技術頻道

MEMS是一種工程空間技術，主要仰仗於機械和機電裝置及相關結構的小型化。這些可以透過多種技術創建，統稱為微製程(Microfabrication)。與這種MEMS元件相關的尺寸(Form Factors)可以從幾個mm直到次微米(Sub-micron)級。有些元件可以運動，但其他元件會在裝置中保持靜態。 MEMS技術有許多潛在用途，但它目前在轉換器(Transducers)領域具有最重要影響。作為通用術語，轉換器可以涵蓋將能量從一種形態轉換為另一種形態的任何裝置。在MEMS環境中，這將是機械能到電能，或者反過來的方式，包括微感測器和微致動器(Micro-actuators)。 雖然標準的機電裝置本身非常有用，並且可以完成大量任務，但是當它們在整合到MEMS中時，可以實現其全部最大潛力，感測元件可以與伴隨的IC和其他元件共用同一矽基板。採用典型的半導體製程(CMOS、BiCMOS等)來製造IC，而MEMS特性則使用微加工製程製造，選擇性地蝕刻掉晶片的一部分，或者添加新的結構以形成轉換器元件。除了在許多應用中具有很大吸引力的小型化明顯優勢外，MEMS元件批量製造和自動校準能力也帶來明顯的規模經濟，從而可以大大降低製造費用，降低實際的單價。 MEMS感測器可簡化任務/降低風險 現代感測解決方案通常將MEMS元件與相關的訊號調節電路整合，例如類比數位轉換器(ADC)和數位介面。這形成更緊湊的解決方案，可以輕易地與系統主處理器互連。透過在系統級封裝(SiP)格式中包含此類功能，設計工程師的任務變得更加簡潔，進而降低設計風險，並加速產品上市時程。 整合MEMS元件的另一個優勢則是它們總能提供「理想」的輸出。如果裝置的機械元件為非線性，那麼這可以透過裝置本身的演算法來解決。例如，還可以透過在MEMS元件內整合小的熱感測器來應對由於溫度變化引起的非線性或偏移(Offset)。藉由這種自補償能力，基於MEMS的感測技術能夠提供高品質輸出。 使用MEMS技術的最簡單裝置之一是麥克風(圖1)，它是一種直接的感測器類型，可將聲壓轉換為電能。由於語音啟動助理(如Amazon、Google等)、降雜訊耳機以及音訊會議等車輛和商業應用中使用的語音控制系統等大幅成長，麥克風市場正在迅速復甦。 圖1　基於Infineon IM69D120 MEMS的麥克風。 一些基於MEMS的麥克風，例如Infineon的IM69D120，相較其較大的機電同類產品具有更好的性能。該特定元件具有非常高的訊噪比(SNR)和極低的失真(<1%)以及完美的匹配，非常適合多麥克風陣列型應用。它還具備高整合度，包括一個低雜訊前置放大器和一個ADC，可提供完全的數位輸出。 雖然有許多類型的基於MEMS的感測器，能夠量測流量、位置、運動、壓力等，但這些節省空間的裝置現在也開始承擔更複雜的任務。例如，它們已經廣泛用在汽車工業，以便更精確地知道車輛的方位和運動，確保持續的穩定性並增強安全感，執行這些任務的關鍵元件包括採用MEMS技術的加速度計和陀螺儀。 MEMS加速度計廣泛應用消費/工業/汽車產業 基於MEMS的加速度計能夠感測由於運動/加速度引起的力，這些主要透過懸掛(在彈簧上)微加工層來實現，當安裝於任何媒介上的感測器因動作而受到力時，該層可自由運動。一些MEMS加速度計利用壓電效應，這些裝置包含微晶體結構，晶體結構受到機構層運動造成的壓力，之後產生與加速度成比例的電壓。另一種方法是將可動作層懸掛在一對電極板之間，當機構層移動時，電容就會改變，該變化可以被量測並產生與加速力成比例之輸出。在大多數微加工製程中，確定電容只需要一個小小的額外步驟。這種方法能夠具備明顯提高的靈敏度，並且本質對溫度變化不敏感，所有這些都使其應用具有很大吸引力。 近年來，加速度計已經進入更廣泛應用領域。它們現在被整合到智慧型手機中，可以幫助偵測方向以轉動螢幕，並提供額外的功能(例如統計步數以提高健身水準)。它們可以整合在媒體播放機等產品中以提供創新的用戶介面，可以在口袋內輕敲以變換到下一音樂曲目。此外，它們可以作為一種偵測「相機抖動」方式(包括數位相機和影像攝影機)，透過反相動作影像感測器來校正可能導致模糊影像。在筆記型電腦型號中，它們可用於偵測突然跌落，並在硬碟驅動器(HDD)撞擊地面之前將其關閉，以保護高價值資料。 在消費性領域之外，加速度計還具有其他軍事、研究和商業用例。它們也常用于機器人和機器控制系統，但最重要的是它們在汽車產業中執行安全關鍵功能。結合車輛中的高級駕駛員輔助系統(ADAS)，具備高g值的加速度計可以透過偵測快速負加速度來及時回應即將發生的撞擊，可以啟動安全氣囊，關閉燃料供應，甚至自動向急救人員發出緊急呼叫。 基於MEMS的陀螺儀可以仰仗Coriolis Effect量測圍繞正常行駛軸的側傾和偏航，並能夠偵測打滑，提供進一步的安全功能。舉例來說，Murata的SCC2230將三軸加速度計與陀螺儀和訊號處理電路整合在一個小型SiP中(圖2)，構成一個基於MEMS的慣性量測系統(IMU)，可以高精度地跟蹤位置。該元件基於Murata專有的電容式MEMS機構，能夠量測加速度和角速率，同時透過方便的數位SPI輸出提供資料。 圖2　Murata的SCC2230 IMU的功能方塊圖。 感測器融合　資料準確更可靠 因此，感測器融合能夠處理來自多個感測器的資料，隨後得到的資料更準確或更可靠，或者兩者兼而有之。業界對這一概念的興趣日益增加，至少部分是由於MEMS感測器使用越來越多，這些感測器能夠降低感測系統的尺寸和成本。隨著物聯網的不斷進步，現在可以訪問雲端運算資源，以更有意義的方式組合來自多個感測器的資料，並提供所需的處理能力。 以相對濕度作為一個簡單的範例。這須要運算空氣中存在的水量，表示為在相同溫度下飽和狀況所需水量的百分比。這對於室內氣候控制很重要，特別是在儲存敏感電子元件的地方，以及工業應用(例如塗漆和塗層)中。可以透過將濕度感測器的資料與溫度感測器的資料組合來運算環境相對濕度。 感測器融合還可用於改進系統或物體在三維空間中的定位。透過前面討論過的Murata IMU，來自加速度計和陀螺儀的資料可以透過感測器融合進行組合，以提供高精度的3D位置，能夠克服陀螺儀內的任何偏差或可能影響加速度計讀數的振動，可使用複合濾波演算法(包括流行的卡爾曼濾波技術)來組合資料。除了在汽車產業也具備許多應用外，該技術也註定廣泛應用于機器人等領域，例如，必須要知道機器人手臂的確切位置。 基於MEMS感測器資料的融合也在醫療保健市場取得了重大進展。可穿戴健身追蹤器中的感測器可以與其他心率或體溫監測器等貼近身體裝置組合，提供患者生命體徵的完整資料，並用於遠端監護等用途。如果再將人工智慧(AI)導入這些類似的醫療應用，可以開創沒有任何人工參與狀況下的醫學診斷巨大潛力。 雖然MEMS感測器與較大的機電元件都仰仗相同的原理，但MEMS感測器正在為當今世界中所看到的快速變化做出重大貢獻。小而堅固的MEMS元件(通常以SiP格式提供)可以將感測元件與板載訊號調節和數位通訊整合在一起，能夠更容易地將資料傳輸到適當的硬體處理。 透過自動化製造和校準的組合，以及量產快速成長所帶來的規模經濟效應，這種先進技術比以往都更加經濟實惠。所有這些發展都得益於將多個感測器的運作整合在一起所帶來的機會，藉此能夠實現更高的準確度和可靠性，並可獲得透過單獨感測器無法實現的參數量測。 (本文作者任職於貿澤電子)

5G毫米波OTA測試勢在必行 手持行動裝置產品製造商需要確保其產品符合5G毫米波的頻率要求和OTA標準中所規範的RF性能要求，5G毫米波OTA測試驗證的項目共三項如下描述為：峰值有效無方向性輻射功率(Peak Effective(or Equivalent)Isotropic Radiated Power, Peak EIRP)、總輻射功率(Total Radiated Power, TRP)、峰值有效無方向性敏感度(Peak Effective Isotropic Sensitivity, Peak EIS)。 對於5G高頻毫米波的RF測試方法，OTA測量的方式將是驗證手持行動裝置產品在高頻毫米波的唯一測試方法，主要原因是因為頻率太高時RF的元件太小(幾乎與RF接頭的大小相同)，傳導測試(Conducted Test)在量測結果會造成很大的量測不確定性。 目前被國際標準組織允許使用的毫米波OTA測試方法有直接遠場(Direct Far Field, DFF)、間接遠場(Indirect Far Field, IFF)、近場轉換到遠場(Near Field to...

無線裝置數量與其消耗的資料量，每年都以等比級數增加(年複合成長率為 53%)。無線裝置創造並消耗資料的同時，連接這些裝置的無線通訊基礎設施也必須隨之演進，才能滿足成長的需求。3GPP所定義的三種高階5G使用案例，其目標是隨時隨地提供可用的行動寬頻資料；然而，僅僅提升4G架構網路的頻譜效率，並不足以提供所需資料速率的步進函式。有鑑於此，研究人員正在研究像毫米波這類更高的頻率，希望得到可行的解決方案。早期在通道探測作業得到正面的結果，使得世界各地的無線標準化組織皆重新調整研究重點，以了解新一代5G無線系統如何整合並運用這些新的頻率與較高的頻寬。 各個使用案例都是針對未來的無線標準所設計，藉此讓這些標準針對新應用補足既有無線標準的不足之處，而各案例都需要一組不同的全新關鍵績效指標(KPI)。IMT 2020使用案例所定義的增強型行動寬頻(eMBB)，預期能達到10Gb/s的尖峰資料速率，比4G快了100倍。Shannon Hartley定理指出，容量為頻寬(即頻譜)與通道雜訊的函式，因此資料速率確實與可用的頻譜有關。由於6GHz以下的頻譜已經分配完畢，所以6GHz以上(尤其是毫米波範圍內)的頻譜，可說是因應eMBB使用案例的理想替代方案。 世界各地的電信業者為了服務客戶，已在頻譜上花費了數十億美元。拍賣訂價凸顯出頻譜這類寶貴資源的市場價值，以及供不應求的特性。開發新的頻譜讓電信業者不僅能服務更多使用者，還能提供更高效能的行動寬頻資料傳輸體驗。相較於6GHz以下的頻譜，毫米波的頻譜不僅非常充裕，而且只要稍微經過授權就能使用，因此世界各地的業者都能運用毫米波。此外，現代矽製造技術已大幅降低毫米波設備的成本，所以在價格方面，這些設備已可用於消費型電子產品。而採用毫米波所面臨的挑戰，主要在於此頻譜仍未經過完整研究，有尚待解決的技術問題。 電信業者已開始研究毫米波技術，以便評估最適合行動應用的頻率範圍。國際電信聯盟(ITU)與3GPP，已共同規劃確立5G標準的兩階段研究。第一階段研究著重於40GHz以下的頻率，以便迎合部分較急迫的商業需求。第二階段的目的是達成IMT 2020所列的KPI，並且會著重研究高達100GHz的頻率，同樣屬於毫米波的頻率範圍之內。 為統一全球的毫米波頻率標準，ITU在世界無線電通訊大會(WRC)結束後，公布了24GHz~86GHz之間的全球可用頻率建議清單(表1)。ITU提出建議不久後，美國聯邦通訊委員會(FCC)便於2015年10月21日發布了擬議規範公告(NPRM)(圖1)，針對28GHz、37GHz、39GHz與64~71GHz頻帶，提出靈活的新服務規則。 圖1　擬議為行動用途的FCC頻帶 28/39/72GHz脫穎而出 目前適用於5G的毫米波頻率選項也逐漸浮上檯面：28GHz、39GHz與72GHz。這三種頻帶能脫穎而出的原因有很多。 首先，不像60GHz必須承受約20dB/km的氧氣吸收損失，這三種頻率的氧氣吸收率遠低於此數值(圖2)，因此較適合長距離通訊。這些頻率也能在多路徑環境中順利運作，並且能用於非可視判讀(NLoS)通訊。透過高定向天線搭配波束賦形與波束追蹤功能，毫米波便能提供穩定且高度安全的連結。 圖2　毫米波頻率範圍的大氣吸收率(以dB/km為單位) 28GHz頻段進展快 如上所述，電信業者都急切想要取得未分配的大量毫米波頻譜；而毫米波頻譜會使用哪些頻率，這些業者將是深具影響力的關鍵要角。在2015年2月，三星(Samsung)執行了自己的通道量測，並發現28GHz的頻率可用於手機通訊。這些量測結果，驗證了都市環境中預期會發生的路徑損耗(非可視判讀(NLoS)連結中的路徑損耗指數為3.53)，三星宣稱，此數據指出毫米波通訊連結可支援200公尺以上距離。該研究還包含相位陣列天線的運用。三星也開始相關設計，以便讓手機能夠容納精密的陣列天線。在日本，NTT Docomo與Nokia、三星、Ericsson、Huawei、Fujitsu合作，針對28GHz(以及其他頻率)順利完成現場測試。 73GHz頻段可用連續頻寬廣 在28GHz相關研究展開的同時，E頻帶也引起了行動通訊領域的注意。73GHz就是另一種備受矚目的毫米波頻率。Nokia運用了紐約大學的73GHz通道量測結果，開始研究此頻率。在2014年的NI Week年會上，Nokia透過NI原型製作硬體，展示了他們第一個73GHz空中傳輸(OTA)技術。這套系統隨著研究進行不斷演進，並持續透過公開示範來展示新的技術成就。在2015年的行動世界會議(MWC)上，這套原型驗證系統已能藉由透鏡天線與光束追蹤技術，執行每秒超過2Gbps的資料傳輸。此系統的MIMO版本，則在布魯克林5G高峰會議上展出，可執行高達10Gbps的資料傳輸；而在不到一年後的行動世界會議上，這套原型展示了雙向空中傳輸連結，傳輸速率超過14Gbps。 在2016年的行動世界會議上，Nokia不是唯一進行73GHz技術示範的廠商；Huewei與Deutsche Telekom也一同展示了可於73GHz運作的原型。這項示範採用多使用者(MU)MIMO，展示了高頻譜效率，以及針對個別使用者超過20Gbps傳輸率的潛力。 其中一項可用以區分73GHz與28GHz、39GHz的特性，是可用連續頻寬。73GHz中有2GHz的連續頻寬可用於行動通訊，是擬議頻率頻譜中範圍最廣的。相較之下，28GHz僅提供850MHz的頻寬；而在美國，39GHz附近就有兩個頻帶提供1.6GHz與1.4GHz頻寬。此外，如Shannon定理所述，更高的頻寬便代表更高的資料傳輸量；因此與其他上述頻率相比，73GHz具備了強大優勢，是毫米波中一種重要的頻率。 38GHz用途廣　納入5G標準成挑戰 雖然目前38GHz的公開研究資料最少，但仍有機會成為5G標準的一部分。ITU已將38GHz列於全球可用頻率清單，而且根據紐約大學的研究，已有通道資料可證明其為可用的毫米波頻率。相較於28GHz或73GHz，38GHz有更多現有用途，因此要將其納入5G標準，將是一項挑戰。FCC已針對可能的行動應用擬議頻譜，以便加速美國未來針對此頻帶的研究。 建立毫米波原型　促進mmWave技術推廣 由於毫米波通道的基本屬性與目前的手機模型不同，而且未知事項較多，因此研究人員必須開發新的技術、演算法與通訊協定，才能充分發揮mmWave在5G領域的潛力。建立毫米波原型(mmWave Prototype)非常重要，尤其是在早期階段。由於僅靠模擬是無法展示毫米波技術或概念的可行性，所以必須建立毫米波原型。毫米波原型能夠在多種情境下，透過Real-Time的空中傳輸方式執行通訊作業，可以藉此解開毫米波通道的秘密，並且促進毫米波技術的應用與推廣。 要建立完整毫米波通訊原型時會面臨多個難題。假設有一個可處理多重GHz訊號的基頻子系統。目前多數的LTE實作皆使用10MHz通道(最高20MHz)，且運算量隨著頻寬線性增加。換句話說，運算能力須提升100倍以上才能滿足5G資料速率的需求。此外，毫米波原型製作須用到FPGA，才能執行毫米波系統的實體層運算。 要針對毫米波應用建立原型製作的客製硬體是相當困難的任務。由於毫米波頻率具備大量的連續頻寬，因此非常適用於通訊作業。要找到具備1~2GHz頻寬(此為5G應用所需)的現成硬體傳輸器或接收器，成本相當高昂；在某些頻率下，甚至無法找到符合這項條件的儀器。就算真的找到了這種硬體，其設定並處理原始資料的能力也有限，甚至可能毫無處理能力。因此，設計客製的FPGA處理機板，便成為深具吸引力的選擇。設計FPGA機板硬體的時間或許不需要很久，但如果還要開發與其通訊的軟體介面，就算是最有經驗的工程師，也可能需要一年(甚至更久)才能完成，這還只是毫米波原型驗證系統的一部分而已。 除了FPGA機板之外，mmWave原型驗證系統需要運用最先進的DAC與ADC才能擷取1~2GHz之間的頻寬。目前市面上，有部分RFIC具備可於基頻與毫米波頻率之間轉換的晶片，但這些產品選擇有限，且大多僅能用於60GHz頻帶。IF與RF階段可做為RFIC的替代方案，工程師一旦有了基頻與IF解決方案，供應商便能針對毫米波無線電站，提供更多基頻RFIC以外的選擇，但是選擇依然不多。開發毫米波無線電站，需要RF與微波設計的專業技術，這與開發FPGA機板所需的技術完全不同，因此團隊必須具備多種專業，才能開發出所有必要的硬體。FPGA是毫米波基頻原型驗證系統的核心元件，而要設計出能處理多重GHz通道的多重FPGA系統，將使系統更加複雜。舉例說明，為了滿足服務供應商與通訊研究人員在系統複雜度與軟體的需求，量測儀系統廠商NI提供一組可設定的毫米波原型製作硬體，以及附有原始碼的毫米波實體層，其囊括毫米波系統基頻的基本特性，並為橫跨多個FPGA的資料遷移與處理作業提供抽象化功能，簡化工作的複雜度。這些工具都是為了將新的毫米波原型整合到系統與產品內所設計，並對5G技術開發有重大影響。 為了滿足資料傳輸量的需求，使用24GHz以上的大量連續頻寬將成必要；而研究人員也已透過原型製作，展示毫米波技術可達到14Gbps以上的傳輸速率。現在尚待解決的最大問題是，行動通訊要使用哪個毫米波頻帶。ITU或許能提供助力，為5G的行動應用設置一個頻率。而開發成本的降低，以及只在手機上使用一組(而非多個)矽晶片的技術，是當前手機普及全球的關鍵原因，手機製造商與消費者也受惠於此。然而，要重新分配現有頻率，所費不貲。找到一個全球都同意使用的頻帶，是值得奮鬥的目標，但最終也可能無法達成。由於時程緊迫，各地的服務供應商選擇忽視ITU的建議，並選擇那些雖然不是全球通用，但現在就能使用的頻譜。這些服務供應商也發揮自身能力的優勢，透過現場測試製作雙向通訊連結的原型(5G開發的關鍵部分)，進而讓研究人員展示這項新技術，並用更快的速度將新技術標準化。 儘管仍有許多未知的部分，未來一定會布署毫米波技術，且會以很快的速度執行。新一代的無線通訊即將登場，而全世界都在關注並觀察未來毫米波技術的應用方式。 (本文作者任職於NI)

5G技術的宗旨是實現更快、更可靠的行動通訊。為了實現行動寬頻通訊，5G使用現有技術和新技術來達到極高的傳輸速率。然而，這些技術帶來新的測試需求，包括毫米波頻率測試、更寬的通道頻寬和複雜的多天線配置。 基地台和行動終端發射器和接收器的測試從模擬5G New Radio(NR)標準相符訊號開始。為了準確模擬訊號，測試設備必須支援通道編碼和多天線，並且必須允許以多種組合操作各種訊號參數支援複雜的測試設定。此外，需要計量等級的參考訊號，才能看到真正的待測裝置特性。強固的測試系統能產生支援各種測試情境的測試訊號，從元件特性分析、設計驗證、初期認證到大量生產測試。本文將探討如何成功產生5G NR測試訊號，並加速完成5G NR設計驗證。 簡化5G測試波形產生　加速NR設計驗證 3GPP規定用戶端設備(UE)和基地台(gNB)的5G NR測試要求。表1說明UE和gNB最低測試要求和相符性測試的技術規格(TS)。相符性測試文件規定了量測程序。測試方法包括執行測試、輻射測試或各種頻率範圍的混合測試。 每個文件指定發射器特性、接收器特性和效能測試要求。另外，第一部分為傳導測試，第二部分為輻射測試。第三部分用於NR UE在頻率範圍1(sub-6GHz)和頻率範圍2(毫米波頻率)互通，或NR和LTE之間的互通。 為執行相符性測試，3GPP指定測試案例所需的測試訊號。例如，3GPP定義了用於5G NR gNB發射器測試的測試模型(TM)和TS 38.141的5G NR gNB接收器測試的固定參考通道(FRC)。 為測試設定的實體通道需基於規格，包括邏輯通道、資源分配、酬載資料、頻寬元件、控制資源集合、基地台特定設定和RF參數。每個測試訊號有超過50個，有相關的頻寬和參數集(子載波間隔)的可調參數。支援預先定義、基於標準相符性測試設定的測試設備可以節省設定時間，確信量測符合標準。 圖1顯示FR1的5G NR TM1.1。整個無線電框架的圖形顯示位於左下角。x軸表示基於當前參數集的空隙，y軸表示資源區塊(RB)的值。大面積A區塊表示下行鏈路共享通道(DL-SCH)，左下A區塊上的直線條表示下行鏈路控制訊息(DCI)。詳細的RB映射在右下角，包括小區塊B的解調變參考訊號(DMRS)和A的物理下行鏈路共享通道(PDSCH)。預先配置的設定可幫助產生符合3GPP 5G NR標準的訊號，以便如右上角所示，快速輕鬆地測試gNB、UE發射器和接收器。 圖1　用於5G NR，配備N7631C Signal Studio的5G NR TM配置 圖2說明用於gNB接收器測試的上行鏈路FRC，使用預先配置工具，測試工程師可簡單地選擇測試類型，如接收器靈敏度和通道內靈敏度，或特定測試案例的動態範圍，然後選擇具有指定子載波間隔的FRC、資源區塊數量、調變編碼機制和編碼速率。 圖2　PathWave 5G NR訊號產生嵌入式使用者介面的5G NR...

能夠直接合成無線電頻率範圍內訊號的轉換器(RF轉換器)已然成熟，傳統無線電設計並將因此而產生變革。基於能夠數位化並合成高達2GHz~3GHz的瞬時訊號頻寬，RF轉換器現在可以實現真正寬頻無線電，無線電設計人員得以大幅簡化硬體設計，並且提供良好支援軟體可重複配置的能力，這對於以往無線電設計來說是不可能實現的。本文將探討RF轉換器技術的進步如何使得新型資料擷取系統和寬頻無線電成為可能，並討論軟體配置的可行性。 每位無線電設計人員都須面對一個設計取捨的問題，亦即須要權衡訊號頻寬內的性能與功耗。無線電設計人員如何滿足這一項約束，決定了無線電的尺寸和重量，並從根本上影響了無線電的位置，包括建築物、塔台、電線桿、地下車輛、包裹、口袋、耳朵或眼鏡等。每個無線電位置都有一個與其位置相稱的可用功率量。例如，建築物或塔台上的可用功率很可能高於口袋中的智慧型手機或耳內的藍牙耳機所提供的功率。所有情況下都存在一個基本事實：無線電需要的功率越小，單位功率所能支援的吞吐量越大，則無線電尺寸越小，重量越輕。這影響甚大，是通訊電子產業中許多創新背後的推動力。 半導體公司將更多的功能和更高的性能整合到相同或更小尺寸的元件中，使用此類元件的設備得以實現更小、更多功能或更輕(某些情況下這三者都能獲得實現)的承諾。設備越小、越輕、功能越多則越好，這樣就可以將設備放置在以前由於其他約束而不能放的位置。例如，原先需要建築物，現在由於占地面積減小，設備可以放在塔台上；原先放在塔台上的無線電單元，如果重量夠輕，就可以縮小成放在電線柱上的單元；原先因為較重而須要車輛攜帶的單元，現在則可以放在一個背包中。 今日的環境充斥著各種須要放在建築物、塔台、柱子和車輛上的傳統裝置。出於世界各地人們彼此互聯的需求，工程師們利用當時可用的元件設計設備以因應各種挑戰，這才造就了今天通訊無處不在的環境。人們可以隨時隨地透過多種不同網路(包括行動網路、無線區域網、特設短距離無線網路等)進行通話、發簡訊、即時通訊、傳照片、下載、上傳和瀏覽。所有這些都連接到寬頻有線網路上，而數據由RF電纜傳輸，最終透過光纖傳輸。 數據傳輸需求高　更大頻寬成趨勢 多項研究顯示，對數據的需求預計會在未來十年持續成長。其驅動力是人們對數據更豐富的內容似乎無止境需求，因而需要更寬的頻寬。例如，有線電視和光纖到戶營運商通過提供更高速度的連接和更多高畫質電視頻道，不斷在家庭寬頻服務方面展開競爭。超高畫質(UHD或4K解析度)電視需要的容量是高畫質的兩倍以上，通道頻寬需求超過目前使用的頻寬(圖1)。 圖1　RF轉換器支援寬頻無線電提供視訊流和遊戲等需大量數據的服務。 此外，包括虛擬實境(VR)在內的沉浸式影片，以及具有多維自由度的遊戲和3D效果(180Ｏ或全景視覺等)，全部使用4K超高畫質電視，每用戶需要高達1Gb的頻寬，這遠遠超出了簡單的4K UHD電視廣播和串流媒體已然很嚴苛的要求。線上遊戲須要網路提供對應的數據頻寬，因為延遲時間至關重要，這推動了更寬頻寬上行傳輸能力的發展。這種對更寬上行能力的需求，反過來又促使設備製造商升級其設計，以實現對應的大頻寬傳輸。 提供大動態訊號輸出　RF轉換器效率高 目前RF轉換器強大的功能對於推動傳輸如此豐富視訊內容的進步至關重要。必須能夠提供大動態訊號的輸出，同時要求具有優秀的雜散性能，從而支援使用256-QAM、1024-QAM和4k-QAM等更高階的調變方案。已安裝的同軸電纜設備和分配放大器具有1.2GHz~1.7GHz的有限頻寬，為了提高每個通道的頻譜效率，必須使用上述更高階的調變方法。前端傳輸設備的更高性能可延長已安裝設備群的使用壽命，緩解資本預算限制，以及支援向多家服務營運供應商(MSO)提供更長時間窗口，來升級其設備和傳輸系統。  隨著整合的功能越來越多，如今的智慧型手機與傳統手機已相去甚遠。許多功能都有與之相關聯的無線電，因此，當前的行動裝置中可能有5~7個甚至更多的頻段。生產智慧型手機時，每種無線電都必須進行測試，這為多模式通訊測試儀製造商帶來了新的挑戰。 儘管測試量隨著無線電數量的增加而增加，但仍須要快速測試以降低測試成本。考慮到測試儀的尺寸和成本，為行動裝置中的每個無線電構建不同的無線電硬體變得不切實際。隨著更多的頻段開放或被提議用於行動服務，測試行動裝置中越來越多的無線電所帶來之挑戰，難度更在提高中。 RF轉換器可以良好地因應此一挑戰。無論是發射器還是接收器，RF轉換器均能提供傳統無線電無法實現的彈性。寬頻RF轉換器可以同時捕捉並直接合成每個頻段中的訊號，從而支援同時測試行動裝置中的多個無線電。利用RF DAC和RF ADC內建的通道選擇器，多個無線電訊號可以在轉換器中得到高效處理。例如，圖2中顯示每個RF DAC有3個子通道處理單元，可以將三個頻段不同的訊號合路，然後利用數位控制振盪器(NCO)進行數位上變頻，再由RF DAC轉換為RF訊號。 圖2　具備通道選擇器的RF DAC處理訊號效能更高。 在其他市場領域中，例如針對航太和安防市場的測試設備，對用於脈衝雷達和軍用通訊的寬頻測試解決方案的需求日益增加。由於須要測試的雷達、電子情報、電子戰設備和通訊設備的數量與類型眾多，測試設備製造商必須製造出一種具有豐富特性組合的靈活儀器(圖3)。例如，任意波形發生器必須能夠創建各種訊號，包括線性頻率調變脈衝訊號、相位相干訊號以及各種輸出頻率和頻寬的調變訊號。測量設備必須同樣強大，以便在測試激勵器或發射器時能接收這些訊號。RF轉換器支援直接RF合成和RF頻率下的測量，可以良好地服務於此類應用。 圖3　RF轉換器驅動的軟體定義無線電支援跨平台互連通訊。 在某些情況下，這可以消除上變頻或下變頻的需求，而在其他情況下，減少變頻次數。硬體得以簡化，尺寸、重量和功耗要求得以降低。增加通道選擇器、內插器、NCO和合成器等數位特性，可在專用低功耗CMOS技術上實現高效訊號處理。 RF轉換器簡化無線電架構 RF轉換器是軟體定義無線電的關鍵因素之一。RF轉換器能夠直接合成和捕獲幾個GHz頻寬內的無線電頻率，以數位方式實現上變頻或下變頻功能，這樣將不再需要整個上變頻或下變頻級，使得無線電架構得以簡化。去掉類比變頻級和相關混頻器、LO合成器、濾波器，可減小無線電的尺寸、重量和功耗(SWaP)，使無線電能夠適應更多的應用場景，並可使用更小的電源供電。這種技術使得無線電可以更小巧輕便，足以手持、車載或安裝在飛機、直升機、無人機(UAV)等各種機載資產中。 除了實現更好的跨平台通訊之外，利用RF轉換器構建的無線電硬體還有支援多功能、多模和多頻的潛力。RF轉換器現在能夠達到較低的雷達頻段，在不久的將來會達到較高的頻段，因此單台設備既可用作雷達也可用作戰術通訊鏈路的概念有望變成現實。如此的設備在現場維修、升級、採購程序和成本方面具有明顯的優勢。 直接合成和捕捉雷達頻率的能力使得RF轉換器非常適合相位陣列雷達系統。直接RF轉換器合成和捕捉可減少非常多的傳統無線電硬體，使單個訊號鏈更小更輕。如此便能將很多這種無線電整合在一個更小的空間中。適合船載的陣列或地面相位控列，以及用於訊號情報操作的較小陣列和單元，可以實現更小的SWaP。 CMOS技術提升速度/精度 RF轉換器得以成功，其關鍵技術進步之一是持續微縮製程的CMOS技術。隨著基本CMOS晶體管的閘極長度和特徵尺寸變小，數位閘極電路變得更快、更小且功耗更低。 這使得具有合理功耗和面積的RF轉換器可以將大量數位訊號處理功能整合到晶片上。容納數位通道選擇器、調變器和軟體可編程濾波器，對於構建高效靈活的無線電來講非常重要。 這種更高效的DSP也為利用數位處理來幫助糾正轉換器中的類比缺陷打開了大門。在類比方面，每個新節點都提供速度更快的電晶體，其單位面積的匹配性能也更好。這些改良，對於實現速度更快的高精度轉換器至關重要。單靠製程技術的進步仍然是不夠的，還有一些重要的架構改良使得RF轉換器成為可能。RF DAC的首選架構是電流導引DAC架構。此類DAC的性能取決於構成DAC的電流源的匹配。未經校準的電流源匹配，其與電流源面積的平方根成正比。單位面積的匹配隨著技術節點的升級而改善。 但是，對於高解析度轉換器而言，即便是最先進的節點且隨機失配足夠低，其電流源也會非常大。這種大電流源會使轉換器變大，更糟糕的是，大電流源的寄生電容會降低DAC的高頻性能。 更有吸引力的解決方案是校準較小電流源以達到所需的匹配水平。如此將能顯著降低來自電流源的附加寄生效應，實現所需的線性度性能而不損害高頻性能。如果正確執行，這種校準可以在整個溫度範圍內保持高度穩定，並且校準可以一次完成。穩定的一次性校準意味著不需要在後台定期運行校準，藉此節省運行功耗，並減輕因後台運行校準而產生雜散產物的問題。 還有一個幫助超高速轉換器達到性能指標的架構選擇，那就是用於導引DAC電流的切換開關架構選擇。傳統的雙切換開關結構(圖4)在以非常高的速度運行時存在幾個缺點。 圖4　雙開關DAC單元在高速時可能導製輸出失真。 驅動到雙路切換開關的數據可以在一個到多個時脈週期內保持不變，因此尾節點的建立時間依賴於數據。如果時脈速率足夠慢，使得此節點可以在一個時脈週期內建立，那麼這不成問題。但在非常高的速率下，此節點在一個時脈週期內無法完全建立，依賴於數據的建立時間將會導致DAC輸出失真。 如果使用四路開關(圖5)，數據訊號就會全部歸零。這導致尾節點電壓與數據輸入無關，從而緩解上述問題。四路開關還允許DAC數據在時脈的兩個邊緣上更新。利用此特性可有效地使DAC採樣速率加倍，而時脈頻率毋須倍增。 圖5　四切換開關DAC單元結合CMOS製程可設計出具動態範圍更大之高速採樣DAC。 寬頻DAC結合輔助DSP　無線電發射器更靈活 採用精心設計的電流源校準算法和四切換開關電流導引單元，結合當今的細線CMOS製程，可設計出具有卓越動態範圍之高速採樣DAC。這樣就能在很寬廣的頻率範圍內合成高品質的訊號。當這種寬頻DAC與輔助DSP相結合時，它變成一個非常靈活的高性能無線電發射器，經過配置，則可為本文前面提到的所有不同應用提供訊號。 當今的RF轉換器已經促使無線電架構設計發生了根本性的改變，而在未來，它將引發更大的改變。隨著製程技術的不斷進步和RF轉換器設計的進一步優化，RF轉換器對無線電功耗和尺寸的影響將繼續縮小。這些技術進步來的正是時候，其強而有力地推動了新一代無線電，例如新興5G無線基地台應用(如大規模MIMO)，以及大規模相位陣列雷達和波束成形應用。 深次微米光刻技術將使得更多數位電路能夠放置在RF轉換器晶片上，從而整合需要大量運算的關鍵功能，如數位預失真(DPD)和削峰(CFR)算法等，這有助於提高功率放大器效率並顯著減少系統整體功耗。這種整合，將減輕對高能耗FPGA邏輯的壓力，進而也將相關功能轉移到功耗較低的專用邏輯中。其他可能性包括將RF轉換器及其數位引擎與RF、微波或毫米波類比元件整合在一起，進一步縮小尺寸並簡化無線電設計，為無線電設計提供位元至天線的系統級方法。由於有了RF轉換器，各種各樣的機遇並將隨之迸發出來。RF轉換器是助力超越一切可能的技術。 (本文作者為ADI高速產品部系統應用工程師及設計工程師)

使用者想要的是真正「智慧」和安全的技術，他們希望智慧產品可以自行學會使用者的喜好，且能在幾乎不需要使用者輸入的情況下控制家居功能。而配備了感測器並連結至雲端應用程式，智慧家庭中的系統，包括照明、空調、門窗以及家電等，可以對環境和系統功能施行更佳的本地控制，並且根據不同使用者的需求和喜好，以個人化和自動化的方式做出回應。 關於智慧家庭的自我學習技術，現今最為人熟知的範例當屬Nest Learning Thermostat設備，針對「智慧」產品如何學習及根據使用者愛好進行調整，這個設備提供了一種模式。 就智慧家庭技術而言，比起越來越多的遙控技術，這樣的願景更具吸引力，且由於感測器晶片(半導體)技術的新發展，愈來愈多的智慧家庭操作能以自動且智慧的方式進行控制，毋須增加任何新機盒、控制器或設備；而做為消費性產品感測器晶片的製造商，對於智慧家庭技術的未來，以及感測器在未來智慧家庭中的建置使用，半導體晶片商提出獨到的見解。 感測器效能持續提升讓居家生活更舒適 過去50年以來，半導體產業在愈來愈小的空間內實現了愈來愈多的功能，同時還能不斷降低成本，這是多麼了不起的成就。只要是曾經使用不同世代的個人電腦或手機的人，就曾經歷過這樣的歷程(圖1)。 圖1　製造於1980年代初的Osbourne Executive工作電腦，旁邊是Apple iPhone手機，這款手機的運算能力是舊電腦的500倍左右，記憶體容量大了16,000倍。 相同的力量影響著半導體產業的每個部分，包括用於智慧家庭的感測器晶片。今天的感測器比以前更小、更準確，而且內部存在更多智慧功能。 舉例來說，ams旗下的ENS210環境感測器，能夠測量溫度和相對濕度，然而該產品是一個尺寸僅為2mm×2mm的小晶片。同樣的，大小僅3mm×4mm的氣體感測器CCS811，則能夠藉由揮發性有機化合物的相對濃度來測量空氣品質(圖2)，而整合了智慧照明管理晶片的完整色彩感測器尺寸僅為4.5mm×4.7mm。 圖2　CCS811空氣品質感測器(如右圖電路板上所示)的占板面積僅12mm2。 最左邊的銀色元件是標準USB連接器。 圖片來源：ams 如果嵌入在居家產品中，這些感測器所能控制的居家操作將多於現在能做到的部分。在今日，許多家庭的居家自動冷暖空調控制受限於一個位於單一位置的溫度感測器(恆溫器)。然而，人們的舒適感受不是僅由溫度決定，濕度和室內空氣品質(包括空氣是否新鮮)等其他因素也會產生很大的影響。不同的人有不同的需求或喜好，所以要讓家裡每個人都感覺居家更為舒適，較有效率的方式是能夠針對每一個房間單獨改變每一項因子的設定。 小型/低成本感測器實現智慧生活 在Nest Learning Thermostat產品中，隨著時間進展，控制設定變得更為自動化和個性化，顧名思義，恆溫器會「學習」(圖3)。恆溫器之所以能做到這一點，是因為它與雲端運作的強大Nest軟體演算法之間以網際網路連結。同樣的，來自家中各處的環境感測器的輸出，可以通過寬頻路由器饋送至雲端應用程式，如此一來，每個房間的感測器陣列都可以持續「學習」每一使用者的愛好。 圖3　Nest學習型智慧恆溫(Nest Learning Thermostat)控制器。 智慧冷暖空調系統可使得兒童臥室的空氣更涼爽、更乾燥，在此同時，同住一屋的年邁祖父母所在的電視室，則能變得更加溫暖和潮濕。使用者攜帶的智慧型手機加上遍布家中的位置追蹤信標(Beacan)，這樣的組合可以偵測誰在哪個空間中。現今在最新的智慧型手機中看到的臉部或語音辨識技術等，將來也可以被做為自動偵測每一空間的使用者身份的方法。 家庭感測器連結雲端還能以不同方式獲得好處。例如，Google Assistant和Apple Siri虛擬個人助理能夠透過強大的雲端運算執行其聰明的自然語言功能。這些助手提供的語音控制已用於家庭設備，例如調暗燈光或升高溫度等。ams等製造商也參與其中，提供的技術能可靠地偵測使用者的語音指令，以進行複雜、微小的音頻感測。 使得家居生活更便利的技術不僅語音一種。想像一下，揮動雙手就能開關或調暗燈光：執行接近感測的同類型紅外線光感測器(當手機靠近使用者臉部時，手機螢幕就會關閉)，或是當手勢辨識軟體支援時，相機自動聚焦功能還能用於識別手勢。 智慧照明將扮演感測中樞角色 因此，新型感測器可以使智慧家庭成為一個更舒適和便利的處所，更有利於健康的生活方式。這些感測器非常小，所以幾乎適用於現有任何類型的家用裝置或設備，而恆溫器是顯而易見的選項。然而，或許更有可能的是，新一代智慧照明將成為新型態智慧家庭的「聯網感測器中樞」。聯網照明在這個角色中有三大優勢： ．它們已連結至連續電力，所以不須擔心已放電電池的更換。 ．它們有清楚的視野。針對空氣，能感測氣體、溫度和濕度；針對人們，可以感測存在、手勢和語音。 ．它們具有內建連網和智慧，可以輕鬆支援增加的感測功能，而不是在多個離散感測器模組中複製網路和微處理器功能。 因此，未來的智慧照明將會明顯的角色定位，也就是成為未來的環境感知數位智慧家庭的新樞紐，為每個空間內的每一使用者提供個性化的自動化舒適和便利設定。 這個角色由智慧感測器支援，例如ams的AS722x智慧照明管理系列，像是AS7221是晶片上的可調白光照明系統控制器，它可以支援簡單的網路介面，如Wi-Fi、Zigbee、藍牙網狀網路和其他網路，處理0~10V調光訊號，並可以承載上述位於同一燈具中的ams ENS210和CCS811等環境感測器。網路連結提供了到雲端的鏈接，其中複雜的應用程式可以根據多個感測器輸入做出決策，並將這些輸入轉發到適當的設備，例如冷暖空調和照明。針對照明部分，AS7221內部的嵌入式智慧將自動執行所需的調整以符合雲端指令的訴求。 現今已有元件能為智慧家庭提供新的聯網感測功能。使用者、安裝商和承包商還可以期待在不久的將來，能夠看到照明和其他類型設備的製造商推出更具智慧的產品版本，而這些產品皆整合了新的感測功能。 (本文作者任職於ams)

如何照護及關懷家中老人，尤其是居家的高齡長者因跌倒延誤就醫導致更多危險之相關議題，又近年來許多長者，因家屬需外出工作而導致無法及時去關懷或照顧年長者，亦無法瞭解長者在生活起居上是否有危險或意外的發生，因此本產品結合了「偵測撞擊」與「雲端紀錄」等功能，當長者跌倒摔跤或有意外的發生時，可立刻告知家屬或救援者以給予協助。 本產品擁有的功能有：具偵測撞擊功能、具警示功能、具LED警示功能、具手機自動撥打電話功能、具手動求救按鈕功能、具手機自動寄出求救簡訊功能、具手動解除警報按鈕功能、具偵測撞擊部位(頭部)功能、具偵測流血部位(頭部)功能、具雲端紀錄功能以及具防撞功能。 另外，本產品的創新性在於，當長者在家中或任何地方摔跤跌倒時，裝置偵測到長者頭部受到衝擊，將會觸發裝置上的警報音效以及亮起警示LED燈，使救援者能迅速找到長者跌倒的位置，給予長者更快速、更便利的救援，同時手機也會寄出求救訊息，訊息也將會上傳至雲端紀錄，如此一來可以避免長者跌倒時，無人能協助，錯過黃金救援時間。 另外，雲端可提供救援者及照顧者查詢紀錄，避免長者輕微跌倒時，無人知曉，則裝置上設有一個求救按鈕，當長者遇到困難或需要協助時，可按下裝置上的求救按鈕，手機將會立即撥打求救電話，尋求幫助，此求救按鈕讓長者能在遇到困難或需要協助時，在第一時間尋求救援者幫助。 護頭裝置工作原理說明 圖1所示為本作品「可偵測頭部撞擊與流血部位之護頭裝置」的完整電路圖，本作品是以盛群的HT66F70A為主要的系統核心，來控制週遭的一些方塊圖，例如敲擊模組、蜂鳴器、LED、藍牙模組、撞擊感測模組、流血感測模組、求救按鈕等元件，以完成整個系統的運作，以下所示為相關元件之控制電路。 圖1　可偵測頭部撞擊與流血部位之護頭裝置電路圖 圖2所示為本系統LED警示燈之控制電路圖，當長者跌倒頭部受到撞擊時，頭部相對應部位額頭、後腦勺、頭部左/右側的撞擊感測器會動作，若額頭的撞擊感測器動作，則系統會經由PC.0送出訊號，令用以指示後腦勺受到撞擊的LED1會閃爍。 圖2　LED警示燈之控制電路圖 同理如果頭部後腦勺/左/右側/前額的撞擊感測器動作時，則系統會經由PC.1、PC.2與PC.3送出訊號，令用以指示頭部左/右側/前額受到撞擊的 LED2~4閃爍，其目的是為了讓救援者或家人可快速的得知長輩跌倒時受傷的部位，以便進行救助。 圖3所示為本系統藍牙模組(HC-05)之控制電路，採用UART串列通訊介面，其中藍牙模組的TxD與RxD分別接至盛群HT66F70A微控制器PA.1(Rx)與PA.3(Tx)接腳，二者之間的傳輸速率為9600bps，範圍在10公尺(0dBm)到100公尺(20dBm)左右，採用每秒1,600次跳頻展頻技術。 圖3　藍牙模組之控制電路圖 在此，要將資料傳送給手機或接收來自手機的訊息之前，需先將手機與藍牙模組進行配對、手機裡的APP程式撰寫完成，配對之後只需要當成固定串列傳輸速率的序列埠一樣使用即可，因此只要是以「固定串列傳輸速率，8位元資料位元，無同位」通訊格式的序列埠設備都可以直接取代原來的有線序列埠而不須修改程式。 圖4所示為本系統蜂鳴器之控制電路圖，其中蜂鳴器為電磁式蜂鳴器，透過微控制器傳送高、低訊號至PC.5令其發出聲音，當PC.5=1時，將蜂鳴器中的金屬振動膜吸下，當PD.0=0時，蜂鳴器中的振動膜的彈力彈回，促使蜂鳴器能發出高低聲，來達到警報的音效。 圖4　蜂鳴器之控制電路圖 圖5所示為本系統敲擊模組之控制電路圖。微控制器的PD.0~3分別與四個敲擊模組的D0接腳連接在一起，當敲擊模組偵測到了撞擊時，即老人跌倒撞擊到了頭部的四個重要的部位時，相對應敲擊模組的D0接腳會輸出一低電位的訊號給微控制器，此時系統會觸發一系列的求救動作，傳訊息至手機，令手機自動撥打求救電話，將撞擊時間及資訊全數紀錄於雲端中。 圖5　敲擊模組之控制電路圖 撞擊感測器模組使用了以彈簧擺動原理設計的振動感測器，當振動能傳到彈簧末端引起共振，左右擺動碰觸到金屬外壁形成通路。由於導通時間和彈簧的剛性有關，所以該振動感測器的輸出頻寬很窄，本組使用了外部中斷功能來準確的讀取振動觸發，以利於系統偵測受到撞擊時的穩定度。 圖6所示為本系統求救按鈕與解除警報按鈕之控制電路圖，其中微控制器的PC.4與PC.6分別與KEY1與KEY2連接，當按鈕觸發時，系統將會接判斷訊號觸發的來源為何，若訊號來自PC.4=0時，將會執行求救之動作。 圖6　求救按鈕與解除警報按鈕之控制電路圖 例如：傳送訊息至手機，手機將會立即撥打求救電話，反之若是PC.6=0則進行取消警報及求救訊號之動作。 有助跌倒偵測　護頭裝置具市場競爭力 此一可偵測頭部撞擊與流血部位之護頭裝置具有的功能如下所示： 1.具偵測撞擊功能：偵測長者是否摔跤或跌倒。 2.具警示功能：當觸發撞擊感測模組時，喇叭會發出警報聲。 3.具LED警示功能：當觸發撞擊感測模組時，相對應的LED警示燈會點亮。 4.具手機自動撥打電話功能：當觸發撞擊感測模組時，手機將會自動撥打119、警衛室、指定親戚或人選，以確保老人可在第一時間獲得救助。 5.具手動求救按鈕功能：按鈕安裝於太陽穴上方兩側，除了上述功能觸發外，主要用於長者還清醒時，但無法起身的狀態，按下按鈕請求幫助。 6.具手機自動寄出求救簡訊功能：當老人跌倒按下求救按鈕時，系統將會透過人的手機將求救簡訊傳送至子女、老伴或指定人選的手機。 7.具手動解除警報按鈕功能：如果長者摔倒了，但是意識清楚並且無大礙，可按下裝置上的手動解除鈕，以解除警報聲。 8.具偵測撞擊部位(頭部)功能：當長者摔到固定部位，將會亮起該部位的LED，例如:前額、後腦杓、右側頭部、左側頭部。 9.具偵測流血部位(頭部)功能：當偵測到長者流血時，將會亮起該部位LED燈，例如：前額、後腦杓、右側頭部、左側頭部。 10.具雲端紀錄功能：當偵測到長者摔跤或跌倒時，相關訊息會上傳至雲端，讓出門在外面或工作的子女可隨時從雲端得知長輩的狀況。 11.具防撞功能：該裝置內外將會填充防撞棉，以減少撞擊力道，保護頭部。 由於台灣漸漸邁入高齡化的時代，長照與長者們的照護，必須日益進步。雖說市面上有許多關懷與保護老人的設備與裝置，例如血壓計、溫度計與站立式手杖等，但這些設備多有助於長者平時的健康，但在老人跌倒時就幫助有限了。 本產品的優點是當老人在浴室、客廳或房間跌倒時，系統會立即發出警報聲與相關訊息至家人手機，以提醒家人長輩跌倒了，同時也會立即撥打電話給家人或指定的人，讓家屬可立即得知長輩跌倒了，需給予即時的幫助與處理。由於本作品的成本不高、易於操作與使用且擁有諸多益於老人的功能，所以是極具市場競爭力的。 以MCU為核心實現護頭應用 圖7所示為本作品的系統架構方塊圖，是以盛群的HT66F70A為主要的系統核心，來控制週遭的一些方塊圖，例如敲擊模組、蜂鳴器、LED、藍牙模組、撞擊感測模組、流血感測模組、求救按鈕等元件，以完成整個系統的運作。 圖7　可偵測頭部撞擊與流血部位之護頭裝置方塊圖 該產品的動作描述如下。當啟動後，系統會自動偵測裝置上的撞擊感測器，當偵測到長者頭部受到衝擊，將會觸發警報音效以及亮起警示LED燈，使救援者能迅速找到長者頭部撞擊到的位置，給予長者更快速、更便利的救援，同時手機也會寄出求救訊息。 在寄出求救訊息前，該產品設置了10秒鐘，防止誤觸時送出求救訊息，另外在裝置上也設置一個求救按鈕，當長者遇到困難，可按下裝置上的求救按鈕，手機將會立即撥打求救電話，尋求幫助，上述情況皆會記錄在雲端，以提供救援者及照顧者查詢紀錄。 (本文作者皆為台北城市科技大學學生；指導老師為劉銘中教授)

LLC諧振轉換器就是一種軟開關拓撲，讓主功率開關管零電壓切換，顯著降低切換器之損耗，大幅提升電源效能。在這種拓撲中，為了達到ZVS狀態，功率切換器的寄生二極體必須反向恢復時間非常短。如果本體二極體不能恢復全部載流子，則在負載從低到高的變化過程中，可能會發生硬開關操作，並可能導致寄生雙極電晶體導通。 減少元件數量/尺寸功率滿足密度需求 在電信設備電源、大型電腦/伺服器、電焊機、鋼材切割機等消費性應用市場上，對功率密度的需求每年都在成長。要想提升功率密度，就必須減少元件數量，降低功率損耗，縮減散熱器和被動元件的尺寸。目前，硬開關半橋是這些應用的典型拓撲，而LLC諧振半橋則是新興的替代方案。LLC拓撲能確保導通前切換器的電壓為零(或者關斷期間切換器電流為零)，進而消除每次切換時因電流和電壓交疊而導致的功率損耗。 在高頻應用中採用這種切換技術同樣可以降低切換器的損耗，進而有助於縮減被動元件的尺寸。顯而易見，切換功率損耗降低為在應用設計中選用尺寸更小的散熱器提供了可能。零電壓條件發生是MOSFET寄生二極體導通所致。在負載快速變化過程中，MOSFET從零電壓切換至零電流切換器，在這種情況下，高dv/dt值可使寄生雙極電晶體導通並燒毀MOSFET。 LLC拓撲簡介 LLC拓撲的基本半橋電路是由兩個切散器所組成，高邊切換器(Q1)和低邊切換器(Q2)透過電感Lr和電容Cr與變壓器相連(圖1)。切換器與寄生二極體(D1和D2)和寄生輸出電容(C1和C2)並聯，為了闡述其在全域功能中的作用，我們在圖中將它們單獨標註出來。在圖1中，我們注意到多出一個Lm電感，實際上，Lm是變壓器漏電感，其規則在LLC拓撲中非常重要。 圖1　LLC半橋電路 如果變壓器原邊電感Lm值很大，不會影響諧振網路，則圖1所示的轉換器就是一個串聯諧振轉換器。 在一個諧振單元中，當輸入訊號頻率(fi)等於諧振頻率(fr)時，即當LC阻抗為零時，增益最大。諧振轉換器工作頻率範圍是由兩個特定的諧振頻率值界定，這些頻率值與電路有關。驅動控制器設定MOSFET的開關頻率(fs)等於電路諧振頻率，以保證諧振的重要優勢。 現在我們將看到，如何透過改變負載，使諧振頻率從最小值(fr2)變為最大值(fr1)：         當時，LLC就像一個串聯的RC諧振腔；這種功能出現在高負載條件下，即當Lm與低阻抗並聯時；當時，LLC類似於並聯RC諧振腔，這功能出現在低負載條件下。系統通常不在這個區域工作，因可在ZCS條件下運行。若頻率fi在fr2<fi<fr1範圍內，則兩個功能同時存在。 如果使用圖形表示諧振元件的增益，我們就得到圖2所呈現的曲線，不難看出，圖形變化與Q值相關。 圖2　諧振頻率的變化與Q值有關 LLC諧振轉換器的工作範圍受限於峰值增益。值得注意的是，峰值電壓增益既不發生在fr1處，也不出現在fr2處。峰值增益對應的峰值增益頻率是fr2與fr1之間的最大頻率。隨著Q值減小(隨著負載減小)，峰值增益頻率移向fr2，並且獲得更高的峰值增益。隨著Q值增加(負載增加)，峰值增益頻率移向fr1，峰值增益下降。因此，滿載應該是諧振網路設計的最差工作條件。 從MOSFET角度看，如先前所述，MOSFET的軟開關是包括LLC在內的諧振轉換器的重要優點，而對於整個系統，由於輸出電流是正弦波，因此， EMI干擾降低。圖3所示是LLC轉換器的典型波形特性。 圖3　LLC轉換器的典型波形 在圖3中我們注意到，漏極電流Ids1在變正前是在負電流區擺動。負電流值表示本體二極體導通。在此階段，由於二極體上的壓降，MOSFET漏源兩極的電壓非常小。如果MOSFET在本體二極體導通期間切換，則發生ZVS切換，切換損耗降低。該特性可以縮減散熱器尺寸，提高系統效能。 如果MOSFET切換頻率fs小於fr1，功率元件上的電流形狀會改變。事實上，如果持續時間足以在輸出二極體上產生不連續的電流，則原邊電流形狀會偏離正弦波形。 此外，如果MOSFET的寄生輸出電容C1和C2與Cr的容值相當，則諧振頻率fr也會受到元件的影響。正是因為這個原因，在設計過程中，選擇Cr值大於C1和C2，可以解決這個問題，使fr值不受所用元件影響。 續流與ZVS息息相關 分析諧振頻率的方程式就會發現，在高於峰值增益頻率時，諧振網路的輸入阻抗是感抗，諧振網路的輸入電流(Ip)滯後於諧振網路的輸入電壓(Vd)。在低於峰值增益頻率時，諧振網路的輸入阻抗變為容抗，並且Ip領先Vd。在電容區運作時，本體二極體在MOSFET切換期間執行反向恢復操作。 當系統在電容區工作時，MOSFET會面臨極大的潛在失效風險；事實上，如圖4中的圓圈所示，寄生二極體的反向恢復時間變得非常重要。 圖4　避免潛在失效，寄生二極體的反向恢復時間相當重要。 根據這一點，在負載由低變高的過程中，驅動電路應強制MOSFET進入ZVS和正關斷電流區。如果無法保證，MOSFET的工作區可能很危險。 在低負載穩態條件下，系統工作在頻率較低的諧振頻率fr2附近，然後ZVS導通，並保證正關斷漏極電流。在負載變化(從低到高)後，接換頻率應該變成新的諧振頻率。如果沒有發生這種情況，則系統狀態經過ZCS區域和ZVS導通，正關斷漏極電流不會出現。因此，當MOSFET關斷時，電流也會流過寄生體二極體。因此，寄生體二極體的性能變得非常重要。出於這個原因，新LLC設計的趨勢是使用本體二極體恢復時間非常短的功率元件。 (本文作者任職於意法半導體)

從無線電時代最早的時候開始，就必須努力減輕那些路徑交疊並且相互碰撞到一起的各種訊號(那時是無線電訊號，現在則是無線訊號)的流量。在早些時候，汽車中並沒有很多的電子元件，而調幅廣播(AM)仍然被視為高端技術。 對於汽車工程師來說，重要的一點就是需要避免使用可能無意中產生與調幅廣播的頻率範圍(525KHz~1705KHz)相同的系統。具有「EMI特性」、在該頻率範圍內具有高發射頻率的設備會與調幅廣播的通道發生干擾，進而在無線電揚聲器上產生嘈雜的嗡嗡聲或者靜電雜訊。 汽車製造商長期以來一直面臨著EMI上的問題，並且，隨著車輛導入越來越多的電子設備，包括GPS、Wi-Fi、藍牙、資訊娛樂系統、調幅/調頻/衛星廣播、功率逆變器、USB資料、USB充電器、無線充電器、CAN/LIN匯流排、攝影機、雷達及乙太網主幹/閘道等等，在EMI管理上出現的挑戰正在以指數方式成長。 另外還有一個事實就是，消費者也在將外部設備和可攜式裝置加入到車輛當中，那些設備的EMI特性和頻譜會發生重疊，有一定的危險，而這只會加劇對於減輕干擾的需求。 EMI易影響互聯車輛/自動駕駛安全性 隨著汽車製造商不斷開發需要最高程度的安全性與高效能的智慧車輛和自動駕駛車輛，開始將許多電氣系統和電子系統安放到汽車之類密閉的空間當中，這也意味著降低電磁干擾要比以往任何時候都還要重要。 汽車製造商必須認真細緻的確定並實施電磁相容性上的規範，從而確保電子設備相互之間不會產生干擾，否則會導致設備或系統的效能不盡如人意，或者在更惡劣的情況下產生危險的後果。 充分瞭解一個具體的汽車網路中存在的全部EMI特性以及潛在的相容性問題，並不是一件簡單的任務，而在考慮到安全性的情況下，這項工作尤其重要。比如說，收聽調幅無線電台節目時遇上雜訊形式的干擾，當然並非好事。 然而，如果一台設備造成的干擾會使汽車的轉向和制動系統的預期效能發生中斷，並且危及乘客的安全，那麼這個風險便更加值得關注了。本文將探討一些基本類型的電磁相容性(EMC)測試，以及驗證電子設備是否適合汽車應用使用的一些必需的具體測試。 降低EMI前先了解電磁波發射類型 首先，對於必須考慮並減輕的各種類型電磁波發射，我們必須要充分瞭解。電子設備會將電磁能輻射到空中，而這種能量可以劃分為有意或者是無意的。舉例來說，手機會有意的發出雜訊。分類為有意的原因在於，手機必須在空中連接到手機發射塔。由於電磁相容性的緣故，我們為有意的發射施加了功率極限和譜特性。 但是，一些電子設備也會無意的輻射出雜訊，與有意的雜訊不同的是，這類雜訊往往可以在強度上有所減低並受到控制。有很多方法可以行之有效的降低無意的輻射雜訊，包括新增金屬遮蔽、改進印刷電路板(PCB)的布局，或者策略性地加入共模扼流圈、鐵素體、電阻器和電容器等等之類的濾波裝置。 此外，電子設備在連接到設備本身的接線上可以發出稱為傳導發射的雜訊。常見的互聯接線的例子包括電力線束、USB電纜和乙太網電纜等等。在某些情況下，電纜上的傳導雜訊(傳導發射)可以轉換成空中的雜訊(輻射發射)，成為「嘈雜的」電纜，這種電纜可以發揮天線的作用，將傳導發射轉換為輻射發射(圖1)。 圖1　供電導線上的傳導發射設定。 實現最佳電磁相容設計從模擬/測試階段做起 由於車輛處於不斷的運動中，幾乎可以行駛到任何地方，因此汽車製造商必須按照最壞情況進行假設並從事設計，同時還必須在成本最低的條件下實現能夠提供極高可靠性的解決方案。答案就是：最優的電磁相容設計並選取最好的EMI遮罩材料，這就要求不僅在設計階段、而且還要在測試和模擬階段達到極高的精度。 由於輻射發射通過空氣來傳播，因此可以採用校準的天線設定進行測量。必須採用以各種方向(垂直、水準等)來排列的多種類型的天線，從而捕捉到整個頻率範圍。 對於輻射發射和傳導發射的測試設定、功率極限和頻率範圍，汽車製造商制定了具體而又嚴格的要求，並且他們還必須確保測量技術以及合格/不合格的標準符合自身的要求。如果標準過於嚴格，則意味著要花費過多的成本來減輕雜訊，而標準太過寬鬆則會無意中與其他電子設備產生干擾，造成與EMI有關的問題。 輻射發射的測試範圍通常在100KHz~2GHz，需要三種不同類型的天線來覆蓋整個範圍。這個設置包括(被測元件)DUT、DUT布線、GND銅板架、前置放大器、電腦、電源、光纖資料轉換器以及頻譜分析儀。 汽車製造商還必須指定要接受測試的多種DUT作業模式。例如，USB埠的作業模式只包括快閃記憶體盤的讀寫，而其他作業模式則可能要求USB埠提供最大的充電電流，同時另一種作業模式則可能包含將手機連接到USB埠，從而啟動Apple Carplay或者Android Auto。然後，測試階段就必須考慮到全部這些變數。 透過輻射/傳導抗擾度測試確認DUT干擾狀況 輻射抗擾度和傳導抗擾度測試的目的是確定DUT在嘈雜的干擾情況下會出現甚麼情況。輻射發射和傳導發射的通過限值必須始終低於輻射抗擾度和傳導抗擾度的通過限值。一台設備的輻射發射必須低於鄰近設備的輻射抗擾度容許公差，否則就會造成不良作業(圖2)。 圖2　輻射發射的設置(單一DUT模式下的垂直BICON測試)。 輻射抗擾度測試可確定DUT在電磁干擾訊號於空中穿過的情況會有何表現。必須採用校準的噪音源，在發射天線對準DUT的條件下進行測試。傳導抗擾度測試可確定進入到電纜(例如電力線束、USB電纜或者乙太網電纜)中的干擾訊號在連接到DUT的情況下，DUT的表現如何。汽車製造商通常會指定測試多種DUT作業模式，並且還將指定預期的狀態級別回應。例如： 1.狀態1回應：可能是「無回應」。這意味著在抗擾度測試過程中，設備必須在各種作業模式下正確工作，而不會出現明顯的效能降級。 2.狀態2回應：可能會出現明顯的回應，但是在關掉干擾訊號後必須自動恢復。 3.狀態3回應：會出現明顯的回應，並且在排除掉干擾後需要使用者干預才可回復正常作業(點火迴圈)。 對於EMC有無數個類型的測試設定，包括： ．可攜式發射機 ．大電流注入器 ．耦合抗擾度 可攜式發射機測試設定 一種特定類型的輻射抗擾度測試稱為「可攜式發射機」。該測試會測試DUT對於手機和掌上型雙向無線對講機之類設備的抗擾度。 大電流注入測試設定 一種特定類型的傳導抗擾度測試稱為「大電流注入」(BCI)。該方法會穿過一個磁場來路由使用者的電纜和線束，從而模擬窄帶輻射電磁能。 耦合抗擾度測試設定 還有一種傳導抗擾度測試稱為「耦合抗擾度」。該測試可模擬在同一線纜束或相鄰線纜束中路由到干擾線的DUT電纜；然後接受測試的DUT電線/電纜將在一米的長度內連接到干擾訊號。 其他抗擾度測試可以模仿車輛中苛刻的電氣環境。其中一些測試包括： ．靜電放電(ESD)：一項重要的EMC測試。IEC標準IEC61000-4-2是一項廣泛採用的標準，可以測試電子設備的ESD抗擾度。 ．電源線干擾：暫態壓降(振動和連接器)、啟停電池壓降、溫暖曲柄壓降。 ．瞬態干擾：繼電器震顫耦合、電動遙控鎖電感負載、觸點電弧、觸點顫動。 ．功率迴圈：車輛發動機啟動過程中的點火迴圈電壓波動。 ．電壓過大：負載突降(交流發電機產生充電電流並且在其他電力負載已連接的情況下，電池斷開)、跳線跨接啟動、交流發電機失控、變換極性。 總結來說，將大量的電氣系統和電子系統安放到極其有限的空間當中，這些汽車系統以輻射發射和傳導發射的電磁會相互干擾，我們必須解決這個問題。如果不正確的進行控制，那麼產生的干擾會造成系統故障或者在某些情況下使系統徹底失效。 為此，零組件供應商如Molex，便透過豐富的互聯車輛團隊經驗，引入了由各種汽車業解決方案、途徑和方法組成的久經考驗的產品組合，用於對電磁發射和相關技術進行控制，從而使電子設備良好的耐受電磁干擾。 (本文作者Greg Bella為Molex首席工程師；Jeff Ciarlette為Molex電氣工程師主管)

以非破壞性X-ray透視的技術，再搭配光學物鏡提高放大倍率進行實驗檢測，其實驗過程是將待測物體固定後進行360Ｏ旋轉，在這過程中收集各個不同角度的2D穿透影像，之後利用電腦運算重構出待測物體。 3D X-ray檢測試驗　毋須破壞分割 3D X-ray可以檢測哪些產品呢？以宜特科技為例，從2017年開始，使客戶執行3D X-ray檢測的上千件產品，除了一般IC外、包括3D IC、MEMS，甚至到PCB、PCBA、鋰電池/塑膠製品、系統成品，都不用破壞分割進行檢測。 至於那些材質產品，不適合用3D X-ray進行檢測？由於X-Ray的物理特性關係，當待測物同時存在高、低密度材料時，此時就不容易觀察待測物裡的低原子序屬性的材料，如矽Si(原子序14)、鋁Al(原子序13)，所以要檢測Silicon Die或鋁線(Al Wire)就不適合用3D X-ray。 也就是說，如果已經封裝過的IC，由於裏頭存在高密度材質，包括Substrate、導線架(銅合金)、散熱片等，此時相對屬於低原子序的鋁線，就難以3D X-ray成像。 3D X-ray檢測內部缺陷　快速又有效 3D X-ray是判斷產品內部缺陷分析有效率且快速的方法，可檢測待測物內部結構及是否有缺陷、空洞(Void)、Crack、Open等異常。詳列如下： ．IC封裝中的缺陷檢驗如：打線的完整性檢驗、電測異常(Open/Short)、黑膠的裂痕、銀膠及黑膠的氣泡。 ．PCB及載板(Substrate)製程中產生的缺陷，如線路製程不良、橋接、開路、電鍍孔製程品質檢驗、多層板各層線路配置分析。 ．電子產品開路(Open)、短路(Short)或不正常連接的缺陷分析。 ．錫球陣列封裝(BGA)及覆晶片封裝(Flip Chip)中錫球的完整性分析，如錫球變形、錫裂、錫球空冷銲、錫球短路、錫球氣泡。 ．密度較高的塑膠材質破裂或金屬材質空洞檢驗。 檢測鋰電池內部異常 3D X-ray可在不破壞產品並且清楚觀察到電池內部的異常。常見的鋰電池設計包含正極板、負極板、電解液及隔離膜。組裝方式是先將正負極板與隔離膜疊放或繞捲於罐體中，再注入電解液。隔離膜主要的功能為避免兩極接觸並確保離子可以在其中傳遞。雖然隔離膜與電化學反應沒有關係，但結構及性質均會影響到鋰電池的效能。 藉由3D X-ray的檢測，宜特科技提供的本案例觀察到鋰電池(參見圖1、2)極板產生裂縫(Crack)並且有發現異物(Particle)。 圖1　電池內部正負極板彎曲導致裂縫(Crack)，並且在極板與隔離膜之間發現異物存在(Particle)。 圖2　電池內部3D影像，內部發現極板產生裂縫(Crack)且發現異物(Particle)。 觀察工程塑膠製品內部結構 工程塑膠(Engineering Plastics)泛指為機械工程材料所使用作為機械結構的塑膠(如PC、PMMA、ABS、POM、PBT、TPU)，本文案例為醫療用精密塑膠射出成型產品，為符合醫療高溫殺菌且不會變形的需求，故選用耐高溫、尺寸穩定性較高的PSU，藉由3D X-ray，觀察出塑膠成品內部結構及裂縫(Crack)、空洞(Voids)等缺陷。 觀察消費類電子裝置光學鏡頭內部結構 3D X-ray也可用於光學鏡頭檢測。目前消費型電子產品搭載的光學鏡頭(Optical Lens)大致分為玻璃(Glass)鏡片與塑膠(PC、PMMA)鏡片兩種材質，每顆光學鏡頭依設計約有5~6片鏡片組成，從初期光學設計、模具的精準度到鏡頭的組裝，每個環節都很重要，組裝時每個鏡片有無傾斜、光軸心對焦是否精準、符合設定的調制轉換函數(MTF)。模組廠在組裝過程由於技術門檻及複雜度甚高，稍有不慎將導致良率降低。為此廠商須在組裝過程中，進行內部結構觀察，本文提供的案例為利用3D X-ray，在鏡頭組裝完成後，輕易的觀察到內部鏡片結構。從圖3可觀察各鏡片與鏡群之間組裝過程是否有瑕疵。 圖3　光學鏡頭內部由5片鏡片組成，組裝過程需確認每個鏡片之間有無傾斜，光軸是否精準。3D影像可清楚觀察內部結構。 觀察PCBA內部異常 印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)產業不斷成長，各種家用電器對於在材料、層數、精密度與BLR(Board Level...