Allion Labs / Romonz Kao

蓝牙™(Bluetooth®)技术为短距离无线传输技术之一,因其低功耗、低成本、内建安全机制、方便性高,及具有ad hoc网络机制等优势而被广泛应用。市面上各式电子装置,几乎都使用此技术,进行联机沟通与数据传输。

蓝牙技术所使用通讯频段为2.4GHz ISM频段。而此频段也经常被众多无线技术使用,如WiFi、DECT数字无线电话、Zigbee等,导致使用上的冲突产生,互相干扰等情形更是屡见不鲜。

因此管理与制定蓝牙技术规格的蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group),于蓝牙规范的最基础版本就使用跳频(Frequency Hopping)机制,让该讯号在频段内,可随机跳选所有频道进行传输存取。另外,更进一步从Bluetooth Core Specification v1.2开始导入AFH(Adaptive Frequency Hopping)透过可适性跳频技术,来大幅解决干扰冲突的状况。

AFH可适性跳频技术的机制,主要是利用蓝牙装置在联机状态时,透过封包丢失率(PLR)、讯号强度(RSSI)、检查码(CRC)等状态,来判断目前使用的频道可否使用。如当使用频道有其它讯号干扰,而造成蓝牙传输的质量下降时,AFH机制便会停止使用受影响的频段,转而使用其他频段,避免影响蓝牙传输的效能。

由此可知AFH可适性跳频技术,对蓝牙装置传输质量的重要性,因此验证AFH相关机制,避免干扰产生是必然且重要的!

百佳泰提供专业的测试环境,无论是从讯号能量、封包等面向去解析AFH相关机制的动作是否正确,或是利用测试环境搭配讯号产生器,来仿真实际干扰讯号的情况。百佳泰都可提供多种不同干扰情境模拟,并因应客户需求组合进行协助分析。测试示意图如下图所示:

图一

我们接着透过百佳泰测试环境,与一台实际的车机装置,从讯号能量面向来观察AFH机制影响变化。图二~图六为使用简易频谱分析仪,所取得的信息(X轴为2.4GHz频段,Y轴为讯号强度),以下可见2.4GHz频段上讯号能量的变化:

当无其他讯号存在时蓝牙使用了所有2.4GHz 频段的Channel进行传输(如图二)。

图二

当加入一个WiFi Channel 1的干扰讯号(如图三)可见AFH机制启动,蓝牙避开干扰讯号使用到的Channel(如绿框标示)。

图三

后续我们将干扰讯号改换成WiFi Channel 11。如图四绿框中,可见蓝牙也随之更改了传输Channel去避开受到干扰讯号影响的Channel。

图四

关掉干扰讯号后,可见蓝牙恢复使用所有Channel传输(如图五)。

图五

若AFH机制无法正常工作,会观察到蓝牙与WiFi讯号同时使用相同Channel的情形(如图六红框处),蓝牙并不会避开干扰讯号使用的Channel,造成蓝牙讯号被覆盖,蓝牙通讯发生问题。

图六

再来使用Bluetooth Sniffer,从封包部分来分析AFH机制动作启动与否,并观察封包的变化。图七~图八为使用Bluetooth Sniffer所取得信息(X轴为Bluetooth讯号使用的Channel,Y轴为封包状态)。我们加入图四的WiFi干扰讯号后,可观察到当AFH机制启动后,会出现紫色区域(如图七),其内部是没有任何蓝牙封包存在,也就代表蓝牙封包在传输过程中已闪避有干扰的Channel,所以蓝牙通讯不会出现问题。

图七

而AFH机制无启动时,可能会发生如图八的情形:Bluetooth Sniffer观察到干扰讯号使用的Channel内是有蓝牙封包存在,蓝牙传输无法闪避有干扰的Channel(如下图红框处)。另外,因受干扰影响,可见红框内频道重传封包(下图橘色区块)与错误封包(下图红色、棕色区块)的部分,明显多于未受干扰影响频道,而封包的重传与错误增多,对于蓝牙传输质量是有所影响的。

图八

从讯号能量、封包等测试可见,AFH机制动作不正确或无启动时,皆会影响整体传输质量。以车机为例,若图资传输延迟或错误而造成导航上出现错误判断,对于行车安全是有风险存在的。

如前所述,由能量、封包等测试分析可得知,AFH机制动作启动与否,及其对于蓝牙传输质量的影响,那对于实际上传输数值效能的影响程度为何呢?我们实际以一台笔记本电脑,来测试蓝牙传输的Throughput数值,并比较AFH机制动作启动与否,对于传输Throughput最大传输值数值与RvR Throughput performance数值影响的差异。

Throughput最大传输结果如下表一:当AFH机制无启动时,蓝牙最大传输值因此受到影响而下降了23%~29.7%。

   表一 蓝牙测试数据比较表           Unit : Kbps

RvR(Range vs Rate)Throughput performance test验证结果如图九(X轴为Path Loss代表接收能力、可测得数值越大相对可接收传输距离越远,Y轴为传输Throughput数值);当AFH机制无启动时,除了整体传输值变低(蓝线整体低于黑线)以外,可同时测得Path Loss减少了9dB(如红色箭头处);这代表蓝牙可接收之传输距离受影响而变差。

图九

由以上蓝牙传输数值测试来看,AFH机制动作正确与否,对于蓝牙传输效能确实是有影响的;除了蓝牙传输数值,与传送接收距离变差以外,传输效能低落进,也可能影响蓝牙装置的功能是否能正常运作,进而影响消费者使用体验。譬如近年来市场上开始推出符合Hi-Res Audio Wireless标准规范,并支持高音质音频编译码格式的蓝牙耳机。而要达到符合此音频编译码格式传输速度,必需达到一定数值,如LDAC 990kbps或者是LHDC 900kbps、AptX Lossless 1Mbps等。

当AFH机制动作不正确或无启动时,传输速度降至800kbps以下,势必影响音讯格式的传输,造成音讯播放时可能会有延迟、破音、甚至无法播放等问题产生;而这些问题与风险是不容小觑的。

百佳泰除了提供蓝牙AFH等避免干扰的机制验证测试服务外,也提供蓝牙无线效能测试与相关验证服务,如天线效能测试(Antenna Test),无线芯片模块端的验证(Conductive Test、OTA Test)、Throughput Performance测试及LOGO认证服务等。我们希望能协助客户在最短的时间内,验证蓝牙无线产品的设计要求与通讯质量,一起为您的产品质量把关。

若您有蓝牙技术相关的测试需求,请填写 联络窗体 或写信至 cn_service@allion.com 联系我们。