数码相机A/D转换器的工作原理

    CCD图像传感器输出的图像信号是模拟信号，要进行数字处理和数据压缩，就必须先经A/D变换器变成数字信号。数码相机的A/D转换器主要作用就是将预放电路输出的图像信号分别进行A/D变换，即将模拟电信号转换成为数字电信号，并送到数字信号处理电路中进行进一步处理。    A/D转换器有两个重要性能指标：取样频率和量化精度（简称量化数）。取样频率就是A/D转换器在转换过程中每秒的取样次数；量化精度则是指每次取样可以达到的离散电平等级，即所能达到的精度。一般中档数字相机的量化精度为16位或24位，高档相机则多达36位。编码的位数越长，数据的失真越小，所还原再现的图像质量就越好。当然，随之产生的数据量也会增大。    为了克服模拟信号的缺点，需要将模拟信号转换成数字信号，并以数字形式进行处理、传输或存储等。数字信号的特点是，代表信息的物理量以一系列数据组的形式来表示，它在时间轴上是不连续的。以一定的时间间隔对模拟信号取样，再将样值用数字组来表示。可见数字信号在时间轴上是离散的，表示幅度值的数字量也是离散的，因为，幅度值是由有限个状态数来表示的。A/D变换器变换过程示意图如图10-22所示。
    图10-22    A/D变换器变换过程示意图    图10-23所示为一个模拟信号变换为用四位二进制数表示的一组组取样脉冲的数字化过程。显然，取样点越多，量化层越细，就越能逼真地表示模拟信号。从原理上讲，一个信号的数字化必须遵循取样定理，这就要求取样频率必须大于所要处理信号中最高频率的2倍，才能将数字信号还原为不失真的模拟信号；否则有部分信号将不能恢复，并会产生频谱混叠现象。
    图10-23    模拟信号变换为取样脉冲的数字化过程    通过取样，模拟信号先变成一串离散的脉冲信号，然后，再进行量化。量化数意味着对一个最大幅值为固定值信号的分层数，若分层数较少，就会有较大的量化噪声。在数字产品中，由于量化数是用二进制数，也就是0和1的脉冲表示的。而用二进制数所能代表的实际量化电平的多少，是由二进制的bit（位）数来决定的，并等于2的幂。例如，8位二进制数所能表示的量化电平为28=256。量化数实际上是A/D变换时的分辨率。    编码就是将量化后的数字信号以一定的规则编制成一组一组的数字信号，以便进行存储、传输和处理。    数字信号只有两种状态，即0或1，这样单个信号本身的可靠性大为改善，而多个信号的组合数又几乎不受限制。如此依靠彼此离散的多位二进制信号的组合，就可以表示复杂的信息，它又有脉冲型数字信号和电平型数字信号两种形式。    脉冲型数字信号是一种随时间分布的不连续的呈脉动形状的信号，可以用脉冲的有无区分为0或1，如果有脉冲为1，无脉冲则为0。这种信号用电路处理比较容易。    电平型数字信号是一种维持时间相对较长的信号，一般定义高电平表示1，低电平表示0。对同一系统而言，电压持续时间较长的为电平信号，而维持时间较短的属于脉冲信号。不论多复杂的模拟信号都可以由一组一组简单的脉冲信号来表示。    数字脉冲信号具有较强的抗干扰能力，即使信号受到一定程度的干扰，只要我们可以区分出信号电平的高低或是脉冲信号的有无，就能正确地识别所表示的数字1或数字0。甚至较大的噪声和干扰也不会有任何影响。这是因为数字脉冲只有0和1这两个值，振幅性的干扰可以通过限幅加以消除。    数字信号的另一个优点是经过处理、变换或传输后，干扰杂波不会积累。处理数字信号的电路具有一致性好、互换性强、稳定性高的特点，便于大规模集成化的产生。数字信号的波形简单，物理上容易实现，因而它也便于存储、延迟和变换。例如，通过改变存储器的读出顺序，就能实现在空间坐标轴上对数字信号实现各种空间变换。    模拟信号数字化中的主要问题，首先是数字信号的数码率（即单位时间处理的比特数）高，占用频带宽，在很多情况下需要进行压缩处理，否则很难进行存储和传输；其次是数字信号在记录、播放、存储或传输等处理过程中会产生数据信号的丢失或错误，必须利用一些方法来进行检错和纠错，从而消除信号失落和误码的影响。