Bluetooth Headsets Audio Quality 藍牙耳機的音質
自從2017 iPhone 7取消3.5mm耳機接頭後，現在藍牙耳機幾乎成為一個標準配件，但藍牙耳機1998年推出到現在已經20個年頭，詬病音質不好也算是非戰之罪，畢竟當初2G手機通話時代制定的產物，現在都要邁向5G時代，而且通話也提供HD音質，當初制定的時候目標本身就是低功耗定位，所以要求高音質也真的是強人所難。但說實在如果你不是特別講究現在SBC or AAC[1]其實我個人是覺得還可以夠用，看你的耳朵敏不敏感囉，而且通用性也高，幾乎全部的裝置都支援，不需要Qualcomm AptX, AptX HD, Sony LDAC或Apple Airplay WiFi需要特定的設備才有辦法互聯，而且我自己有買過Sony手機與WH-1000XM2, 可能我自己要求沒那麼高再加上聽的音樂類型，我並沒有特別感受到LDAC這種高音質藍牙傳輸的好處，就像以前電視還是映像管CRT的時代，每次看到舊電視在廣告新電視顯示效果與立體聲有多好的時候，一開始會喔.....但後來想想不對啊，我還是用舊電視再看在聽。
TWS True Wireless Stereo: Latency 天下武功為快不破
與音質想比起來，對我來說一個藍牙耳機最重要的參數反而是延遲Latency，之前還沒用TWS耳機的時候，都不知道這個有這麼重要，但自從我老婆生日送的第一個TWS SONY WF-SP700N後，才知道盒裝上面的警語[看影片可能會有延遲]是什麼意思? 真的是延遲到不行，YouTube, NetFlix這種平常在看的串流網站完全看不下去，畫面跟聲音完全對不起來。
但平平是TWS Apple Airpod與現在新推出的SONy WF-1000XM3評價都說不錯，幾乎感受不到延遲，怎麼會有這麼大的差別呢? 這次剛好公司一推人在團購SONY WF-1000XM3當然還有一推文青買了Apple Airpods與公司自家的AB1532的方案比較一下。
Bluetooth Latency 延遲的測試示意圖Block Diagram如下，利用一個開關當作觸發，手指神速的落下同時觸及螢幕與開關，原本開關電位再觸碰的過程會從5V高準位變成低準位會觸發示波器開始錄製資料。
同時手機開啟了 iPhone 內建的App Garage Band，也同時按下來琴鍵並且透過耳機發出聲音，然後麥克風再把聲音轉成聲波，紀錄這波型計算時間差就可以知道只個使用藍牙耳機與按下螢幕琴鍵的延遲時間Latency。
環境架設
準備前先來一杯cama cafe，取下杯蓋套上下兩側貼上銅箔，這樣就可以製作一個開關，其中一側銅箔串聯1k歐姆的電阻，上下銅箔分別焊接兩條導線連接到示波器CH1當作觸發訊號。
整個完整實驗架設如下，示波器設定成Single Trig Mode，掃描時間設定500ms，這樣當我們按下cama cafe杯蓋的時候，示波器會開始記錄500ms的資料然後停止，這樣我們就可以觀察整個延遲的時間(Latency)。
Apple Earpods 有線耳機Latency: Base Line
首先我們先測試一下base line Apple lightning Earpods 的延遲，測試結果有點出乎我意料之外，反覆測試了幾次都是30ms左右，一開始還以為是不是我Ya手指速度不夠快。但這時間其實很快了。
SONY WH-1000XM2 : Standard Bluetooth Latency 標準藍牙耳機延遲
SONY WH-1000XM2 是我目前的主力藍牙耳機，因為我平常不玩遊戲，只會看看影片聽聽音樂，所以WH-1000XM2延遲是我還能接受，而且這一款並不是TWS，所以等一下可以用來比較其他TWS 藍牙耳機比較。實際測試結果 ~ 320ms，這數字比我想像中的高不少，我一直以為是200ms左右，可見我根本就分不出來多出100ms的延遲。
SONY SP700N 我的第一款TWS耳機
SONY SP700N是我第一款TWS耳機，上網查了一下是用了Qualcomm CSR8675[2] 但之前我就覺得這耳機怎麼可以慢的不能忍受，這次自己測看看不得了，竟然是~1050ms，這超過1秒ㄟ，這就算我這麼遲鈍的人也能夠感覺出來。
王者Apple Airpods W1 Chip
Apple Airpods 測是出來的成績為~250ms，這到底是Airpods 太強還是SONY太弱，竟然還比標準的藍牙耳機強(SONY WH-1000XM2)，不愧是TWS的王者，但因為都沒出別款顏色，再加上價格不斐，讓我遲遲無法入手。
高仿Airpods AIROHA AB1532/AB1536
現在網路上一推廠商高仿Airpods, 好處是顏色選擇比較多，而且質感還不錯，而且還是Lightning 孔，價格也只有四分之一，但網路上賣家太多，晶片方案也玲郎滿目，這次跟捧油借了一款，到底Latency表現如何，剛剛SONY SP700N都超過1秒了。Wow....340ms，特性跟SONY WH-1000XM2非TWS藍牙耳機表現一樣了，這個延遲已經夠我用了，雖然還是不比王者Apple Airpods，這款耳機採用絡達MCSync (Multi Cast Synchronization)[3]技術，後面會簡單解釋一下這是什麼，在連線穩定與延遲都有改善。
SONY WF-1000XM3 Latency 目前最夯的TWS耳機
說實在SONY SP700N已經讓我對SONY失去信心，但這個網路評價還不錯，測試了一下320ms，不錯ㄟ竟然已經跟SONY非TWS耳機的延遲同等級了，同樣是採用絡達AIROHA高階AB155x方案，這一款強調的是強大的降躁功能，但我對這個還好，要降躁我還是習慣戴耳罩式這種耳塞式都戴不久，而且這款耳機價格不斐，都可以買Airpods II了。
無線傳輸的延遲
任何數位傳輸都會有延遲的產生，另外無線傳輸會因為環境的因素干擾或突然一個角度收訊變差，有時候封包會遺漏需要重傳，所以在傳輸的時候都會預留一段時間的Buffer，避免聲音因為干擾造成使用者不舒服，這原理跟早期的CD隨身聽防震10秒的道理很像，所以在傳輸Bit-rate固定的條件下，延遲要短Buffer時間要固定，那就是資料的取樣率要下降，也就是音質要下降，這也是每款耳機可以微調的空間，在藍牙物理層沒有大幅變動的情況下，不同編碼都是在連線品質與音質之間做出平衡Trade-off。
TWS Technologies 常見的實現方式
Relay 中繼式:
目前看起來TWS最常見的方式為Relay中繼式，概念與設計相對簡單，手機只跟其中一台主機R連線，然後R再傳給L然後撥出音源，但這個方式中繼的傳輸方式就相當重要，你可以想像如果中繼方式是一條導線，那就是原本的一般傳統藍牙耳機的架構。NFMI: Near Field Magnetic Induction 近場感應技術目前都是走ISM Band B (13MHz)，因為這頻率幾乎沒有干擾也不會被人體吸收，所以可以達到低延遲傳輸。代表作品有B&O Beoplay E8 TWS，這款延遲幾乎等於一般藍牙耳機。但缺點是要多一機構要塞入13MHz天線與NFMI晶片，成本與大小設計都會受限，另外也其中一耳Bluetooth and NFMI會同時工作，所以耗電會增加。
2.4GHz: 就是走原本Bluetooth路徑，但因為Bluetooth本身是TDD的結構，當你在傳的時候就不能接收，也就是說如果原本延遲為250ms，R與L之間也是走一樣藍牙傳輸，手機要塞滿R的Buffer長度需要4倍的時間來達到一樣的品質，這也可以說明為什麼SONY SP700N的延遲會這麼誇張。
Apple Snoop
[4] US8768252B2 ]Un-tethered wireless audio system蘋果的專利可以略知一二，連線方式還是其中一個R 當主機，但是另外一耳L同時可以SNOOP訊號，不跟手機回應但也知道現在手機在傳輸什麼資料給R，然後再跟R協定好同步的時間。所以與2.4GHz RELAY相比，主機R不需要在傳輸資料給L，只需要多花Delay 2 同步的時間即可，當然這時間就看Apple本身的功力了，所以這個機制本身是不挑iOS系統或Android系統的，只要是支援標準藍牙傳輸都可以用，所以才那麼多人明明用Android也是買了Airpods來用。
TWS+ Qualcomm
高通也推出TWS+的Total Solution，從下面的概念圖可以知道很類似Apple SNOOP方式，但是R & L分開傳送，這樣的好處是每一耳只需要傳送R or L的訊號，所以在物理層Physical Layer L1沒有變動下，Data-Rate可以提升一倍，但剛剛有提到Bluetooth 是TDD系統，所以這想法有根本上的問題，在傳送R的時候就不能同時傳送給L，除非他的物理層已經重新設計過與藍牙不兼容，但我個人是不看好這個啦，畢竟是手機與耳機要互相搭配，不只是挑硬體也挑軟體(系統)。
AIROHA AIROHA New TWS Technology MCSync
AIROHA MCSync 從架構上來看，他的確長的很像Apple SNOOP的方式，測試結果也是如此，其實我覺得這方式應該才是目前的主流直到下一個世代的出現，platform independent兼容性高不挑系統與硬體，low latency延遲沒有增加太多。
Summary 心得
看來iPhone TWS的王者還是Apple Airpods，但說實在AIROHA AB153x MCSync的技術裡裡外外也算是另外一種選擇，有點類似Lexus與日本原裝進口的Toyota的味道，口袋深一點的可以買Apple Airpods，淺一點的買台Toyota Prius也是不錯開。
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[Reference]
[1] Audio over Bluetooth: most detailed information about profiles, codecs, and deviceshttps://habr.com/en/post/456182/
[2]我愛音頻網
https://kknews.cc/zh-tw/digital/nrj36qq.html
[3] 络达推出AB1532最新蓝牙5.0真无线对耳方案，功耗低至8mA
http://www.airoha.com.tw/webc/html/news/show.aspx?num=47
[4]Un-tethered wireless audio system US8768252B2
https://patents.google.com/patent/US8768252B2/en
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