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TWS 真无线蓝牙耳机干扰与不同步之研究

Allion Labs / Allen Liao

在许多智能手机取消了 3.5mm 的耳机孔设计后,蓝牙耳机在近年来成为一波热潮;不论从上班族、学生群体、或是喜爱运动的族群等,都能在大街小巷看见蓝牙耳机的踪影。蓝牙耳机的优点除体积小、便于携带外,蓝牙传输技术于近年来的发展,更让音质的表现及低功耗技术提升一个层次,造就出真无线蓝牙耳机。

真无线蓝牙耳机相比传统的无线蓝牙耳机在于将左右耳单体的连结缆线改为无线方式传输,不仅提高使用的方便性,也因缆线连接的消失,不再有听诊器效应的出现。两代蓝牙耳机在不支持高分辨率或低延时通信时,其使用规范基本上是相同的,但真无线蓝牙耳机大多可支持 Bluetooth 5.0 规范(性能体现在耳机的续航力上)。

然而,碍于蓝牙与 Wi-Fi 技术都使用 2.4GHz 的无线工作频段,时常会有联机频段上共存的技术性问题,再加上真无线蓝牙耳机的机体设计通常较小,造成天线的设计有所局限,让耳机的共存问题更加严重。

根据百佳泰丰富的无线相关测试经验,针对真无线蓝牙耳机在 2.4GHz 无线共存问题可能造成的影响,归纳了下列状况:

无线信号的干扰造成蓝牙按键功能(播放、暂停、换下一首)反应延迟,甚至失效

无线信号的干扰造成音乐的聆听过程中有破音,甚至没声音

2.4GHz 共存问题该怎么测?

百佳泰针对真无线蓝牙耳机在 2.4GHz 频段的共存问题,选用市面上 3 款热门的真无线蓝牙耳机(Optoma、Samsung、Audio-Technica),从「环境架设」、「工作表现判断基准」、「实际测试结果」来验证无线信号在干扰情况下的问题和劣化。厂商可透过上述三点作为设计参考依据,避免因联机问题造成用户不良体验以及对于品牌的负面印象。

图一:百佳泰选用市售三款真无线蓝牙耳机作为本次测试 DUT

环境架设

所有真无线蓝牙耳机测试项目都会在电波隔离室中进行,如此可隔绝外界电波干扰的因素,而得到稳定的测试结果。此外,在测试过程中为了要分析蓝牙耳机在干扰情况下的音讯表现,还会搭配音频分析仪(Audio Precision)来执行高分辨率的音频量测。

图二:真无线蓝牙耳机的无线共存测试架设图

针对不同场域的测试环境,我们能依照您的需求模拟不同场域的干扰测试情境,如不同无线通信技术(Wi-Fi、Bluetooth、LTE)、不同通信装置的数量、信号密集度不同(高速或低速技术)。

不同干扰的模拟可由以下几种方式来制造干扰信号:

实际架设各种场域中常见无线产品。例:蓝牙喇叭、Wi-Fi 无线路由器、智能型手机、智能家电等产品

使用信号产生仪器发射可控制的干扰信号(如调变类型、频率、能量)

蓝牙耳机工作表现的判断基准

百佳泰提供的无线共存测试判断基准是以用户体验的感受为判断依据,也就是一般使用者常碰到的问题:耳机按键控制的反应延迟、耳机音频失真问题。

针对上述问题,我们建议的检测项目如下:

按键功能反应延迟测试

在与计算机蓝牙配对成功后,透过蓝牙耳机的按键操作计算机的播放或暂停功能,整个控制反应过程中所需的时间。

音频错误率测试

蓝牙耳机连续播出单一音频 5KHz 音讯,过程中加入干扰并用音频分析仪来观察真无线蓝牙耳机输出的音频状况。

实际测试结果

根据下列测试结果,Optoma 在无干扰的测试环境中延迟时间大约为 1 秒多(图三 1),而在加入干扰的测试环境中(如图三 2),延迟状况从提前几个衰减值就开始恶化(恶化现象提前几个衰减值代表在干扰情境下,可正常操作的距离变短)。然而,Optoma 相较于其他两款蓝牙耳机,还是可看出有较佳的反应时间。

图三:实测按键反应时间

针对聆听过程中可能出现的破音、断讯现象,我们先简单说明判断的手法与测试机制。图四、五是从音频分析仪解析出音讯输出的音频结果,若是在蓝牙联机质量正常的情况下,音频分析仪上仅在 5KHz 会有数值,因此可以得知分析仪上所观察到的音频曲线在对应到播放时间时会是一条直线(如图四)。当蓝牙联机因受到干扰而产生掉封包的状况时,就会出现音频抖动的状况(如图五)。当音频抖动超出一定范围时,人耳才能分辨出音讯有问题,但详细的判断依据还需经过大量的测试数据累积与统计。

图四:蓝牙联机状况正常时
图五:蓝牙联机状况不佳时

我们以上述测试结果为依据,统计在所有固定取样长度中,有多少笔数据是人耳能听出问题,并分析有状况的取样数据占所有取样数据的比例,最后所得出的结果称之为音频错误率(Sound Error Rate)。

为了客观判断音频错误率在一般大众所能容忍的范围界值,我们透过收集多数人的聆听感受后,统计出音频错误率对照表:发现到真无线蓝牙耳机的使用者对于音频错误率容忍范围约落在 5% 内,若超出此范围时,大部份的用户则对该产品产生不良印象。5% 的音频错误率可用作验证耳机抗干扰能力的一个基准值;因此,厂商若在日后设计蓝牙耳机时可将其纳入考虑,用以提升产品质量。

表 1:使用者对于音频错误率的实际感受

我们接着将本次选用的 3 款蓝牙耳机套入音频错误率测试。从结果来看,Optoma 在无干扰的测试环境中表现最佳,Audio-Technica 次之。而在加入干扰的测试环境中(模拟低干扰的家庭使用环境),可以发现三家品牌的测试结果明显有退化的现象发生,但仍能看出 Optoma 的抗噪声能力是较好的,Samsung 则排名第二。

总结以上按键控制反应及音频错误率的两个测试结果,我们发现 Optoma 的蓝牙耳机在无线干扰的情况下,仍保有较佳的表现。

真无线蓝牙耳机的最佳测试伙伴

随着市面上真无线蓝牙耳机产品不断推陈出新,参差不齐的质量以及无线共存的问题将会越来越明显,百佳泰拥有深厚的无线产品测试经验,可提供客制化测试服务;从使用者体验出发、到多样化的干扰情境场域设计,为您的产品质量把关并提升市场竞争力。

资讯来源: 百佳泰 Allion Labs

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