如何測量電容式觸摸屏的實際信噪比
觸摸屏控制器制造商經(jīng)常拿各種規(guī)格和標準來使自己的產(chǎn)品與眾不同。其中最常提到的就是信噪比(SNR)。然而，當噪聲存在時，即使數(shù)字上看起來不錯，也并不意味著SNR就是一個很好的系統(tǒng)性能指標。這篇文章將討論什么是信噪比，它是如何計算的，它對系統(tǒng)性能意味著什么，是否能很好的度量觸摸性能。
什么是信噪比?
信噪比是觸摸屏控制器的性能指標，現(xiàn)在已經(jīng)作為行業(yè)標準被大家接受。信噪比的問題是沒有任何行業(yè)標準的測量、計算、報告方法，尤其是在某些典型系統(tǒng)中，噪聲具有高可變性的情況下，例如移動電話。這兩個部分(信號和噪聲)的測量和計算很大程度上依賴于被測裝置(DUT)，有代表性的是移動電話。值得注意的是，雖然信噪比作為性能衡量已被廣泛接受，行業(yè)專家明白，大多數(shù)市場宣揚的高信噪比放到實際應用中并不能保證。此外，在噪聲環(huán)境下，提供高信噪比也不能完全符合其功能規(guī)范。
在電容式觸摸屏中，信噪比中信號就是加上測量到的手指電容后的實際電容的變化量。手指電容取決于傳感器覆蓋物厚度、手指大小，DUT到地的寄生電容，以及傳感器模式。噪聲成分依賴于內(nèi)部控制器噪聲和外部噪聲源，本文將會就這些方面進行討論。
投射式電容觸摸屏觸摸技術(shù)已應用在很多新型智能手機中，觸摸傳感器使用時都會遇到噪聲。噪聲從顯示器(可能是LCD或AMOLED)耦合到觸摸傳感器，距離越近噪聲越大。不像模擬顯示那樣同步，這類LCD噪聲通常是尖峰噪聲。USB充電器噪聲通常也是也尖峰噪聲。它也是最容易變化的，因為在每個設(shè)備中AC / DC變壓器的結(jié)構(gòu)和組件是不同的。
第三方低成本的充電器特別容易出現(xiàn)這種噪聲尖峰。因此，當觸摸控制器沒有像cypress Charger Armor那樣的噪聲抑制技術(shù)時，USB充電器是OEM廠商最頭疼的事情。當所有這些外部噪聲存在時，我們期望觸摸控制器不會錯誤報告手指觸摸或手指位置。他們并不能歸類于普通，或高斯，或分布式噪聲。這就給工程師和營銷人員帶來一個問題，要區(qū)分出沒有噪聲時ADC的信噪比。
在眾多的測量條件下，信噪比一直能夠作為度量標準不能不說是一個奇跡。此外，信噪比不能預測最重要和量化的觸摸屏噪聲相關(guān)參數(shù):抖動(也稱為無噪聲分辨率)和錯誤觸摸報告。幸運的是，有一個信噪比測量技術(shù)能預測非高斯噪聲存在時的抖動。
噪聲如何影響觸摸屏系統(tǒng)
不好的信噪比會影響系統(tǒng)的魯棒性，造成假觸摸和位置跳動。手指靠近觸摸屏時會干擾相交的兩個透明電極的邊緣電場。這種電容稱為互電容。這就改變了傳感器的電容。交叉點發(fā)生在發(fā)射和接收電極直角交叉處。在手機觸摸屏上有好幾百個這樣的交叉點。觸摸屏控制器測量所有交叉點電容的變化，并把測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成量化的原始數(shù)據(jù)。通過測量每個交叉點，而不是整個電極，控制器就能夠創(chuàng)建一個二維的觸摸屏傳感器電容圖表。
如果在手指附近交叉點發(fā)生一個大的噪聲尖峰，那么在位置計算算法就會添加一個錯誤標志。然后該算法轉(zhuǎn)換原始數(shù)據(jù)到坐標;根據(jù)噪聲峰值大小，手指位置報告的坐標可能是抖動，當手指靜止，可能在兩坐標間交替。當智能手機使用觸摸屏接口，插到USB充電器時，某些無意識的輸入或選擇可能會出現(xiàn)這些情況。
某些小抖動可能影響并不是很顯著，但會給用戶接口帶來很多問題。當手指坐標變化時，假如變化不明顯，手勢解碼算法可能誤解點擊或平移手勢，但這也能導致憤怒的小鳥不發(fā)火。更糟的是，在極端的情況下，充電器噪聲可能導致當只有一個手指觸摸傳感器時，觸摸屏控制器報告多個手指。這就帶來了一個問題，稱為鬼點。鬼點的后果是手機應用程序無法使用，那些只設(shè)計了單指觸摸或手勢的可能解碼算法無**常工作。應用廣泛的知識產(chǎn)權(quán)，不斷改進的模擬電路設(shè)計和先進的信號處理算法催生了當代觸摸控制器，例如第四代TrueTouch(TMA440)控制器，可以抑制充電器噪聲。
信噪比計算和報告比建立一個代表性的測量環(huán)境還要棘手。尖峰的嚴重程度，時間噪聲問題表明，在數(shù)據(jù)手冊中的信噪比應該充分表現(xiàn)尖峰噪聲。那么，應該用什么樣的測量來量化信噪比呢? 基于我們的噪聲計數(shù)方式，有兩種可能。一個方法是使用標準偏差，或均方根(RMS);另一個方法是使用峰峰(pk-pk)測量。
在高斯噪聲系統(tǒng)中，使用標準偏差計算信噪比是安全的，因為我們可以使用梯狀轉(zhuǎn)換，通過6倍標準偏差噪聲來計算pk-pk值(99.7%可信)。當顯示器關(guān)閉并且沒有充電器時，觸摸屏系統(tǒng)的噪聲僅僅是高斯噪聲，在這種情況下我們不關(guān)心信噪比是多少。我們唯一真正關(guān)心信噪比是當觸摸屏集成到設(shè)備里的時候，比如手機。
峰峰值是另一種計算信噪比中噪聲的方法。下面是這兩種方法的原始數(shù)據(jù)集近似圖示(沒有經(jīng)過數(shù)字濾波)，其展示了充電器和LCD的典型噪聲水平。
接下來，我們確定當前系統(tǒng)中的噪聲量(CNS)。系統(tǒng)噪聲是指在一段時間內(nèi)測量到的傳感器電容最大最小值的差值。此值代表測量到的噪聲量，但它并不包括量化誤差; 我們要加上一個LSB噪聲來恢復量化誤差。這在低分辨率系統(tǒng)中是尤其重要的。當手指觸摸時我們把測量到的噪聲拿掉，以便我們可以復制我們關(guān)心的環(huán)境。在這里我們就要選擇使用標準偏差還是pk-pk值。當手指觸摸為20.6計數(shù)時選用標準偏差，根據(jù)公式計算pk-pk噪聲為155計數(shù):
使用pk-pk噪聲計算的信噪比是6.7，而使用標準偏差計算的信噪比為49.9。很明顯，大部分人會把它們都放在產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊里，但是哪一個更代表系統(tǒng)性能呢? 使用標準偏差，可能有一系列干凈數(shù)據(jù)夾雜一個大尖峰(即足以看起來像個手指)，并得到同樣的噪聲作為低幅高斯分布數(shù)據(jù)集。在這里你可以看到非常高的信噪比，盡管觸摸控制器并沒有滿足用戶界面的功能規(guī)格。如果使用pk-pk噪聲測量同一組數(shù)據(jù)，信噪比會接近1，你可以看出馬上意識到系統(tǒng)有問題。
早前有提到，標準偏差換為pk-pk，我們可以乘以6倍來達到99.7%的置信區(qū)間。如果我們將同樣的方式思考這個數(shù)據(jù)集，我們就可以看到，pk-pk噪聲估計錯誤了32個計數(shù)，或20%。
計算 噪聲 信噪比 計算差異
峰峰值 154 6.7
標準偏差(stdev) 20.6 49.9 6.8X
stdev * 6 124 8.4 25%
當我們閱讀數(shù)據(jù)手冊時，請記住，標準偏差的SNR計算方法，沒有用于計算的數(shù)據(jù)集，并不能定量或定性的給出觸摸屏系統(tǒng)的功能和性能。使用pk-pk信噪比計算，很清楚的是，可以定性判斷是否有會影響性能的顯著噪聲。
我們可以斷定，在缺少規(guī)范化測量方法時，信噪比可以作為性能度量,但并不完美。這里有定義好了的性能指標，測量步驟，計算方法，觸摸屏控制器供應商(見賽普拉斯規(guī)范001 - 49389)和移動設(shè)備OEM可以使用來量化觸摸性能。這些規(guī)范是必要的，可以保證可重復的試驗結(jié)果，驗證觸摸屏性能，減少觸摸屏測試硬件和固件變化。
典型的性能測試除了觸摸屏硬件和控制器接口外還需要金屬手指模擬器，夾具，示波器，函數(shù)發(fā)生器，自動機械。例如，標準的抖動測量過程分為七步，記錄手指位置坐標上的時間噪聲。這里的測量表明有多大運動，多少距離，我們會期望是不動的手指。這是一個相對簡單的參數(shù)測量，它直接并立即在用戶界面產(chǎn)生影響。相比之下，信噪比的影響在觸摸屏性能上就不那么直接了。即使在噪聲環(huán)境下，數(shù)字濾波器和位置計算算法也能夠去除抖動，就是降低了信噪比值(作為一種性能度量)。把信噪比作為一個性能指標是不可取的，因為它不能最終給你一個真正意義上的系統(tǒng)性能。
本文是想告訴大家，不要以點見面，以偏概全，信噪比并不能告訴我們系統(tǒng)是否很好地響應觸摸。這就是為什么觸摸控制器領(lǐng)先制造商，如賽普拉斯TrueTouch，有一套測試和測量方法來評估新的觸摸屏設(shè)計的性能。
