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亿像素相机的前世与今生

前不久,小米在北京宣布旗下Redmi品牌将联合三星发布全球首款量产6400万超清相机手机,还将带来全球首款1亿像素手机相机。手机相机技术进步的如此之快,十多年时间从一个可有可无的鸡肋功能发展成手机性能PK的关键功能,从华为P30 Pro 4000万像素,50倍变焦、索尼接连发布4800万手机相机CMOS模组,到三星6400万像素CMOS模组开始量产……世界迅速进入亿像素手机随身时代。

亿像素相机的前世

在手机相机还是个鸡肋的时代,亿像素相机还仅仅是高端科研项目的专享。例如波尔航天的高分辨率成像科学实验(HiRISE)照相机于2005年8月经由火星勘测轨道飞行器发射升空,并在2006年达到火星,是迄今送离地球轨道的最大、分辨率最高的相机。该相机在随后的十多年时间内依然发挥着关键作用,HiRise相机的图像让科学家们得以以极高的分辨率查看火星表面,研究火星地表形态,包括为好奇号寻找着陆地。

 

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HiRISE能够以约8亿像素的分辨率捕捉近4 x 7英里的狭长区域内的火星表面图像,使科学家能以一种前所未有的视角了解火星的地质地形和气候过程,同时识别如咖啡桌一般小的物体和表面地貌。凭借超强成像能力,HiRISE拍摄的火星表面的图像分辨率为之前所用相机的五倍,达到20,000 × 40,000像素,需要1000台普通计算机的屏幕才能以全分辨率显示一张HiRISE图像。

传奇亿像素相机背后的关键秘密

在HiRISE图像处理和存储器模块内,共有28个高性能14位ADI AD6645 模数转换器用于一个由14个电荷耦合器件(CCD)组成的阵列,这一阵列用来捕捉火星表面反射回来的入射光。这些CCD将检测到的光转换成电压,随后电压送至AD6645高速转换成数字数据。这一数据经由深空网络从航天器传回地球。在深空网络中,数据受到辐射校准,编排成由14个独立CCD图像条组成的马赛克图像,校正后即可表示航天器与火星的距离和定位,最终以几何学方法映射至行星坐标。最终产生的图像就是迄今从轨道发回的最详细的火星图像。

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AD6645支持高达105 MSPS(每秒百万采样)的采样频率并提供出色的噪声性能(第一奈奎斯特频带内信噪比为74.5 dB),满足了波尔航天严苛的性能和信噪比要求。此外,波尔航天的严格温度和振动测试表明AD6645非常适合于航天器发射时引起的极端环境条件。HiRISE照相机采用高性能、超高可靠性的ADI数据转换器作为核心部件,在过去的4个地球年中,HiRISE产生了17,000多张高分辨率火星表面图像——这是原先预计的HiRISE工作寿命的两倍时间。

AD6645是一款高速、高性能、14位单芯片模数转换器。芯片上集成了全部必需功能,包括采样保持器(T/H)和基准电压源,可提供完整的信号转换解决方案。该器件提供CMOS兼容型数字输出。它是宽带ADC系列继AD9042 (12位, 41 MSPS)、 AD6640 (12位, 65 MSPS, 中频采样)和AD6644(14位、40 MSPS/65 MSPS)之后的第四代产品。

AD6645是ADI公司SoftCell®收发器芯片组的一部分,专为多通道、多模式接收机而设计。它在第二奈奎斯特频带内保持100 dB的多音无杂散动态范围(SFDR),这一性能突破可减轻多模式数字接收机(软件无线电)的负担,使之不再受制于ADC。噪声性能非常出色,第一奈奎斯特频带内的信噪比典型值为74.5 dB。AD6645采用ADI公司的超快速互补双极性(XFCB)工艺制造,并使用创新的多通电路架构。

总结:

在当前手机等便携产品中广泛应用的高像素相机功能已经实现了低成本的模块化设计,即使中低阶的手机已经能提供超千万像素的照相功能。然而这种科研用超高性能相机的设计是一个超级复杂的系统设计工程,对所选择的ADC的性能特性要求特别严格,除了采样率、线性度、噪声性能都是极其苛刻。其电路系统设计也非常具有挑战性,例如本文的AD6645就必须使用上升时间小于45 ms的线性直流电源,为实现最佳性能,强烈建议在模拟电源层和数字电源层之间使用公共地。

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