen konzentriert, sondern auf eine Anzahl von Ladungsmengen verteilt, und entsprechendes gilt auch für die unerwünschten Einflüsse der Materialinhomogenitäten an verschiedenen Registerplätzen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 ist die vergrösserte Ansicht eines bekannten CCD-Schieberegisters, welche die gewundene Anordnung des Signalweges zeigt,

Fig. 2 zeigt ein Ausgangssignal des CCD-Schieberegisters aus Fig. 1, welches ohne Anwendung der Erfindung unerwünschte Signaländerungen aufweist,

Fig. 3 ist das Blockschaltbild einer Signalverarbeitungsvorrichtung gemäss der Erfindung,

Fig. 4 zeigt ein Ausgangssignal eines CCD-Schieberegisters bei Anwendung der Erfindung gemäss Fig. 3, und

Fig. 5 ist die Blockdarstellung eines Infrarot-Bilderzeugers unter Verwendung eines erfindungsgemässen Signalverarbeitungssystems.

Fig. 1 zeigt ein Fairchild CCD-Schieberegister Typ 321A mit einem Signaleingang 10 und mit einer Vielzahl von Registerplätzen 12, welche entlang eines Signalweges 14 verteilt sind, der am Signalausgang 16 endet. Der Signalweg 14 weist sechs Kehren 14A auf und in jeder dieser Kehren 14A ist die geometrische Anordnung der Registerplätze 12 eine andere als in den übrigen (geradlinigen) Abschnitten des Signalwegs

2

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14. Wenn beispielsweise ein Eingangssignal mit konstantem Pegel abgestatet wird und die Abtastwerte periodisch in das Schieberegister eingegeben werden, darin für eine vorgegebene Zeitspanne gespeichert und anschliessend aus dem Schieberegister wieder abgerufen werden, dann kann das Ausgangssignal des Schieberegisters die in Fig. 2 dargestellte Form besitzen: Das Ausgangssignal besitzt keinen konstanten Pegel mehr, vielmehr besitzen die Abtastwerke 16A und 16B eine erhöhte Amplitude, weil die entsprechenden Ladungsmengen auf Registerplätzen 12 in zwei der Kehren 14A gespeichert waren. Die Darstellung des Ausgangssignals des Schieberegisters ist zum Zwecke der Erläuterung sehr schematisch gehalten und berücksichtigt nicht, dass in der Praxis die den Abtastwerten 16A und 16B benachbarten Abtastwerte ebenfalls eine (wenn auch geringer) erhöhte Amplitude aufweisen, weil in jeder der Kehren 14A mehrere Registerplätze liegen. Materialinhomogenitäten unter den Registerplätzen 12 entlang des Signalweges 14 führen ebenfalls zu Abtastwerten 16C mit erhöhter Amplitude, doch ist die Erhöhung der Amplitude geringer als auf Registerplätzen 12 in den Kehren 14A; die erhöhten Abtastwerte 16C treten in zufälliger Lage entlang des Signalweges 14 auf.

Die in Fig. 3 dargestellte Signalverarbeitungsvorrichtung 20 enthält einen Abtaster 22, welchem über die Leitung 23 ein zeitlich begrenztes analoges Eingangssignal zugeführt wird, welches er abtastet und die Abtastwerte einem CCD-Schieberegister 24 zuführt. Sowohl der Abtaster 22 als auch das CCD-Schieberegister 24 werden durch eine Zeitsteuereinrichtung 26 gesteuert. Der Abtaster 22 ist lediglich der Übersichtlichkeit wegen getrennt vom CCD-Schieberegister 24 gezeichnet; gewöhnlich sind jedoch beide Komponenten in einen gemeinsamen Chip integriert, wie das auch beim Fairchild Typ 321A der Fall ist. Die Zeitsteuereinrichtung 26 enthält drei Zeitgeber 26A, 26B und 26C. Der Zeitgeber 26A steuert den Abtaster 22 und die Eingabe der Abtastwerte in das CCD-Schieberegister 24. Der Zeitgeber 26B steuert die während der Speicherzeitspanne erfolgende Verschiebung der den Abtastwerten entsprechenden Ladungsmengen durch einen Teil des CCD-Schieberegisters 24. Der Zeitgeber 26C steuert die Ausgabe der Abtastwerte aus dem CCD-Schiebe-register 24 auf die Ausgangsleitung 27. Die Zeitgeber 26A und 26C müssen nicht mit übereinstimmender Frequenz arbeiten; vorzugsweise arbeitet der Zeitgeber 26C schneller als der Zeitgeber 26A, und gewöhnlich arbeiten beide im MHz-Bereich. Der Zeitgeber 26B arbeitet langsamer als die beiden übrigen Zeitgeber 26A und 26C, gewöhnlich im kHz-Bereich.

Die Signalverarbeitungsvorrichtung 20 ist derart aufgebaut, dass die Länge des Eingangssignals bekannt ist; damit ist auch die vom Abtaster 22 erzeugte Anzahl der Abtastwerte bekannt, sie sei N. Das Register 24 besitzt M Registerplätze 12, wobei M grösser als N ist; es werde angenommen, dass

M = N + P

ist. Der Zeitgeber 26B ist so eingestellt, dass er die gespeicherten Abtastwerte während der Zeitspanne, in der sie im CCD-Schieberegister 24 gespeichert sind, um P Registerplätze verschiebt. Dies hat zur Folge, dass die Erhöhung der Amplitude von Abtastwerten auf gewissen Registerplätzen im Vergleich zu dem Fall fehlender Verschiebung durch den Zeitgeber 26B um den Faktor P niedriger ausfällt. Zugleich verteilt sich die reduzierte Erhöhung der Amplitude anstatt auf die beiden Abtastwerte 16A und 16B auf zwei Gruppen vo P Abtastwerten. Das Ausmass der Verzerrung im Ausgangssignal 30 (Fig. 4) ist also verringert, allerdings sind nun Gruppen von P Abtastwerten von der Verzerrung betroffen.

Fig. 5 ist die Blockdarstellung eines Infrarot-Bilderzeugers. Er enthält eine optische Abtasteinrichtung 32, welche die 5 Zeilen des Bildes einer Szene auf einen Detektor 34 abbildet, der aus einer Säule von n auf Infrarotstrahlung ansprechenden Detektorelementen besteht. Im dargestellten Beispiel ist die Zahl n = 8. Die n Detektorausgänge sind untereinander parallel mit der Eingangsseite einer Schalteinrich-10 tung 36 verbunden, welche eine Anzahl, z.B vier dieser Detektorausgänge mit ausgewählten CCD-Schieberegistern aus einer Gruppe von sechs CCD-Schieberegistern 38 verbindet, welche im Sampling-Verfahren arbeiten. Die Ausgänge der Schieberegister 38 sind mit der Eingangsseite einer 13 Video-Anzeigeeinrichtung 40 verbunden. Mit jedem der einzelnen Schieberegister 38A bis 38F ist eine Zeitsteuereinrichtung 42 in der anhand der Fig. 3 erläuterten Weise gekoppelt.

Die Anordnung arbeitet derart, dass die Schalteinrichtung 36 20 die erste Gruppe von vier Signalen aus dem Detektor 34 an die ersten vier CCD-Schieberegister 38A bis 38D weiterleitet. Die Speicherungsdauer des Signals im CCD-Schieberegister 38 A ist Null, wohingegen die Speicherungsdauer des Signals im CCD-Schieberegister 38B mit der Dauer T für einen Zei-25 lenhinlauf auf der Video-Anzeigeeinrichtung 40 übereinstimmt. Die Speicherungsdauer im Schieberegister 38C beträgt 2T und jene im Schieberegister 38D 3T. Die nächste Gruppe von vier Detektorsignalen wird von der Schalteinrichtung 36 auf die CCD-Schieberegister 38E, 38F, 38A und 30 38 B verteilt; die Schieberegister 38A und 38B können bereits wieder belegt werden, weil die Zeitverzögerung, mit der diese Signale vom Abtaster 32 und Detektor 34 übermittelt werden, so gross ist, dass die Schieberegister 38A und 38B die zuvor gespeicherten Abtastwerte bis dahin bereits an die Video-3S Anzeigeeinrichtung 40 abgegeben haben und daher leer sind. Die dritte Gruppe von vier Detektorausgangssignalen wird dann von der Schalteinrichtung 36 an die CCD-Schieberegister 38C bis 38F übermittelt usw. Sollte für einen gegebenen Anwendungsfall die Taktfrequenz beim Eingeben der 40 Abtastwerte in ein CCD-Schieberegister eine die Anwendung hindernde Grenze darstellten, so kann man im Multiplexver-fahren arbeiten. Das Schieberegistereingangssignal wird durch Multiplexen in mehrere, übereinstimmende, parallel geschaltete CCD-Schieberegister eingegeben und später 45 durch einen Demultiplexvorgang das nunmehr zeitverzögerte Signal wieder zusammengesetzt.

Durch Anwendung der Erfindung in einem Infrarot-Bilderzeuger gemäss Fig. 5 kann die Verzerrung des Bildes auf der Video-Anzeigeeinrichtung wegen der Verringerung der so Amplitudenerhöhung einzelner Abtastwerte um den Faktor P soweit begrenzt werden, dass sie vom menschlichen Auge nicht mehr wahrnehmbar ist. Zwar enthält das auf der Video-Anzeigeeinrichtung 40 dargebotene Bild - verglichen mit den vom Detektor 34 gelieferten Signalen - noch eine Verzerrung, ss doch kann das menschliche Auge diese nicht mehr erkennen, und einem Betrachter erscheint das Bild deshalb unverzerrt. Ohne Anwendung der Erfindung würde man die Verzerrung in dem von der Video-Anzeigeeinrichtung 40 dargebotenen Bild deutlich als Fleck oder Bereich erkennen, der eine im 60 Vergleich zu seiner Nachbarschaft merklich andere Farbhelligkeit (auf der einfarbigen Schwarz-Weiss-Skala) aufweist, und derartige zeilenweise Bildfehler können im gesamten zweidimensionalen Bild auftreten und sich zu zweidimensionalen Bildfehlern zusammensetzen, soweit ähnliche Bild-65 fehler in benachbarten Zeilen nebeneinander liegen.

B

1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. 653 796

   PATENTANSPRÜCHE

   1. Signalverarbeitungsvorrichtung mit einem ladungsver-schiebenden analogen Schieberegister (24), mit einer Zeitsteuereinrichtung (26) zur Steuerung der Eingabe von Abtastwerten eines zeitlich begrenzten Eingangssignals in das Schieberegister (24), zur Bestimmung der Speicherungsdauer des Signals im Schieberegister (24), und zur Steuerung der Ausgabe des Signals aus dem Schieberegister (24), dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Registerplätze (12) im Schieberegister (24) grösser als die Anzahl der Abtastwerte des Eingangssignals und dass die Zeitsteuereinrichtung (26) derart aufgebaut ist, dass sie während der Dauer der Speicherung die gespeicherten Abtastwerte wenigstens um einen Teil der Anzahl der in der Eingabeperiode nicht besetzten Registerplätze (12) verschiebt.
2. 2. Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitsteuereinrichtung (26) derart aufgebaut ist, dass sie die gespeicherten Abtastwerte während der Dauer der Speicherung mit einer Taktfrequenz verschiebt, welche wesentlich kleiner ist als die Taktfrequenzen beim Ein- und Ausgeben der Abtastwerte in bzw. aus dem Schieberegister (24).
3. 3. Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitsteuereinrichtung (26) drei getrennte Zeitgeber (26A, 26B, 26C) enthält, von denen der erste (26A) die Taktfrequenz bei der Eingabe der Abtastwerte in das Schieberegister (24) steuert, von denen der zweite (26B) die Taktfrequenz steuert, mit welcher die gespeicherten Abtastwerte während der Dauer ihrer Speicherung im Schieberegister (24) verschoben werden, und von denen der dritte (26C) die Taktfrequenz bei der Ausgabe der Abtastwerte aus dem Schieberegister (24) steuert.
4. 4. Infrarot-Bilderzeuger mit einer optischen Abtasteinrichtung (32), einem Strahlungsdetektor (34) und einer Signalverarbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungsvorrichtung zwischen dem Ausgang des Strahlungsdetektors (34) und dem Eingang einer Video-Anzeigevorrichtung (40) geschaltet ist.