Перспективная отечественная ЭКБ космических видеоинформационных систем

Умбиталиев Александр, Левко Геннадий, Цыцулин Александр, Пятков Вячеслав, Шипилов Николай, Ибатуллин Салих, Манцветов Андрей, Сомов Олег, Адамов Денис

Развитие космических видеоинформационных систем требует разработки и выпуска отечественной радиационно-стойкой ЭКБ [1, 3]. Это, во-первых, «глаза» телевизионного оборудования – фотоприёмники [2, 4]. Во-вторых, специализированные ИС, позволяющие быстро создавать надёжные телевизионные системы космического размещения. АО «НИИ телевидения» и ООО «Юник Ай Сиз» совместно реализовали и разрабатывают новые СБИС для космических видеосистем, о которых рассказано в статье.

77 0 0

печатать Статья в PDF (1 МБ)

КМОП-сенсор 1024 × 1024

Микросхема 1205XB014 – это КМОП- система на кристалле (СнК), состоящая из матрицы 1024 × 1024 высокочувствительных пикселей, цифроаналоговых схем управления накоплением и считыванием, развёртки, подавления шумов, а также схемы оцифровки видеосигнала в 12-разрядный код.

Для управления сенсором используется четырёхпроводный SPI-интерфейс. Кадровая частота достигает 100 кадр/с. Диапазон экспозиций при F_clk = 50 МГц составляет от 20 мкс до 330 мс. Видеосигнал выводится через четыре параллельных 12-разрядных порта.
Таблица 1. Основные параметры КМОП-сенсора 1205XB014

Основные параметры 1205XB014 приведены в таблице 1. Архитектура сенсора показана на рисунке 1, а внешний вид микросхемы – на рисунке 2.
Рис. 1. Архитектура КМОП-фотоприёмника 1205XB014 (О – формирователи опорных напряжений; Б – буферные усилители цифровых сигналов; Ц – ЦАПы; ФС – формирователь сетки АЦП; E – формирователь сигнала электрического ввода)
Рис. 2. Внешний вид КМОП-фотоприёмника 1205XB014

Кодер видеоинформации 5022ВХ014

Однокристальный радиационно-стойкий кодер 5022ВХ014 предназначен для кодирования телевизионных сигналов формата до 4K.

По сравнению с кодерами семейства MPEG, он имеет большую эффективность кодирования при существенно меньшей вычислительной сложности [5, 6]. СБИС 5022ВХ014 использует адаптивное трёхмерное дискретное косинусное преобразование (ДКП-3D), которое позволяет на несколько порядков сократить сложность реализации кодера по сравнению с кодером MPEG-4.

Разработанная АО «НИИ телевидения» технология видеокодирования получила условное обозначение EVC (Efficient Video Coding). Состав, основные атрибуты и порядок инкапсуляции элементарного видеопотока, формируемого EVC-кодером в транспортный поток MPEG-TS, регламентированы ГОСТ Р 54998–2012.

Микросхема 5022ВХ014 представляет собой однокристальное ядро EVC-кодера. Она выполнена по КМОП-технологии 0,18 мкм и содержит около 6 млн транзисторов. Фото ИМС приведено на рисунке 3.
Рис. 3. Внешний вид однокристального радиационно-стойкого кодера 5022ВХ014

Перспективные разработки

В настоящее время АО «НИИ телевидения» и ООО «Юник Ай Сиз» разрабатывают следующие радиационно-стойкие СБИС:

матричный КМОП-фотоприёмник высокого разрешения (2048 × 2048) для перспективных телевизионных комплексов бортового и наземного базирования (см. табл. 2);
унифицированный контроллер бортовых телевизионных камер;
многофункциональный однокристальный цифровой модем.

Основные характеристики разрабатываемого КМОП-фотоприёмника приведены в таблице 2.
Таблица 2. Основные характеристики разрабатываемого КМОП-фотоприёмника

Матрица разрабатывается в двух конструктивных вариантах:

1) стандартном (выводы на четыре стороны);
2) для формирования КМОП-мозаик из четырёх матриц (выводы на две стороны).

Унифицированный контроллер будет выполнять следующие функции:

управление инициализацией и сменой режимов работы используемых КМОП-фотоприёмников;
приём параллельных потоков видеоданных от КМОП-фотоприёмников;
устранение мультипликативной составляющей геометрического шума по строке;
коррекцию неравномерности характеристик выходных узлов КМОП-фотоприёмников;
автоматическое управление временем накопления и аналоговым усилением;
гамма-коррекцию;
обмен данными с внешней оперативной памятью SDRAM;
программирование реализуемых функций, режимов и изменяемых параметров путём загрузки служебных данных в управляющие регистры контроллера по интерфейсу SPI.

Модем обеспечивает передачу и приём данных с применением квадратурной модуляции/демодуляции QPSK и модуляции/демодуляции OFDM. В состав модема входят следующие функциональные блоки:

модулятор QPSK;
демодулятор QPSK;
модулятор OFDM;
демодулятор OFDM;
интерфейсный блок I²C.

Существующее решение предполагает работу с разрешением до 1 млн пикселов, хотя возможности микросхемы кодера видеопотока уже сейчас позволяют осуществлять сжатие сигналов от фотоприёмников формата 4 млн пикселов.

Выпуск нового набора радиационно-стойких СБИС позволит быстро создавать надёжные телевизионные системы космического базирования различной архитектуры и назначения (ДЗЗ – системы дистанционного зондирования Земли, метеорология, обнаружение опасных космических объектов и т.д.). Предлагаемый набор микросхем нацелен на создание адаптивных видеосистем, в которых динамически перестраиваются чёткость, кадровая частота и число фрагментов кодирования ДКП, что позволяет выравнивать ошибки передачи изображения нестационарных сюжетов по всем аргументам (пространство и время).

Литература

Люхин А.В., Умбиталиев А.А. Обеспечение полного жизненного цикла вооружений и боевой техники предприятиями ОПК: проблемы и решения. Вопросы радиоэлектроники. Серия Техника телевидения. 2013. Вып. 2. С. 15.
Бакланов А.И. Фотоприёмники ПЗС космических систем наблюдения высокого разрешения. Вопросы радиоэлектроники. Серия «Техника телевидения». 2012. Вып. 2. С. 3–19.
Умбиталиев А.А., Цыцулин А.К., Левко Г.В. Перспективные системы ДЗЗ. Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования земли. Тезисы конференции «ДЗЗ-2013». Геленджик. 2013.
Левко Г.В. Крупноформатные ПЗС и ПЗС мозаики (обзор). Вопросы радиоэлектроники. Серия «Техника телевидения». 2013. Вып. 1. С. 34–48.
Умбиталиев А.А., Шипилов Н.Н., Ибатуллин С.М. и др. Способ кодирования и декодирования видеоинформации на основе трёхмерного дискретного косинусного преобразования. Патент РФ №2375838. Опубл. 10.12.2009. БИ №34.
Umbitaliev A.A., Shipilov N.N., Ibatullin S.M. at al. A Versatile Real Time Video Codec Based on Three-Dimensional Discrete Cosine Transform. IBC 2008. RAI International Congress and Exhibition Centre Amsterdam. The Netherlands. Conference 11–15 September 2008. PP. 386–391.