TWS 真無線藍牙耳機干擾與不同步之研究

Allion Labs / Allen Liao

在許多智慧手機取消了3.5mm的耳機孔設計後,藍牙耳機在近年來成為一波熱潮;不論從通勤族、學生族群、或是喜愛運動的族群等,都能在大街小巷看見藍牙耳機的蹤影。藍牙耳機的優點除體積小、便於攜帶外,藍牙傳輸技術於近年來的發展,更讓音質的表現及低功耗技術提升一個層次,造就出真無線藍牙耳機。

真無線藍牙耳機相較傳統的無線藍牙耳機在於將左右耳單體的連結纜線改為無線方式傳輸,不僅提高使用的方便性,也因纜線連接的消失,不再有聽診器效應的出現。兩代藍牙耳機在不支援高解析度或低延時通訊時,其使用規範基本上是相同的,但真無線藍牙耳機大多可支持Bluetooth 5.0規範(效能體現在耳機的續航力上)。

然而,礙於藍牙與 Wi-Fi 技術都使用 2.4GHz 的無線工作頻段,時常會有連線頻段上共存的技術性問題,再加上真無線藍牙耳機的機體設計通常較小,造成天線的設計有所局限,讓耳機的共存問題更加嚴重。

根據百佳泰豐富的無線相關測試經驗,針對真無線藍牙耳機在 2.4G 無線共存問題可能造成的影響,歸納了下列狀況:

  • 無線訊號的干擾造成藍牙按鍵功能(播放、暫停、換下一首)反應延遲,甚至失效
  • 無線訊號的干擾造成音樂的聆聽過程中有破音,甚至沒聲音

2.4GHz 共存問題該怎麼測?

百佳泰針對真無線藍牙耳機在2.4G頻段的共存問題,選用市面上3款熱門的真無線藍牙耳機(Optoma、Samsung、Audio-Technica),從「環境架設」、「工作表現判斷基準」、「實際測試結果」來驗證無線訊號在干擾情況下的問題和劣化。廠商可透過上述三點作為設計參考依據,避免因連線問題造成使用者不良體驗以及對於品牌的負面印象。

圖一:百佳泰選用市售三款真無線藍牙耳機作為本次測試DUT

環境架設

所有真無線藍牙耳機測試項目都會在電波隔離室中進行,如此可隔絕外界電波干擾的因素,而得到穩定的測試結果。此外,在測試過程中為了要分析藍牙耳機在干擾情況下的音訊表現,還會搭配音頻分析儀(Audio Precision)來執行高解析度的音頻量測。

圖二:真無線藍牙耳機的無線共存測試架設圖

針對不同場域的測試環境,我們能依照您的需求模擬不同場域的干擾測試情境,如不同無線通訊技術(Wi-Fi、Bluetooth、LTE)、不同通訊裝置的數量、信號密集度不同(高速或低速技術)。

不同干擾的模擬可由以下幾種方式來製造干擾訊號:

  • 實際架設各種場域中常見無線產品。例:藍牙喇叭、Wi-Fi無線路由器、智慧型手機、智慧家電等產品
  • 使用信號產生儀器發射可控制的干擾訊號(如調變類型、頻率、能量)

藍牙耳機工作表現的判斷基準

百佳泰提供的無線共存測試判斷基準是以使用者體驗的感受為判斷依據,也就是一般使用者常碰到的問題:耳機按鍵控制的反應延遲、耳機音頻失真問題。

針對上述問題,我們建議的檢測項目如下:

按鍵功能反應延遲測試

在與電腦藍牙配對成功後,透過藍牙耳機的按鍵操作電腦的播放或暫停功能,整個控制反應過程中所需的時間。

音頻錯誤率測試

藍牙耳機連續播出單一音頻5KHz音訊,過程中加入干擾並用音頻分析儀來觀察真無線藍牙耳機輸出的音頻狀況。

實際測試結果

根據下列測試結果,Optoma 在無干擾的測試環境中延遲時間大約為1秒多(圖三1),而在加入干擾的測試環境中(如圖三2),延遲狀況從提前幾個衰減值就開始惡化(惡化現象提前幾個衰減值代表在干擾情境下,可正常操作的距離變短)。然而,Optoma相較於其他兩款藍牙耳機,還是可看出有較佳的反應時間。

圖三:實測按鍵反應時間

針對聆聽過程中可能出現的破音、斷訊現象,我們先簡單說明判斷的手法與測試機制。

圖四、五是從音頻分析儀解析出音訊輸出的音頻結果,若是在藍牙連線品質正常的情況下,音頻分析儀上僅在5KHz會有數值,因此可以得知分析儀上所觀察到的音頻曲線在對應到播放時間時會是一條直線(如圖四)。當藍牙連線因受到干擾而產生掉封包的狀況時,就會出現音頻抖動的狀況(如圖五)。當音頻抖動超出一定範圍時,人耳才能分辨出音訊有問題,但詳細的判斷依據還需經過大量的測試數據累積與統計。

圖四:藍牙連線狀況正常時

圖五:藍牙連線狀況不佳時

我們以上述測試結果為依據,統計在所有固定取樣長度中,有多少筆資料是人耳能聽出問題,並分析有狀況的取樣數據占所有取樣數據的比例,最後所得出的結果稱之為音頻錯誤率(Sound Error Rate)。

為了客觀判斷音頻錯誤率在一般大眾所能容忍的範圍界值,我們透過收集多數人的聆聽感受後,統計出音頻錯誤率對照表:發現到真無線藍牙耳機的使用者對於音頻錯誤率容忍範圍約落在5%內,若超出此範圍時,大部份的使用者則對該產品產生不良印象。5%的音頻錯誤率可用作驗證耳機抗干擾能力的一個基準值;因此,廠商若在日後設計藍牙耳機時可將其納入考量,用以提升產品品質。

表1:使用者對於音頻錯誤率的實際感受

我們接著將本次選用的3款藍牙耳機套入音頻錯誤率測試。從結果來看,Optoma在無干擾的測試環境中表現最佳,Audio-Technica次之。而在加入干擾的測試環境中(模擬低干擾的家庭使用環境),可以發現三家品牌的測試結果明顯有退化的現象發生,但仍能看出Optoma的抗雜訊能力是較好的,Samsung則排名第二。

總結以上按鍵控制反應及音頻錯誤率的兩個測試結果,我們發現Optoma的藍牙耳機在無線干擾的情況下,仍保有較佳的表現。

真無線藍牙耳機的最佳測試夥伴

隨著市面上真無線藍牙耳機產品不斷推陳出新,參差不齊的品質以及無線共存的問題將會越來越明顯,百佳泰擁有深厚的無線產品測試經驗,可提供客製化測試服務;從使用者體驗出發、到多樣化的干擾情境場域設計,為您的產品品質把關並提升市場競爭力。