Allion Labs / Romonz Kao

藍牙®(Bluetooth®)技術為短距離無線傳輸技術之一,因其低功耗、低成本、內建安全機制、方便性高,及具有ad hoc網路機制等優勢而被廣泛應用。市面上各式電子裝置,幾乎都使用此技術,進行連線溝通與資料傳輸。

藍牙技術所使用通訊頻段為2.4GHz ISM頻段。而此頻段也經常被眾多無線技術使用,如WiFi、DECT數位無線電話、Zigbee等,導致使用上的衝突產生,互相干擾等情形更是屢見不鮮。

因此管理與制定藍牙技術規格的藍牙技術聯盟(Bluetooth Special Interest Group),於藍牙規範的最基礎版本就使用跳頻(Frequency Hopping)機制,讓該訊號在頻段內,可隨機跳選所有頻道進行傳輸存取。另外,更進一步從Bluetooth Core Specification v1.2開始導入AFH(Adaptive Frequency Hopping)透過可適性跳頻技術,來大幅解決干擾衝突的狀況。

AFH可適性跳頻技術的機制,主要是利用藍牙裝置在連線狀態時,透過封包丟失率(PLR)、訊號強度(RSSI)、檢查碼(CRC)等狀態,來判斷目前使用的頻道可否使用。如當使用頻道有其它訊號干擾,而造成藍牙傳輸的品質下降時,AFH機制便會停止使用受影響的頻段,轉而使用其他頻段,避免影響藍牙傳輸的效能。

由此可知AFH可適性跳頻技術,對藍牙裝置傳輸品質的重要性,因此驗證AFH相關機制,避免干擾產生是必然且重要的!

百佳泰提供專業的測試環境,無論是從訊號能量、封包等面向去解析AFH相關機制的動作是否正確,或是利用測試環境搭配訊號產生器,來模擬實際干擾訊號的情況。百佳泰都可提供多種不同干擾情境模擬,並因應客戶需求組合進行協助分析。測試示意圖如下圖所示:

圖一

我們接著透過百佳泰測試環境,與一台實際的車機裝置,從訊號能量面向來觀察AFH機制影響變化。圖二~圖六為使用簡易頻譜分析儀,所取得的資訊(X軸為2.4GHz頻段,Y軸為訊號強度),以下可見2.4GHz頻段上訊號能量的變化:

當無其它訊號存在時藍牙使用了所有2.4GHz 頻段的Channel進行傳輸(如圖二)。

圖二

當加入一個WiFi Channel 1的干擾訊號(如圖三)可見AFH機制啟動,藍牙避開干擾訊號使用到的Channel(如綠框標示)。

圖三

後續我們將干擾訊號改換成WiFi Channel 11。如圖四綠框中,可見藍牙也隨之更改了傳輸Channel去避開受到干擾訊號影響的Channel。

圖四

在Uplink方面,Netgear的表現依舊是最好,幾乎所有衰減值的Throughput都比另外兩台高。Linksys與Downlink相同,衰減到36dB時就已無法進行連線,而ASUS的表現,同樣是在兩者之間。

360度方向性測試(Spatial Consistency Test)

此項目又稱作「空間一致性測試」。簡單來說,是用來確認無線路由器,在各種角度的接收能力,並確保各角度之間的差異不會太大。這次測試主要區分為強、中、弱三種不同的訊號強度,每30度量測一次效能,每次的量測時間為1分鐘,以確認三台無線路由器的表現。三台無線路由器的對應擺放,都是以Ethernet Port那側面向180度。

圖五

若AFH機制無法正常工作,會觀察到藍牙與WiFi訊號同時使用相同Channel的情形(如圖六紅框處),藍牙並不會避開干擾訊號使用的Channel,造成藍牙訊號被蓋台,藍牙通訊發生問題。

圖六

再來使用Bluetooth Sniffer,從封包部分來分析AFH機制動作啟動與否,並觀察封包的變化。圖七~圖八為使用Bluetooth Sniffer所取得資訊(X軸為Bluetooth 訊號 使用的Channel,Y軸為封包狀態)。我們加入圖四的WiFi干擾訊號後,可觀察到當AFH機制啟動後,會出現紫色區域(如圖七),其內部是沒有任何藍牙封包存在,也就代表藍牙封包在傳輸過程中已閃避有干擾的Channel,所以藍牙通訊不會出現問題。

圖七

而AFH機制無啟動時,可能會發生如圖八的情形:Bluetooth Sniffer觀察到干擾訊號使用的Channel內是有藍牙封包存在,藍牙傳輸無法閃避有干擾的Channel(如下圖紅框處)。另外,因受干擾影響,可見紅框內頻道重傳封包(下圖橘色區塊)與錯誤封包(下圖紅色、棕色區塊)的部分,明顯多於未受干擾影響頻道,而封包的重傳與錯誤增多,對於藍牙傳輸品質是有所影響的。

圖八

從訊號能量、封包等測試可見,AFH機制動作不正確或無啟動時,皆會影響整體傳輸品質。以車機為例,若圖資傳輸延遲或錯誤而造成導航上出現錯誤判斷,對於行車安全是有風險存在的。

如前所述,由能量、封包等測試分析可得知,AFH機制動作啟動與否,及其對於藍牙傳輸品質的影響,那對於實際上傳輸數值效能的影響程度為何呢?我們實際以一台筆記型電腦,來測試藍牙傳輸的Throughput數值,並比較AFH機制動作啟動與否,對於傳輸Throughput最大傳輸值數值與RvR Throughput performance數值影響的差異。

Throughput最大傳輸結果如下表一:當AFH機制無啟動時,藍牙最大傳輸值因此受到影響而下降了23%~29.7%。

表一 藍牙測試數據比較表           Unit:Kbps

RvR(Range vs Rate)Throughput performance test驗證結果如圖九(X軸為Path Loss代表接收能力、可測得數值越大相對可接收傳輸距離越遠,Y軸為傳輸Throughput數值);當AFH機制無啟動時,除了整體傳輸值變低(藍線整體低於黑線)以外,可同時測得Path Loss減少了9dB(如紅色箭頭處);這代表藍牙可接收之傳輸距離受影響而變差。

圖九

由以上藍牙傳輸數值測試來看,AFH機制動作正確與否,對於藍牙傳輸效能確實是有影響的;除了藍牙傳輸數值,與傳送接收距離變差以外,傳輸效能低落進,也可能影響藍牙裝置的功能是否能正常運作,進而影響消費者使用體驗。譬如近年來市場上開始推出符合Hi-Res Audio Wireless標準規範,並支援高音質音訊編解碼格式的藍牙耳機。而要達到符合此音訊編解碼格式傳輸速度,必需達到一定數值,如LDAC 990kbps或者是LHDC 900kbps、AptX Lossless 1Mbps等。

當AFH機制動作不正確或無啟動時,傳輸速度降至800kbps以下,勢必影響音訊格式的傳輸,造成音訊播放時可能會有延遲、破音、甚至無法播放等問題產生;而這些問題與風險是不容小覷的。

百佳泰除了提供藍牙AFH等避免干擾的機制驗證測試服務外,也提供藍牙無線效能測試與相關驗證服務,如天線效能測試(Antenna Test),無線晶片模組端的驗證(Conductive Test、OTA Test)、Throughput Performance測試及LOGO認證服務等。我們希望能協助客戶在最短的時間內,驗證藍牙無線產品的設計要求與通訊品質,一起為您的產品品質把關。

若您有藍牙技術相關的測試需求,請填寫聯絡表單或寫信至service@allion.com聯繫我們。