คอนโซลต้องเล็กแค่ไหน ถึงเรียกว่า “เล็กสุด”?

RayTriangle เริ่มจากกำหนดก่อนว่า “Video Game Console” ต้องยังมีองค์ประกอบพื้นฐานพอให้เล่นได้จริง

• ต้องมี Video Output
• ต้องมี Human Input
• ควรมี Sound
• และสำหรับ Project นี้ ต้องเล่น DOOM ได้

ผู้สร้างไม่เลือกแนว Handheld เพราะถ้าย่อทั้งจอและ Controller ไปพร้อมกัน Usability จะกลายเป็นข้อจำกัดทันที

จึงเปลี่ยนโจทย์เป็น: Home Console ขนาดเล็กมากที่เสียบเข้าทีวี และไม่นับขนาดของ Xbox Gamepad เข้าเป็นขนาดตัว Console

ทำไมเลือก ESP32-S3?

RayTriangle เลือก ESP32-S3 เพราะได้หลายอย่างใน Chip เดียว:

• Compute เพียงพอสำหรับ Project
• ขนาดเล็ก
• ต้นทุนไม่สูง
• ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ได้
• มี Bluetooth Low Energy
• มี Wi-Fi

แต่ในเวลาเดียวกัน ESP32-S3 ก็ขาด Peripheral บางอย่าง ที่ถ้าจะทำ Analog TV แบบตรงไปตรงมาแล้วน่าจะสะดวกกว่า เช่น:

• Generic PLL ที่หยิบมาใช้ตามใจ
• Generic DMA-capable Parallel Port
• Fast DAC ที่เหมาะกับ Video Output

จาก RCA Plug ทำไมต้องย้ายไป Antenna Plug?

แนวคิดแรกคือยัด Console ทั้งหมดลงใน: RCA Plug แล้วส่ง Composite Video ตรงเข้าทีวี

แต่เจอปัญหาหลักสองข้อ

1. Power

RCA Video ไม่ได้จ่ายไฟ จึงต้องมีแบตเตอรี่อยู่ใน Plug

ผู้สร้างทดลองพิจารณา Li-ion Cell เส้นผ่านศูนย์กลางราว 8.5 mm แบบที่พบในหูฟังไร้สาย แต่ Cell ขนาดนี้มีทั้ง Capacity ต่ำ และจ่ายกระแสไม่พอสำหรับระบบที่ใน Prototype ใช้ประมาณ: 120 mA เมื่อเปิด BLE

2. Audio

RCA Composite เส้นเดียวส่ง Video แต่ไม่พาเสียงไปด้วย

การเพิ่ม Speaker, Connector เพิ่ม หรือแยก Bluetooth Audio จะทำให้ Project ซับซ้อนขึ้นและกินพื้นที่

ผู้สร้างจึงถอยกลับไปใช้เทคโนโลยีเก่ากว่า: RF Modulation เข้า Antenna Input

ดูของจริง: DOOM เล่นผ่านช่องเสาอากาศทีวี

Video ของผู้สร้างแสดงให้เห็นว่า Console สามารถส่งภาพเกมผ่าน RF เข้า TV Tuner และเล่นด้วย Gamepad ได้จริง

Architecture ของ Console จิ๋วตัวนี้

ESP32-S3 ไม่มี Video DAC เร็วพอ แล้วสร้าง PAL Composite ได้ยังไง?

PAL Composite ไม่ได้มีแค่ “ค่าความสว่างของ Pixel” แต่ต้องประกอบด้วยหลายส่วน เช่น:

• Horizontal Synchronization
• Blanking / Porch
• Luma หรือความสว่าง
• Chroma หรือข้อมูลสี
• Color Burst
• PAL Phase Alternation ระหว่างบรรทัด

Source ระบุว่าการสร้าง PAL Color ต้องมี Bandwidth ราว: 6 MHz เป็นอย่างน้อยในบริบทของระบบนี้

ESP32-S3 ไม่มี Fast Analog DAC ที่เหมาะกับการส่ง Waveform นี้โดยตรง ผู้สร้างจึงใช้: RGB LCD Output Peripheral

แม้ Peripheral นี้ถูกสร้างมาเพื่อขับ Display แต่สามารถใช้เป็น Parallel Digital Stream แล้วให้ DMA ส่งข้อมูลต่อเนื่องออกตาม Timing ที่ผู้สร้างจัดไว้เอง

4-resistor DAC: Prototype ที่เล่น DOOM ได้จริง

Prototype แรกพยายามลดจำนวน Component ให้มากที่สุด จึงใช้ Resistor เพียง 4 ตัว โดยแต่ละตัวมีค่าต่างกัน แทนที่จะใช้ R-2R Ladder แบบมาตรฐาน

เป้าหมายของ Calculation คือให้ Output มีช่วงประมาณ: 1V เมื่อเจอ: 75Ω Termination

Output Impedance ที่คำนวณได้ประมาณ: 172.5Ω ซึ่งห่างจาก 75Ω ที่ต้องการพอสมควร

ถึงอย่างนั้น Topology นี้ก็: สร้างภาพที่เล่น DOOM ได้จริง

ปัญหาคือ 4-bit Output มีเพียง: 16 Voltage Levels ทำให้ Color Resolution ต่ำ และผู้สร้างสังเกตเห็น Color Distortion

ทำไม Final Design เปลี่ยนเป็น 8-bit R-2R?

ใน Final PCB ผู้สร้างเปลี่ยนไปใช้: 8-bit R-2R DAC

เหตุผลหลักคือ:

• หา Precision Resistor ในค่าทั่วไปได้ง่ายกว่า
• พื้นที่บน Final PCB ยังเพียงพอ
• Bit ที่เพิ่มช่วยให้ Calibration Non-linearity ของ RF Mixer ได้ละเอียดขึ้น

ผู้สร้างใช้:

• SDR
• TinySA

วัด RF Output แล้วนำผลไปปรับ Calibration Lookup Table เพื่อชดเชย Non-linearity ของ Analog Output Chain

PAL Color ถูกสร้างจาก Lookup Table ยังไง?

การสร้าง PAL แบบ Real-time ด้วย MCU เล็ก ๆ จะหนักมาก ถ้าต้องคำนวณ Luma, Chroma, Phase และ Waveform ทุก Pixel ใหม่ทั้งหมด

Trick ของ Project คือ: Precompute Waveform ไว้ก่อน

Source ระบุว่า:

• เก็บ 4 Samples ต่อหนึ่ง Chroma Cycle ต่อ Color
• มี Line-dependent Variant 4 แบบจาก PAL Phase Alternation
• ใช้ 2 Luma Pixels ต่อหนึ่ง Chroma Cycle / Pixel ในระบบนี้
• Luma + Chroma ผ่าน Calibration Curve ก่อนออก DAC

เพื่อไม่ต้องทำ Double Memory Lookup ผู้สร้างรวมข้อมูลทั้งหมดเป็น Table เดียว ขนาด: 8KB

Index ของ Table อิงจาก:

• Color Index
• Line Counter Variant
• Luma Value

หลังได้ข้อมูลของทั้ง Line ระบบจะเขียนลง Buffer แล้วให้ DMA Scan ออกตาม Timing ผ่าน LCD Peripheral

จาก Composite สู่ VHF RF Carrier

Composite Video อย่างเดียว ยังเสียบเข้าช่อง Antenna ของทีวีไม่ได้ จึงต้องถูก Modulate ขึ้น Carrier Frequency

ESP32-S3 ไม่มี Generic PLL ที่ว่างสำหรับงานนี้ ผู้สร้างจึงหยิบ: I2S MCLK มาใช้เป็น Clock Output แทน

System Clock: 240 MHz

หารด้วย: 5

ได้ Carrier ใกล้: 48 MHz

ซึ่งอยู่ใกล้กับ: 48.25 MHz ของ PAL B/G Channel 2 ตาม Source

Mixer สอง Transistor: ภาพนิ่งขึ้น แต่ทำไมมืดลง?

ผู้สร้างทดลอง Mixer แบบง่ายหลายแบบ รวมถึง Single-diode Design ซึ่งใช้งานกับ Receiver ได้ แต่มีความไวต่อการจัดวางบน Protoboard

Final Design จึงขยับมาใช้: Two-transistor Mixer พร้อม Filtering

ผลที่ได้ตาม Source:

• Color ดีขึ้น
• ภาพ Stable ขึ้น
• Linearity ดีขึ้น

แต่แลกกับ:

• Modulation Depth ลดลง
• Contrast ต่ำลง
• ภาพออกมาค่อนข้างมืด

เนื่องจาก PAL-B ใช้ Negative Modulation ซึ่งความสัมพันธ์ระหว่าง Carrier Amplitude กับ Brightness แตกต่างจากการตีความแบบตรงไปตรงมา

เสียง FM ถูกสร้างด้วย I²S ยังไง?

จุดที่น่าสนใจคือ I²S ใน Project นี้ ไม่ได้ถูกใช้ส่ง PCM Audio ตามปกติ

ผู้สร้างใช้มันยิง: Bit Pattern ที่มี Average Switching Frequency ตาม Frequency ที่ต้องการ

แนวคิดคล้าย Video: Precompute Bit Sequence ไว้ใน Lookup Table ตาม:

• Frequency
• Phase Offset

แล้ว Track Phase ต่อเนื่อง ระหว่าง Sequence เพื่อให้สัญญาณต่อกัน

Xbox Controller คุยกับ ESP32-S3 ยังไง?

Input ใช้: Xbox Series X Controller

เชื่อมผ่าน: Bluetooth Low Energy

Source ย้ำว่า ESP32-S3 มี BLE แต่ไม่มี Classic Bluetooth ในบริบทของ Project นี้

ผู้สร้างยังต้องออกแบบ Antenna ให้พอดีกับพื้นที่เล็กมาก และ Enclosure ที่ต้อง Shield RF ส่วนอื่น

หลังทดลองหลายแบบ Wire Antenna ที่ทำเองกลับทำงานดีกว่า PCB Antenna ขนาดเล็กที่ทดลองใน Prototype

Final Build ต้องการ BLE Range เพียง: ไม่กี่เมตร สำหรับ Gamepad

Wi-Fi ยังมีประโยชน์อีกด้าน เพราะผู้สร้างกล่าวถึง Bootloader ที่สามารถ Download Game Image แบบ OTA ได้

ยัดทุกอย่างด้วย PCB Sandwich + FPC

ถ้าใช้ PCB แผ่นเดียว รูปทรงภายใน Plug จะใช้พื้นที่ได้ไม่เต็มที่ ผู้สร้างจึงวาง Hardware เป็น:

PCB สองแผ่น + FPC Interconnect

แนวคิด Single-piece Rigid-flex เคยถูกพิจารณา แต่ Source ระบุว่าต้นทุนสูงกว่า จึงใช้ Separate Boards แล้วเชื่อมด้วย Flex แทน

แต่ Flex Board กลายเป็นงานยากที่สุดส่วนหนึ่ง

นี่เป็นครั้งแรกที่ผู้สร้างออกแบบ Flex Board และพบปัญหา:

• Trace ฉีกหลายครั้งระหว่าง Assembly
• Power Trace หนากว่า Signal Trace มาก ทำให้ Copper Area ไม่สมดุล
• Hand-solder Board-to-board ทำได้ยาก

สิ่งที่ผู้สร้างมองย้อนกลับไปว่า น่าจะช่วยได้คือ:

• ทำ Trace Width ให้สมดุลขึ้น
• เพิ่ม Via เพื่อช่วยถ่าย Heat ระหว่าง Hand Solder

Project นี้สอนอะไรเรื่อง Miniaturization?

ถ้ามองผิวเผิน Project นี้เหมือนการแข่งขันว่า “ใครยัด DOOM ลงของเล็กกว่า” แต่รายละเอียดข้างในกลับสะท้อน Engineering หลายเรื่อง

1. Peripheral ไม่จำเป็นต้องใช้ตามชื่อเสมอ

LCD Peripheral ถูกใช้สร้าง Analog TV Data, I²S ถูกใช้ทั้งเป็น Clock Source และสร้าง Pattern สำหรับเสียง

2. Lookup Table แลก Memory กับ Compute

แทนคำนวณ PAL Waveform ทุก Pixel ผู้สร้างใช้ Precomputed Data เพื่อให้ Timing อยู่ในขอบเขตที่ MCU จัดการได้

3. Prototype ที่ “ใช้ได้” ไม่จำเป็นต้องเป็น Final Architecture

4-resistor DAC เล่น DOOM ได้ แต่ Final Design ยังต้องเปลี่ยนเป็น R-2R เพื่อปรับคุณภาพและ Calibration

4. การย่อ Hardware เป็นปัญหา Mechanical ด้วย

Flex Trace ที่ขาด และความยากตอน Solder แสดงให้เห็นว่า Miniaturization ไม่ได้จบที่ลดจำนวน Component บน Schematic

5. Analog ยังไม่หายไปไหน

แม้ Compute ทั้งหมดเป็น MCU สมัยใหม่ แต่สุดท้าย Project ยังต้องกลับไปจัดการ:

• Impedance
• DAC Linearity
• Mixing
• Filtering
• Modulation
• RF Leakage

RF และ Battery Safety

FAQ: คำถามที่พบบ่อย

References / แหล่งข้อมูลต้นฉบับ

• RayTriangle — Making the world’s smallest game console
• Hackaday — The World’s Smallest TV Console Plays DOOM
• YouTube — Playing Doom on an antenna plug