藍牙®AFH機制驗證的實際案例分享

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是什麼？

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：

 

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）。

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）。

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。

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。

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。

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。

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%。

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。

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。