정전식 터치 스크린을 위한 신호 대 잡음비 측정 현실

 

터치스크린 컨트롤러 제조업체는 제품 차별화를 위해 다양한 사양과 측정 기준을 인용하곤 한다. 그 중 하나가 신호 대 잡음비 (SNR)이다. 그러나 이 수치가 인상적이라고 해도 그것이 반드시 시스템 성능의 좋은 지표가 되는 것은 아니다. 여기서는 SNR 이 무엇이고 어떻게 계산되며 시스템 성능에 있어서 의미가 있는지에 대해 알아보고, 더 나은 터치 성능을 나타내는 대안 메트 릭스에 대해서도 살펴본다.

 

Patrick Prendergast, Cypress Semiconductor Corp

 

SNR이란?

 

신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio : SNR)는 터치스크린 컨트롤러를 위한 성능 측정기준이며 업계 전반의 표준으로 받아들여지고 있다. SNR이 가진 문제점은 이러한 SNR을 측정하고 계산하며 보고하기 위한 업계의 표준 방법론이 없다는 것이며, 특히 휴대폰과 같은 일반적인 시스템에서 구성요소에 기여하는 노이즈의 높은 다양성을 고려할 때에는 더욱 그러하다. 이러한 측정과 계산의 두 가지 요소(신호와 잡음)는 DUT(Device Under Test)에 크게 의존한다(일반적으로 휴대폰).

성능 측정 방식으로 SNR의 정당성이 널리 수용되고 있음에도 불구하고, 업계 전문가들은 높은 SNR의 마케팅 클레임 대부분이 실제 사용 시 유효하지 않다는 것을 이해하고 있다. 이와 함께, 높은 SNR을 전달하는 것은 노이즈 조건에서 기능 사양을 충족하는 것만큼 성능에 있어서 거의 중요하지 않다.

 

 

정전식 터치스크린에서의 SNR 신호는 손가락 커패시턴스의 직접적인 결과이며, 상호 커패시턴스에서 측정된 변화의 양이다. 손가락 커패시턴스는 센서 커버의 두께, 손가락 크기, 지면에서의 DUT 스트레이 커패시턴스, 손가락 크기 및 센서 패턴에 따라 달라진다(터치 스크린 Stack-up에 대한 그림 1 참조). 노이즈 요소는 나중에 설명하며, 내부 컨트롤러 노이즈 및 외부 노이즈 소스에 따라 달라진다.

새로운 스마트폰에 사용되는 터치 기 술인 투영 정전용량 방식(ProjectedCapacitive) 터치스크린에서, 노이즈는 이 기술이 사용될 때마다 터치 센서에 충격을 가한다. 터치 센서에 LCD나 AMOLED 형태의 디스플레이와 결합된 노이즈는 디스플레이와 터치 센서 수축 사이의 거리로, 더 높은 경향이 있다. 아날로그 디스플레이 동기화 없이 LCD에 의해 생성된 노이즈 유형은 일반적으로 까다롭다. USB 충전기에 의해 생성된 노이즈도 매우 까다롭다. 그것은 또한 AC/DC 변환기에서 모든 디바이스에 대해 구조와 구성 요소가 다른 것처럼 가장 다양하다고 할 수 있다.

제3의 저가형 충전기는 특히 그와 같은 노이즈 스파이크를 일으키는 경향이 있다. 따라서, USB 충전기의 경우 터치 컨트롤러에 싸이프레스의 차저 아머(Charger Armor)와 같이 노이즈 방지(Noise Cancellation) 기술이 없을 때 OEM 업체들에게 가장 큰 두통거리를 안겨준다. 터치컨트롤러는 외부의 모든 노이즈 소스가 동시에 등장하는 것과 동시에, 잘못된 손가락 접촉이나 예민한 손가락위치가 신고 되지 않고 작동된다. 이중 어느 것도 노멀(Normal) 또는 가우스 분포(Gaussian Distribution)를가진것으로 특성화될 수 없으며, 이것은 엔지니어와 마케터들에게 노이즈의 부재에서 ADC의 SNR을 지정하는데 문제를 제공한다.

측정 조건에서 SNR이 많은 변화와 함께 여전히 정량적인 통계로 사용되고 있다는것이 의아할 정도이다. 이와 함께 터치스크린 시스템에 있어서 가장 중요하며, 수량화 할 수 있는 노이즈와 관련된 성능매개 변수를 예측할 수 없다[노이즈 없는 해상도로도 알려진 지터(jitter)와 잘못된 터치 리포트]. 다행스럽게도 Non-Gaussian 노이즈 상태에서도 지터를 예측할 수 있는SNR 측정기술이 존재한다.

 

노이즈가 터치스크린 시스템에 미치는 영향

 

SNR은 잘못된 터치와 위치상의 지터현상으로 견고한 시스템에 영향을 미친다. 터치스크린에 손가락이 가깝게 다가가면 2개의 투명 전극 교차점에서 동결된 전기장이 충돌한다. 커패시턴스는 상호 커패시턴스로 알려져 있다. 따라서 이러한 커패시턴스는 센서의 커패시턴스를 변경한다. 교차점은 전극의 교차가 직각으로 전송 및 수신되는 현상을 일으킨다. 휴대폰의 터치스크린에서 그와 같은 교차 현상은 많이 발생한다. 터치스크린 컨트롤러는 모든 교차점에 대한 커패시턴스의 변화를 측정하고, 측정된 데이터를 Raw Data의 양자화된 어레이로 변환한다. 전체 전극보다 오히려 각각의 교차점을 측정함으로써, 컨트롤러는 터치스크린 센서 커패시턴스의 2차원 지도를 만들 수 있다.

큰 노이즈 스파이크가 손가락 근처의 교차점 중 하나에 발생하면 에러 기간은 위치 계산 알고리즘에 추가된다. 이러한 알고리즘은 손가락이 정지됐을 때 노이즈 스파이크의 크기, 두 좌표간에 보고된 손가락 위치 좌표가 흔들리거나 교류하는 데 따라 좌표에 원래의 데이터를 변환한다. 변화의 경우, 스마트폰에서 터치 인터페이스를 사용하는 동안 벽에 꼽는 USB 충전기로 연결되면서 의도하지 않은 입력이나 선택의 형태로 파악할 수 있다. 이러한 변화는 낮은 수준이며 눈에 띌만한 것이 아님에도 불구하고, 지터는 유저 인터페이스에 다양한 문제를 야기시킬 수 있다.

손가락 좌표가 변화할 경우, 제스처-디코딩 알고리즘은 어떤 면에서 눈에 띌뿐만 아니라 오류를 발생시킬 수 있는 Swipe 혹은 Pan Gesture로 오해할 수 있다. 또한 극단적인 경우, 충전기에 의해 발생한 노이즈는 한 손가락으로 센서를 터치했는데도 터치스크린 컨트롤러가 여러 손가락으로 받아들이도록 할 수도 있다. 이러한 현상은 종종 고스트 손가락이라는 조건을 만든다. 고스트 손가락이라는 현상의 결과는, 유일하게 한손가락으로 사용하도록 설계되어 있거나 또는 고스트 손가락들이 제스처 디코딩 알고리즘을 실행할 수 없도록 하는, 모바일 앱의 실행 불가능한 인터페이스일 수도 있다. 광범위한 지적 재산권의 애플리케이션, 꾸준한 아날로그 디자인과 첨단 시그널 프로세싱 알고리즘은 충전기 노이즈에 면역된 제4세대 트루터치(TrueTouch)-TMA440- 컨트롤러와 같은 현대적인 터치 컨트롤러를 활용할수 있도록 해 준다.

SNR을 계산하고 리포트하는 것은 대표적인 측정 조건을 설정하는 것보다 훨씬 까다롭다. 그러면 SNR 계량에는 어떤 종류의 측정이 사용되어야 하는가? 노이즈 계산 방식을 기반으로 하여 고려할 수 있는 가능성이 두 가지 있다. 한 가지 방법은 표준 편차 또는 RMS를 사용하는 것이며, 또 다른 한 가지 방법은 Peak-to-peak(pk-pk) 측정 방법을 사용하는 것이다.

가우시안(Gaussian) 노이즈를 가진 시스템에서는 SNR 계산에 표준 편차를 이용하는 것이 안전한데, 이것은 99.7%의 신뢰도를 가진 pk-pk 값을 계산하기 위해 6으로 표준 편차 노이즈 값을 곱함으로써 스칼라(scalar) 변환을 사용할 수 있기 때문이다. 디스플레이가 꺼지고 충전기 표시가 없을 때, 터치스크린 시스템의노이즈는 가우시안뿐이므로 어떤 SNR이 이와 같은 조건에 놓여있는지 신경 쓸 필요가 없다.

 

 

Peak-to-peak는 SNR 계산에서 노이즈를 계산하는 또 다른 방법이다. 그림 2는 시스템에 있는 충전기, LCD와 함께 정형적인 노이즈 레벨을 나타내는 Raw Dataset(디지털 필터가 적용되지 않은)이며 두 가지 방법을 더 자세히 보여준다. 그림 2와 같이, 손가락 시그널(CF)은 손가락이 터치다운하기 전에 100샘플 (약 1초의 가치)의 데이터 평균값과, 손가락이터치다운한후100 샘플데이터 평균값의 차이를 구하여 측정된다.

CF＝Mean(Finger)－Mean(NoFinger)＝1850－813＝1037

다음에는 시스템(CNS)에서 노이즈가 표시하는 양을 결정한다. 시스템 노이즈는 1초 동안 센서로 측정된 최대와 최소 커패시턴스의 차이를 말한다. 이 값은 측정된 노이즈의 크기를 나타내지만, 이는 양자화 오류가 포함되어 있지 않다. 노이즈에 대한 하나의 LSB 가치를 추가함으로써 양자화 오류를 복원할 수 있다. 이것은 보다 낮은 해상도를 가진 시스템에 서 특히 중요하다. 우리는 손가락이 닿을때 노이즈를 측정한다. 따라서 가장 깊이 관련된 상태를 재생할 수 있다. 이곳은 표준 편차나 pk-pk 값을 취하는 옵션을 갖고 있는 곳이며, 손가락이 닿을 때의 표준편차는 20.6인 반면, pk-pk 노이즈는 다음식과 같이 155 카운트이다.

CNS(pk-pk)＝(Max(NoFinger)－Min(NoFinger))＋1 ＝(900－746)＋1＝155

pk-pk 노이즈를 사용하여 계산된 SNR이 6.7인 반면, 표준 편차를 사용하여 계산된 SNR은 49.9이다. 표준 편차와 함께 하나의 큰 스파이크(즉, 손가락처럼 보이기에 충분히 큰)를 가진 무소음 데이 터세트를 얻을 수 있으며, 아울러 낮은 진폭의 가우시안 분포를 가진 데이터세트와 같은 노이즈를 얻을 수도 있다. 여기서는 터치 컨트롤러가 유저 인터페이스의 기능 사양을 충족시키지 못함에도 불구하고 매우높은 SNR을볼 수 있다.

만약 pk-pk 노이즈를 사용하여 동일한 데이터세트를 측정했다면, SNR은 그 하나에 가까울 것이며 시스템에 문제가 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 앞서 pk-pk로 표준 편차를 변환하기 위한 것을 지적했으며, 99.7 %의 신뢰도 구간을 얻기 위해 6배로 판단할 수 있다. 만일 이 데이터세트에 동일한 사고를 적용한 다면, pk-pk 노이즈 추정의 오류가 32카운트 혹은 20%까지 떨어진다는 것을 알수있다.

데이터시트를 읽을 때 계산에 사용되는 데이터세트 없이 SNR을 계산하는 표준 편차 방식은, 터치스크린 시스템의 성능이나 기능에 대한 양적 또는 질적표현을 제공하지 않는다. SNR 계산을 사용했을 때 상당한 수준의 노이즈가 존재하고, 아울러 성능에 영향을 끼친다면 분명히 질적으로 해결할 수 있다.

 

SNR을 넘어서

 

SNR은 표준화된 측정 절차가 없으므로 성능을 저하시키는 매트릭스라고 결론지을 수 있다. 터치스크린 컨트롤러공급업체(싸이프레스 Spec 001-49389 참조)와 모바일 기기 OEM 업체들은 터치 성능을 철저히 계량하는 데 사용하는 측정 절차와, 계산 단계를 가진 규정된 성능 메트릭스를 갖고 있다. 이러한 스펙은 터치스크린의 성능을 입증하면서 반복 가능한 테스트 결과를 보장하며, 터치스크린 하드웨어나 펌웨어로 테스트의 변화를 회귀하는 데 필요하다.

전형적인 성능 테스트 설정에는 터치스크린 하드웨어와 컨트롤러에 인터페이스 하는 것 외에도 메탈 핑거 에뮬레이터 및 지그(jig), 오실로스코프, 함수발생기, 로봇 등이 필요하다. 예를 들어, 표준 지터 측정절차는 손가락의 위치를 나타내는, 보고된 좌표의 일시적인 노이즈를 기록하기 위한 일곱 단계 과정이다. 여기서 측정은, 거리 단위에서 어느 정도의 움직임인지를 나타낸다. 이것은 유저 인터페이스에 대해 직접적이고 즉각적인 효과를 갖는 매개 변수의 비교적 간단한 측정 방식이다. 이와는 대조적으로 터치 성능에 대한 SNR의 효과는 보다 덜 직접적이다. 디지털 필터와 위치 계산 알고리즘은 성능의 메트릭으로 SNR의 값을 줄여주며, 심지어 노이즈 조건에서도 지터를 제거할수 있다. SNR은 진정한 시스템 기능의 의미를 전달하지 않으므로, 성능의 지 표로 생각하는 것은 바람직하지 않다.

SNR은 시스템이 터치에 얼마나 훌륭하게 반응하는지 말해 주지 않는다. 때문에 싸이프레스의 트루터치와 같이 주도적인 터치 컨트롤러 제조업체들은 새로운 터치스크린 설계의 성능을 평가하기 위해 사용하는 세밀한 테스트 및 측정 방법을 갖고 있다