原创 蓝牙AFH机制验证的实际案例分享

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。

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。