射頻工程師的小房間: 遮罩室Shielding Room, 射頻接地你接對了嗎？

        身為一個射頻工程師的對於自己生活的地盤”射頻實驗室 RF LAB”裡面的設備應該都是非常熟悉，例如萬用點表[1] 、網路分析儀、頻譜分析儀[2]、綜合測試儀等等，而大部分的實驗都會在遮罩室Shielding Room或用隔離箱Shielding Box進行，因為現在空氣中可以說射頻訊號無所不在，基地台與手機的互相溝通的訊號，路由器WiFi設備，穿戴裝置，還有隔壁茶水間微波爐也在發射微波訊號[3]，別人的訊號就是自己的雜訊，任何實驗最重要的是要確定實驗資料有重複性Reproducibility，不能測到競品有desense問題很高興跟市場部提了這件事情，但後來卻發現發現原來是有人在茶水間用微波爐加熱食物微波訊號洩漏出來的干擾。

 

遮罩房Shielding Room/遮罩箱Shielding Box

        遮罩房Shielding Room或遮罩箱Shielding Box是一個密閉導體的空間，電磁波因為金屬牆導致訊號無法傳送到外面，相同外面的訊號也無法傳送到裡面，避免訊號的干擾。但實驗過程需要把控制訊號與電源接到代測物(DUT)，所以部分遮罩面需要開一些槽讓這些電源或訊號線連結到遮罩箱內部，但開孔隔離度電磁波不會從這些開孔洩漏出去嗎？

 

        下面舉一個實驗室較常看到的遮罩箱的錯誤用法，有個新進菜鳥射頻工程師小帥被指配測試驗證接收機靈敏度(Receiver Sensitivity)，公司前輩有特別強調必須在沒有沒有干擾訊號的環境下進行，所以實驗一定要在遮罩房或遮罩箱裡面進行，這時候小帥因為遮罩箱都被其它資深員工佔用，但主管指定的時間又快到了，突然看到角落放著一個遮罩箱沒人用，但看起來好像少了個配件側面有個口開，但小帥以他的專業知識，知道為了避免干擾還特別拿了很多銅箔把這個開孔封的扎扎實實。

 

        老前輩路過看到小帥的實驗環境，跟小帥說你這樣不行，前輩用他的Apple Watch 與iPhone測試給小帥看看這個實驗環境為什麼不行，前輩把iPhone放入隔離箱內裡面然後關起來。

 

 

        這時候檢查 Apple Watch還是與iPhone連線狀態，並沒有斷線而且整個連線還挺順的，雖然不能量化實際連線的訊號品質，但可以確定射頻訊號(Bluetooth 2.4GHz)還是可以順暢的通過這個遮罩箱。

 

訊號洩漏與接地Shielding Room Leaky and Grounding

        到底發生什麼問題呢? 不是已經用銅箔把洞都包起來了，怎麼收訊還這麼好，原因其實跟進長隧道還能聽到調頻廣波FM與行動電話還能撥通很類似，大部分的長隧道會有所謂的漏波電纜Leaky Coaxial Cable [4][5]，會故意在電纜的接地面Ground Shield上挖特定的孔洞讓電磁波洩漏出來，小帥用銅箔密封的方式，在某些結構上也類似漏波電纜的結構。

        前輩把射頻訊號線RF Cable抽出來再測試一次，這時候還有一個約1cm左右的孔徑並沒有特別在用銅箔封好，此時手機放在遮罩箱的任何位置也無法建立連線，小帥內心覺得困惑，這樣有個洞怎麼電磁波不會從這個洞口洩漏出來嗎? 

 

 

        把剛剛的結構放大觀察，可以看到因為射頻同軸訊號線RF cable最外面是一層絕緣層，所以無論銅箔封的多緊，射頻同軸訊號的接地金屬殼(ground shield)沒有與遮罩箱的金屬外殼接在一起，這就會變成類似漏波電纜開槽的天線結構， 會把射頻訊號從遮罩箱輻射到外面反之也會把外面干擾傳遞到遮罩箱內。

   

        所以正確的做法是類似以下的，要把射頻同軸線的絕緣層剝除與遮罩箱的金屬接在一起，這時候訊號會被限制在同軸線內部傳遞，訊號路徑確認後就可以在路徑上在透過串接適當的濾波器來避免不要得訊號干擾待測物。

 

        所以專業的遮罩箱都會設計不同IO介面對應的濾波器模組，所以下次不要在想隨便拿廠商送的餅乾鐵盒自己DIY了，餅乾吃一吃鐵盒拿來裝樣品就可以了，不要以為是鐵盒就可以當遮罩箱。

 

 

量測射頻銅管接地位置影響RF Coaxial Cable Grounding Effectiveness 

        類似的問題也會出現在一些除錯的過程，例如項目在進行的時候才會出現一些不如預期的狀況，身為一個射頻工程師會拿著銅管RF Coaxial Cable分段量測訊號品質(EVM, ACLR etc)，頻譜雜散(Spruisou Emission)與穩定性(Stability)[6]與帶內與帶外阻抗，但在除錯的過程上經驗稍微不足的工程師小帥會忽略了射頻接地(RF Grounding)的影響，並不是萬用電錶電筆會嗶嗶叫就是接地有接好。

 

        雖然射頻銅管RF Coaxial Cable外圈都是金屬接地面ground shielding，如果訊號是幾十MHz的可能還好，但通訊用的射頻頻率從Band 8 900MHz到高頻Band 41 2600MHz甚至更高的n77/n79或WiFi 5G頻段都到了5GHz，頻率越高寄生(parasitic)的電容於電感影響就會更顯著，例如電感的等校阻抗為：

Zind = j2π*(frequency)*(inductance)

頻率低的時候Zind幾乎等於零接近短路，但頻率高的時候Zind就會變的非常有感覺，銅管接地位置可以用等校LC電路來描述，例如下圖如果接地參考點與待測物DUT參考點有段距離，物理模型上就會多出一段寄生電感(parasitic inductor)，這個會導致量測的狀況與實際工作狀況不一致，所以務必要清楚自己處理的狀況的頻率與接地影響避免影響整個問題分析結果。

 

隔離室的窗戶開孔Shielding Room Opening

       剛剛有提到漏波電纜與開孔的問題，有些遮罩間如下圖是會設計有類似下面蜂巢的窗戶，這個除了可以保持空氣流通外，如果有人加班在隔離室做實驗，整個密閉久了其實有點恐怖，尤其如果晚上遇到隔離室的門把壞掉，有個窗戶還可以抒解緊張情緒要大聲求救也才有機會有人聽到。

 

        剛剛不是討論到漏波電纜是在接地面上適當的開孔，讓電磁波可以洩漏出去，那遮罩間弄了這個窗戶電磁波不會洩漏出去嗎？電磁波是否會洩漏出去隔離度與窗戶的開孔大小與深度有關，這個開孔越小(gap)與越深(depth)對電磁波隔離度就越好，其實遮罩間設計也是挺有學問的有興趣的朋友可以參考[7]，當然整個封起來是最沒有爭議的了，但如果裡面儀器運行還是需由空調管道調整遮罩房內部空氣與溫度，所以無論如何是一定需要開孔的。  

實際工作上遮罩房會一直有人進進出出，所以大部分公司會在隔離房裡面在放弄個隔離房或隔離箱，第一層遮罩空間同常就會進行一些初步的，例如在解desense找到一個神奇的銅箔貼法，解決了被干擾頻道先不要太開心，除了要完整頻段與頻道靈敏度外，也要檢查全部射頻指標，避免解決了問題A卻引起問題B，但以為問題解了就定版送認證結果測了幾個禮拜才發現問題那就GG思密達了，因為完整測試會花上不少時間，為了測試過程又引進不必要得雜訊，所以在把物件放到第二層隔離房或隔離間裡面，透過電腦測試程式確定整個環境遮罩後才開始測試驗證收集資料。

參考文獻

[1] 既熟悉又陌生的數位萬用電錶Multimeter, 從萬用表規格1999顯示、3又5/6位元數認識A/D類比數位轉換bits關係，複習一下OP積分器與積分型ADC工作原理 - MacGyFu的文章 - 知乎

https://zhuanlan.zhihu.com/p/644406686

[2] 頻譜分析儀(Spectrum Analyzer)時域量測(Time Domain)/零頻寬Zero Span是在量什麼? 跟示波器量的東西一樣嗎? - MacGyFu的文章 - 知乎

https://zhuanlan.zhihu.com/p/659742377

[3] 射頻微波爐RF Solid State Microwave Oven與傳統磁控管(Magnetron)微波爐 - MacGyFu的文章 - 知乎

https://zhuanlan.zhihu.com/p/16530703637

[4] Jinxi Guo, Yang Liu, Xiucao Han, D. Li, “Research on attenuation model of the communication leaky coaxial cable”, Research on attenuation model of the communication leaky coaxial cable

[5] Long-Distance and Low-Radiation Waveguide Antennas for Wireless Communication Systems inside Tunnels

https://www.intechopen.com/chapters/72088

[6] 功率放大器穩度性測試方法PA Stability Testing Method - MacGyFu的文章 - 知乎

https://zhuanlan.zhihu.com/p/890380749

[7] Design Techniques for EMC – Part 4 Shielding

https://www.nutwooduk.co.uk/archive/keitharmstrong/design_techniques4.html

 

RF Power Amplifier 動態負載Dynamic Load Line 與Load Pull 等功率圓 Power Contours

        談到射頻功率放大器(RF Power Amplifier)大概都會講到這本書PA聖經[1]Steve C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications.，或從這本書中延伸出來的內容，但有時候在閱讀的時候作者本身懂太多，有時候會突然說因為A然後B最後得到.....Z!!!! 中間的C, D, E都不見了，有時候讀覺得應該是這樣，一陣子後就會覺得怎麼會這樣，一直循環下去，想說趁覺得應該是這樣的時候把一些點寫下來。

        射頻功率放大器都會講到負載線理論(Load-line Theory)與Load-Pull等輸出功率圓(Power Contours)，會解釋上大多會用Pure Resistance Load純實部負載當作例子，如下圖讀過的都不陌生一個直線的負載線Rload，但在看其他的文獻的時候常常會出現動態負載(Dynamic Load Line)這種非直線的橢圓形負載線(elliptical IV trajectory)[2][3][4][5]，每次看都會覺得恩恩就這樣啊但真的往下想就很容易卡住。

Complex Load 電流與電壓的關係     

        要解釋為什麼Dynamic Load會是橢圓形或到底是順時針轉(Clockwise) 還是逆時針轉(Counterclockwise)就要先複習一下電容與電感電流與電壓的關係，詳細的內容當然要回去翻翻電路學的課本或參考EE狂想曲的網誌[5]。

        一個由電阻R、電感L與電容C組成的複數阻抗Complex Impedance都可以寫成表示成以下的式子Z=R+jX， X可以是任意實數，但如果是計算上習慣會用Z=A∠θ表示，所以如果實部阻抗R串聯電感(Series Inductor) jX為正數輸入阻抗會呈現電感性Inductive Load Impedance θ為正，如果是串聯電容(series capacitor)jX會為負數，這時候整體阻抗會呈現電容性Capacitive Load Impedance  θ為負數。

        這時候就可解出電壓，電流與阻抗的三角關係V=Z*I or I=V/Z，但因為是複數阻抗，所以當jX為零的時候也就是一個純實部阻抗(Pure Resistance)，電壓與電流會同相沒有相位差，也就是θ=0。

Inductive and Capacitive Load Impedance IV Curve

        如果是電感性負載jX X>0的條件，因為Z=A∠θ 為正，所以I = V/A∠-θ 所以一般會聽到電流I比電壓慢θ，如果是極端狀況純電感性負載Inductive load impedance也就是R=0的條件，θ = -90 deg, 也就是電流比電壓慢90度 current lags voltage by -90，下圖是一個實際模擬例子，負載為一個實部阻抗R = 1 並聯一個160nH, 訊號源為1kV的正弦波訊號，所以等校上jX = j1. 這時候可以看到IV curve，電流的峰值peak會lag 45deg。

        電容性負載Capacitive Load Impedance則與上面相反，如果是一個正弦波訊號電流的peak會比電壓的Peak提前θ發生(current leads voltage by θ) ，如下圖例子串聯160uF電容，在1kHz會等於Z= 1-j1。

Dynamic Load Line Trajectory

        複習完Complex Load IV Waveform，我們就可以來觀察Dynamic Load Line為什麼從一條線變胖變圓成一個橢圓軌跡，先來定義一下什麼是Dynamic Load Line 動態負載線，從[4]的說明檔"The dynamic load line measurement is used to plot the dynamic I-V trajectory on a rectangular graph."。講白一點就是把Time Domain I and V Waveform 轉換到 IV Curve (IV Constellation)，有點類似EVM IQ constellation一樣。

        所以一個純實部(Pure Resistance)的動態負載線會沿著R直線移動，而且相同電壓會對應到相同的電流，也就是下圖point 2, 4是相同電壓點，對應到的電流也會相同。

             

        我們以剛剛的電感負載Inductive load impedance 為例子，在Time Domain IV curve上面標出1, 2, 3.....9個點的相對位置，這時候可以發現V1 = V5, V2=V4, V6=V8這幾個點電壓相同但是電流卻不相同，依序把每一點標示在IV Constellation劃出軌跡，這時候我們會得出一個順時針橢圓形的動態負載曲線Clockwise Elliptical Dynamic Load Line，當然如果負載本身是電容性負載Capacitive Load Impedance就會得到逆時針動態負載線。

        以上是A類放大器的例子，一些更進階高效率的放大器例如Class F IV Curve or Inverse Class F會長的更奇怪一些，有興趣可以延伸閱讀Qorvo的這一篇文章[6]，另外Class F真的很特別，下次再來複習吧。

Smith Chart 簡單概念

        在提到Load-Pull Power Contours前，為了避免有路過的朋友不知道什麼是Smith Chart所以先簡單提一下，Smith Chart是個座標工具，剛剛有提到任意阻抗都是由一個實部與虛部組成Z=R+jX，所以我們可以用一個二維的笛卡兒(Descartes)座標軸上劃出任意阻抗，但射頻功率很常要處理阻抗匹配，比方說電感inductor 在低頻的時候X會為趨近0, 但高頻的時候會趨近無窮大∞，所以我們用一般的笛卡兒坐標系不容易描繪，Smith Chart透過阻抗轉換讓0到無窮大∞壓縮到一個圓形坐標系，每個圓是個等實部圓，所以在同一個等實部圓上面移動Z=R+jX的R是固定不變的。

Load Line Theory Boundary Condition 

        負載線理論當中很重要的一個假設是電壓V與電流I有其上下限Vmax, Vmin, Imax and Imin，在這個負載上面無論的電壓與電流都會限制在這個邊界裡面，所以我們假設下面一個例子，Vmax=4V, Imax=10A, Vmin與Imin都為0，這時候我們可以計算出最佳的Ropt=0.4Ω，此時的功率輸出為P=IxV=4x10A=40W。

R < Ropt

        如果負載除已一個係數𝛼=2, 這時候負載會變小成為0.2Ω，因為不能超過Vmax or Imax, 所以當負載比最佳負載Ropt來的小的時候Rlo < Ropt電流會先到達Imax, 這時候我們可以算到電壓大小為V=IxR =10x0.2=2V, 會比原本4V來的小，所以功率輸出只剩下20W。

        如果這時候在串聯虛部阻抗jX，此時輸入端的的阻抗會變成Z=R+jX=A∠θ，所以最後的A>=R，也就是輸出端點的電壓振幅會等於Vmag=I x A, 電壓Vmag會一直增加一直增加直到....頂到Load Line的邊界為止也就是Vmax，所以我們可以得到一個邊界條件Xmax如下。

        此時的最大功率電流的變界會先到達Imax，所以最後網路要滿足KCL定律，流過實部阻抗R的電流也是Imax，所以最後整個網路消耗的功率會與實部阻抗R的乘積，所以在R±Xmax的軌跡內，最大功率輸出都是20W, 注意這裡是Psat並非Gain。

        那jX一直增加超過Xmax的時候會怎樣? 這時候Imax就無法再維持住，因為Voltage Swing  V振幅在電流還沒增加到Imax之前，Vmag = I x A就會先頂到Vmax，所以這時候功率會開始變小 < 20W，無法再維持20W的輸出功率。

R > Ropt

        這時候如果負載變成原本的兩倍 Rhi = 𝛼 x Ropt = 0.8Ω，這時候結果就會與R < Ropt的結果相反，這時候電壓會先頂到Vmax的邊界，所以這時電流Imag= Vmax x G, 所以計算過後功率大小也會剩下20W, 這個結果與Rlo的結果一樣，所以當Ropt有了，決定一個係數𝛼，可以得到兩端點的功率分別都會下降𝛼倍。

        Smith Chart在剛剛提到有等實數阻抗圓外，另外一個阻抗的標示法是導納Z vs Y，這兩個其實就是一個互為導數的關係，但在處理並聯的情況下會比較容易，用法就如同等阻抗圓一樣，當並聯一個電納jB會沿著等導納圓移動，另外jB的正負號會跟jX軸相反。

        這時候我們可以用一樣的方法計算出Bmax，當B增加等校的Y = G+ jB =A∠θ A振幅會增加，也就是流入網路的電流會增加，但最後一樣會等到Load Line的邊界條件Imax與Imin, 所以我們可以計算出Bmax的邊界。

        所以在Y=Ghi+jB這個軌跡上面，jB往上走到-jBmax往下走到+jBmax這個區間內，電壓的振幅Vmag會先頂到邊界，所以在這區間實際消耗在實部G的功率都會等於20W.

Closed Curve?

        剛剛計算兩個等功率點的曲線Ropt 𝛼與1/𝛼 會分別壓到負載線的電壓與電流的邊界，但計算到最後這兩個點是否會相等?

        Z與Y是互為導數的關係，把剛剛計算的結果算出來可以知道最後Rlo+jXmax與Ghi+jBmax邊界會是同一點，最後形成一個封閉的曲線，也就是在這個曲線上面，功率輸出都是相同的。

        今天Power Amplifier Load-Line Theory就到複習到這裡了，這次複習其實還聯想到Load-Pull的頻率響應影響，因為以上的討論與計算都是用Z=R+jX虛部阻抗，但實物上如果是一個LC的匹配網路，以電感為例jwL本身 Z(w)會有頻率響應，在現在通訊頻寬動不動就20MHz, 甚至到100MHz，這會有另外一個小問題就是頻寬頭尾的阻抗可能會差異很大，另外還有延伸Class F Power Amplifier Harmonics Impedance Waveform Shaping與效率的問題。     

Reference 參考文獻

[1] Steve C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications.

[2] Andrei Grebennikov， Nathan O. Sokal， Marc J Franco, Switchmode RF and Microwave Power Amplifiers. Page 17.

[3]  Fadhel M. Ghannouchi， Mohammad S. Hashmi, Load-Pull Techniques with Applications to Power Amplifier Design, Page 4.

[4] NI Microwave Office Guideline, I-V Dynamic Load Line: IVDLL,

[5] EE狂想曲, 電容和電感的電壓電流關係

[6] Dr. Larry Dunleavy,  Qorvo, Model-Based GaN PA Design Basics: The What and Why of Intrinsic I-V Waveforms

開箱 Apple Watch Series 5 vs 小米 AMAZFIT 米動手錶

Apple Watch Series 5 一個自己不會花錢買的手錶

        今年的生日禮物收到了Apple Watch Series 5 GPS，自己原本是配戴小米AMAZFIT手錶也一年多，這次Apple Watch Series 5用了一個月左右剛好來比較一下使用心得，因為收到的是沒有行動網路的版本，所以就我個人平常使用習慣，這兩個產品很接近又很不一樣。畢竟小米手錶一個1995NTD, Apple Watch 5 14400 NTD 價格差了7倍，但小米手錶待機可以一個月，Apple Watch只有一天 待機相差30倍。

小米AMAZFIT

        在還沒換Apple Watch之前小米手錶在我平常生活當中最常用的功能是

看時間

        既然叫做手錶看時間當然是最基本的需求，而且一次充電可以用上一個月以上的時間當個手錶算很稱職的產品。

來電提醒與訊息提醒

        因為工作的關係，我習慣都會把手機切成靜音包含關閉震動，但這時候有電話來的時候常常會沒注意到，這時候手錶的震動既不會影響到別人也可以提醒有訊息與電話進來。

GPS 運動與心律監控

       小米手錶跟手環最大的差別就是多了一個GPS晶片，配合小米運動的APP是個紀錄追蹤自己運動的狀態的不錯工具，但平常跑步的時候其實都會帶著手機，所以說時候GPS這功能是有點雞肋，我想不到只會帶著手錶出門跑步的狀態。

Apple Watch Series 5 GPS

         其實當初推出的時候，光是每天要充電這一點就讓我覺得一個手錶每天要充電就覺得哪有這麼麻煩的東西，但使用一個月後其實覺得這不是什麼問題，因為雖然叫做Apple Watch，但他更像iPhone的延伸配件，因為你用iPhone就根本不需要考慮它，而且iPhone每天都要充電了，現在Apple Watch不會像iPhone可能還需要帶個行動電源，它可以確定用上一整天的時間到回家睡覺前充電沒問題。

螢幕顯示效果 Apple Watch vs 小米AMAZFIT 

        這比較實在有點不公平，因為兩者的技術是完全不一樣的，小米AMAZFIT用上的是反射式螢幕，在戶外基本上就跟電子紙一樣，愈亮愈清楚，Apple Watch Series  5這一代強調了Always On，也就是說螢幕不會完全熄滅，這在辦公室燈光下用餘光瞄一下時間還蠻好用的，但對比一下在戶外顯示效果就完全比不過小米AMAZFIT這種反射式的螢幕。

        但其他的訊息效果與顏色當然是Apple Watch好很多，畢竟價格與待機差這麼多。

Apple Pay & Music

        現在人手機不離身，所以Apple Watch現在有行動網路版本，但沒有行動網路版本Apple Watch在沒有iPhone的情況下好用嗎? Apple Watch沒有行動上網版本可以當作一個32G的MP3撥放器，透過藍芽可以跟藍芽耳機連結，所以出門運動如果不想要帶手機又怕無聊這時候就可以先選擇一張專輯同步到Apple Watch然後輕裝出門運動。
        回來的時候經過便利商店用Apple Pay買罐飲料，這一點也多虧現在很多便利商店都可以使用Apple Pay/信用卡的情況下，的確變得實用。

遙控器

        另外一個功能就是與iPhone自拍功能，算是出門旅遊的一個實用的功能。

結論

        用了一個月如果你問我Apple Watch 5 值不值得買? 這點實在很難說，如果你是iPhone的使用者，它的確是個不錯的配件，設計質感與實用性，但唯一的缺點就是價格吧! 如果沒有用過手錶這類型的產品小米AMAZFIT 米動手動我蠻推薦的，因為目前這手錶最大的功能就是看時間與閱讀訊息，但如果你預算多一點又是iPhone的使用者，就別選中間價位的產品了。

TWS + ANC : 延遲的影響與降躁效果 隔空看Huawei Freebud 3

新的挑戰者Huawei Freebud3

        最近看到Huawei Freebud3 在市場上開始販售的使用心得，藍芽耳機現在主要強打低延遲與降躁兩大點。低延遲這個其實Apple,  AIROHA或晶片龍頭Qualcomm TWS+都有不同作法，基本上要往前兼容的作法我個人覺得Apple Snoop或AIROHA MCSync是目前做好的作法，沒有相容性問題，延遲的效能也不錯，Huawei文宣上寫著"全新雙通道無線傳輸"聽名字是不知道細節，但光是要搭配Huawei自家的手機才有效果，那其實不難猜測應該會類似Qualcomm TWS+的作法。

        但另外一個吸引人目光的是與Apple Airpod一樣是開放式的設計，但卻多了ANC 主動式降躁的功能，上次複習了TWS+ANC從零開始學習筆記: TWS+ ANC 真無線與主動式降躁藍芽耳機，複習一下訊號與系統之FIR Filter，其實主動式降躁技術已經存在很久，不算上什麼黑科技，但現在半導體製程的演進，現在已經可以縮到這麼小的空間裡，再加上Apple Airpods Pro算是跟大家宣示，一級TWS+ANC的樣子與特性應該有的樣子，但即使是Apple也沒再開放性的Apple Airpods II的時候把降躁加進來。

降躁的效果誤差 

        其實降躁原理說起來簡單"製造一個與背景雜訊反向的訊號"Anti-Noise Signal, 但這個沒有控制好，振幅大小與時間對齊都會大幅度降低效果，以下是一個簡單弦波的例子，背景雜訊為cos(x), 所以理論上生產一個負的cos(x)就可以把訊號抵銷，但實際上會一個問題會有
1. 振幅(增益)補償與頻率響應
2. 反向訊號Anti Noise的時間校準

時間延遲對雜訊消除的影響

        這裡用簡單的弦波計算一下，如果振幅控制完美，但如果時間延遲(現在耳機都這麼小一顆，應該沒有空間讓訊號超前)原本應該是完美的降躁效果就會出現誤差項。

        如果背景雜訊是個100Hz的弦波訊號，現在的TWS耳機都非常小，這裡假設外部降躁麥克風到喇叭輸出的實體距離為1.5cm，聲音傳播速度用340M/s來計算這時候的延遲只剩下44us，所以整個處理時間扣掉44us，如果降躁效果要在20dB以上那整個處理時間需要再111+44=155us內完成，如果是高頻雜訊(1kHz)那就只剩下11.1+44=55.1us.

        這也是即時訊號與數位通訊差異最大的地方，他有本質上的物理限制，頻率越快耳機越小理論上就越難處理。

聲音大小與聽感差異

        在降躁耳機宣傳投影片中常會提到自己可以達到10dB, 20dB or 30dB的降躁效果，dB為兩個振幅大小想比取對數的單位，所以如果兩個數值相差10dB，也就是能量相差10倍。
        但人耳的聽感其實與聲音實際大小不是線性的關係，[1] Bruel &Kjaer研究結果聲音大10倍只會覺得聲音大兩倍，反過來說也就是噪音降低10dB只會覺得聲音降低一半的音量。所以每10dB會是一個指標，並不是少3dB音量(聽感)就降低一半，所以真的要避免長時間開大音量，因為你感覺大一倍但耳膜多承受是10倍的能量。

Bruel&Kjaer

 華為Freebud3 降躁的設計

        從拆解報告來看 [2]，整體的設計與Apple Airpods相似，但並沒有看到Airpods Pro的回饋麥克風，也就是說本身的降躁參數並沒有辦法自動偵測配戴狀況與內耳收音效效果，也就是說整個降躁效果的參數是預設一個狀況，可能是任先生吧^^

http://www.52audio.com/archives/31935.html

        我看試用影片華為怎麼解決這個問題，本來覺得很瞎但想想對於DIY愛用者應該也還可以，那就是把參數丟給使用者自己去調整，這樣每個人都是Audio工程師，自己的耳朵自己調整，但這也是跟Apple差異比較大的地方，Apple的設計通常開放的東西很少很少，要使用著拿起來用就是90分，不然這種架構我想Apple Airpods本身硬體應該也不是問題! 只是要不要讓使用者自己DIY而已。

Reference

[1] [Green Biorenewable Biocomposites: From Knowledge to Industrial Applications]
[2] 拆解报告：HUAWEI华为 FreeBuds 3 真无线耳机
[2] [Freebud 3試用影片]

從零開始學習筆記: TWS+ ANC 真無線與主動式降躁藍芽耳機，複習一下訊號與系統之FIR Filter

Introduce

        最近Airpods Pro的推出，又掀起一陣黑科技的討論，不就是多個主動式降躁嗎? 主動式降躁又不是什麼新的科技! 不就是一個外部麥克風偵測環境噪音，耳機的Speaker播放一個反向的聲波，然後正負抵銷後噪音就不見了.......

噪音頻率補償

        後來想想不對如果這麼簡單那大家早就推出了， 後來查閱了一些資料自己得到了一些小小心得，降躁原理的確就如同上面提到的這麼簡單，但要實現上卻有很多問題存在，最大的問題我個人覺得是如何補償噪音的增益或衰減(Gain or Attenuation)，聲音本身可以拆解成不同頻率組成的訊號，但每個頻率在經過耳機與人耳到實際聽到的衰減是不一樣的，這個取決於耳機的機構設計，半開放式開放式耳塞的材質等等。
        所以聲音處理晶片(DSP)就需要對不同頻率有不同的補償值，但這個會有一個問題，每個人的耳朵形狀都不太一樣，配戴方式也不同，能夠接受的耳塞大小也不太一樣，像我個人就不喜歡塞太緊的耳塞，所以如果出廠的設定值都一樣，對每個人的降躁效果體驗就會不一樣
"因為反向聲波本身就是一個噪音"

Feed Forward, Feed Back, Hybrid 

        當然降躁耳機已經推出很久了，當然這是在耳罩式也有很多著名的牌子，相關技術文章很多例如[1] [2]都有提到Feed Forward, Feed Back and Hybrid，現在在賣很多都強調自己的方案支援Hybrid，當然Hybird實際怎麼實現是每一家的技術，真材實料或紙上談本消費者很能知道，但在硬體上面重點就是要有一個偵測輸出端的麥克風，有了這個麥克風當然就可以做很多事情。
        例如SONY 1000-XM series頭罩式降躁耳機，APP裡面就有個降躁優化器，執行過程你會聽到撥出不同頻率的訊號，裡用in-ear MIC偵測可以達到針對每個人的配戴狀態來進行調整，不用固定出廠參數。

 Earbuds TWS + ANC比較

        我自己有SONY SP700N，先前有比較過延遲差到不行外，對於他的降躁效果也是覺得莫名其妙.....有降躁效果嗎? 至少對我來說是完全沒有用啦，但後來SONY推出WF-1000XM3後自己借來戴效果的確不錯，一樣的耳塞效果的差異我們比較一下內部結構。

        這裡拿比較網路上幾款目前評價最好的 TWS+ANC 的機種，SONY WF 1000XM3 與 Track AIR+還有最夯的Apple Airpods Pro,，圖片都是來自我愛音頻網[3][4][5]，其實可以看到這幾款設計上都絞盡腦汁在這麼小的空間內塞入降躁麥克風，但這裡除了比每一家晶片的DSP運算能力，演算法功力外，還有機構的設計能力，但說實在以現在大家互相致敬的功力，機構音腔設計應該沒多久就會有最佳化的參考設計出現，畢竟這尺寸要塞一顆麥克風都很難了，所以弄到最後大家會長的差不多，或......跟Apple Airpods Pro差不多也說不定。
        Apple不愧是Apple，推動華強北科技進步的動力阿

降躁演算法 Algorithm

        剛剛提到的三款TWS+ANC降躁耳機，除了Apple用了自己的H1晶片外，像SONY也是自己開發一個獨立降躁晶片，Track Air+掛了另外一顆Analog  ADAU1787 (Qualcomm本身也有沒用不知道什麼原因?)，其實要不要獨立掛一個降躁DSP處理器我覺得還好，現在晶片的製程能力，說實在獨立一顆都是過度的作法，空間都不夠了還不整合再一起!

        演算法部分有找到TI的Application Note [6]，每次看TI這種老派的IC設計公司留下來的Application Note都會覺得Wow，我到底在看Application Note還是教科書，當然複雜部分還是簡單的來，無論什麼演算法最後就是要製造出反向的訊號來抵銷雜訊，前面提到每個雜訊可以拆分成不同頻率的訊號，不同頻率的訊號需要不同的增益響應，原本直覺是把訊號錄下來進行FFT轉換後然後在與in-ear MIC偵測到的訊號資訊進行補償計算不就好了?
     

即時訊號處理 RealTime Digital Signal Process

     
        後來發現這個有一個嚴重的盲點，那就是如果取一段訊號 T 在進行FFT轉換，然後計算補償後在輸出，即使後面的處理速度快到可以忽略不計，但本身訊號取樣過程Sampling 是需要花費時間T的，在處理完後再送出也至少會延遲T的時間，但噪音本身是即時不會等人，這跟一般的數位通訊好像不太一樣，通訊系統本身是封包可以錄下來後再處理比較，但ANC不能這麼做了，因為剛剛提到反向聲波本身就是一個噪音，要是沒有原本噪音時間上對齊，振幅上對齊主動式降躁就變成主動式造躁! 

FIR Finite Impulse Filter

        數位濾波器FIR/IIR濾波器，因為自己是學習比較範疇比較偏類比，雖然對於數位濾波器一直都不是很熟悉，研究所時候雖然有修過通訊系統，但現在想想我真的有在上課嗎? 幸好現在很多教授都有線上課程可以看例如 台灣科技大學 黃騰毅教授 訊號與系統[7]，有時候當某位教授上課聽不懂的時候，可能不是你太笨或他不會教，只是彼此不匹配而已，多找幾個聽聽總有一個能先讓你先入門。

        FIR另外一種說法叫做Moving Averaging Filter，這名稱由來與他的操作行為有關，真實世界的訊號是類比連續的訊號，所以我們需要一個Sensor與ADC來轉換成數位訊號，這時候訊號是沒有處理過100%原汁的，以一個三階FIR濾波器為例，每三點進來的訊號非別乘以已個係數b[n] 然後加在一起，如果b[n]都是相等1/3, 這其實就是一個三點平均的概念，而且有點類似b[n]一直往右跑所以就有moving average filter的稱號。

     

        雖然叫做moving average而且行為上是把訊號smooth，另外一個說法就是把高頻的訊號或雜訊濾掉，也就是低通濾波器的概念，但實際上透過b[n]係數的分配，他可以是低通濾波器LowPass Filter，高通濾波器HighPass Filter，帶通濾波器BandPass Filter與帶止濾波器BandStop Filter幾種配置，聽起來很神奇對吧?

        合成濾波器本身需要對工數有一定的能力，網路上有很多MatLab Like這種專業的軟體(Free)，或一些免費的軟體可以用，Iowa Hills Software   Digital and Analog Filters [8]可以直接計算FIR filter的b[n]係數與頻率響應，至於計算的細節下次再複習吧!

Low Pass Filter 與 High Pass Filter比較

        我們計算一個11階FIR，OmegaC設定為0.15 (3dB frequency點這樣以較好理解)，分別算出Low Pass and High Pass的係數，從係數的總和我們可以推敲出當頻率很低的時候average的結果，總和為1也就是代表低頻訊號會通過，反之總和很小就代表低頻訊號會被衰減。

        以下是一個低通濾波器的範例，頻率正規劃為0.16左右會有6dB的衰減，也就是電壓的振幅會少一半，我們把資料輸入到Excel後可以觀察到經過11筆資料後的平均加權計算後，振幅會如同FIR頻率響應衰減6dB，但可以看出數位濾波器多少會有延遲的問題或穩定時間(取決於取樣速度與濾波器階數)，因為是11階濾波器，所以最後訊號要再經過11次取樣時間後才會穩定。

        最後我們把兩個頻率訊號混在一起觀察x[n] sum訊號混著高頻訊號與低頻訊號，如果要針對不同訊號進行增益補償就不能直接x[n]乘以一個係數，我們可以透過不同濾波器的組合分別本頻率取出後再進行處理後再合併輸出，所以實際上可能會看到無數個不同階數的FIR組成。

        訊號經過Low Pass高頻訊號被平均掉了 

Low Pass Filter Output

        訊號經過High Pass Filter低頻訊號被平均掉了，FIR moving average其實也沒錯，只是他可以針對特定頻率週期的訊號進行平均，FIR在進階就是IIR Filter, 其實功能都差不多

High Pass Filter Output

 Reference

[1]Hybrid-ANC – the best noise-cancelling technology
https://blog.teufelaudio.com/hybrid-anc/#chapter4
[2]Active noise cancellation: Trends, concepts, and technical challenges
https://www.edn.com/design/consumer/4422370/Active-noise-cancellation--Trends--concepts--and-technical-challenges
[3]拆解报告：小鸟TRACK AIR+真无线耳机
http://www.52audio.com/archives/26647.html
[4]SONY索尼WF-1000XM3真无线降噪耳机
http://www.52audio.com/archives/24818.html
[5] 苹果AirPods Pro国行版
http://www.52audio.com/archives/30315.html
[6]Design of Active Noise Control Systems With the TMS320 Family
http://www.ti.com/lit/an/spra042/spra042.pdf
[7] 台灣科技大學 黃騰毅教授 訊號與系統
https://www.youtube.com/watch?v=KqweFuHcSVc&list=PLX6FA3vfNTfChkbNQGxVPrIsvkC_DwNV6
[8] Iowa Hills Software   Digital and Analog Filters
http://www.iowahills.com/Index.html

告別機械硬碟的噪音，無痛升級SSD by Renee Becca，2019 WIN7升級WIN10還是免費

        現在使用3C產品，手機或平板幾乎都是開機的狀態，啟動瀏覽器的時候也都是瞬間就開啟，但桌上型的電腦效能如果不玩遊戲都有點效能過剩，怎麼在開機與開啟瀏覽器的時間都讓人感到不耐凡? 其實現在半導體從90奈米. 45奈米， 28奈米, 14奈米一直到今年台積電股價漲上去最夯的7奈米，半導體一直伴隨摩爾定律每年往前推進，但從10年前到現在吧，硬碟Hard Disk Driver從10年前我有印象以來就是7200轉，雖然後來有推出1000轉的硬碟，但看起來以這個結構來看5400 ~ 1000轉就是這結構的極限了。   

        SSD Solid State Device 固態硬碟，身邊的USB大拇哥就是類似的東西，SSD與網路的發展，包含2019年最夯的5G網路，讓終端裝置真的變成一個終端(Terminal)，大部分的資料與影片、相片、運算等等都只是終端透"網路"到伺服器存運算，所以5G現在說會改變人的生活，的確一個高速無線網路的環境會讓很多應用從不可能變成可能，但把5G講得太神也很奇怪，因為這不是突然冒出來的東西，他是原本4G的環境慢慢改善上來。

         另外一個最重要的事情是現在價格，20191103 PCHOME上面HDD and SSD的價格已經差不到一半了，以規模經濟在發展下去，以後可能市場上就找不到HDD硬碟了，真是時代的眼淚。

       年初的時候買了SSD硬碟，剛好家裡有一台桌機與一台NB，但以前念書的時候(20年前了吧)，每天重灌電腦是稀鬆平常的事情，但現在工作回來都累了，說實一台電腦已經習慣了也很懶得再重灌電腦，就只是想要單純的把HDD升級到SSD，讓回家開個電腦速度是沖杯咖啡時間內完成而已。

       上網搜尋了一下找到這一套軟體Renee Becca這套軟體，NT 790用兩台電腦平均一台電腦NT 395其實還可以，買了在年初的時候更換桌上型電腦，在RENE.E的網站上其實寫了很多文章，大概按照步驟系統就轉換過去了，換了以後5年前的PC馬上讓你覺得他可以再用5年，開機速度與網頁瀏覽完全與HDD是不同檔次，最重要的是沒有硬碟的機械噪音，這點真的差很多。

        後來其中一台ASUS 筆電BU401 U，因為工作比較忙碌一直沒有處理，再加上最近WIN 7一直跳出2020不在支援的消息，現在到微軟官網下載 Windows 10直接選擇立即升級，不用重灌原本的安裝的應用程式與驅動都正常工作，還沒升級的人可以考慮看看，穩定性與安全性WIN10還是比WIN7來的優秀。

        現在的系統備份軟體真的令人印象深刻，以前GHOST剛推出也幾乎解決一推重灌工具人的困擾，但那時候都要製作開機光碟先進入DOS模式在進行所謂的系統備份，但現在軟體可以直接在WINDOWS下直接操作，這的確蠻神奇的，而且過程你還是可以操作電腦。

         直接用各USB外接盒將SSD安裝上去，Renee 2019我都是選擇系統遷移，就會直接開始備份。

        備份過程程式會自動把需要的硬碟配置，但會有一個需要手動動手的地方，那就是未分配磁區，備份好之後直接把硬碟更換，其他都不需要設定，就可以直接開機使用，速度真的是有感提升。

        另外這台電腦還配置了ASUS HDD Protection, 這是避免機械硬碟在移動的過程，如過有劇烈的晃動，可能會造成硬碟壞軌，但SSD本身其實就是USB隨身碟，所以本身並沒有壞軌的問題，所以有類似的軟體也可以移除或關閉功能了。

        另外SSD本身是有讀寫壽命的，這點其實一般人都不知道記憶卡的讀寫壽命跟硬碟相比其實是比較差的，比較常見的應用就是在監視器循環錄影，所以題外話車子上面的行車紀錄器，每年要定期檢查一下記憶卡是不是還有動作，二年到了無論有沒有壞就把他換掉吧，不然到時候重點問題沒有錄到就GG了。