文摘
无线耳机已经成为首选的电子设备听音乐和免提说话。结合无线耳塞和手机的性能决定了建立通信链路的质量,因此用户体验的质量。本文提供了一个广泛的比较研究五个常见的蓝牙耳机,传输性能,在总辐射功率(TRP),是调查。的测量进行右耳塞和低和高的蓝牙频谱。此外,两个场景是:(1)耳塞放置在自由空间和(2)耳塞放在一个人的耳朵。在后者的情况下,共有12名志愿者参与测量活动。测量表明,平均性能恶化,由于耳塞的位置在人的耳朵,范围从3到6 dB在测试耳机。
1。介绍
内置蓝牙耳机,也称为耳塞,近年来已成为广受欢迎的。这种趋势只会继续随着技术走向智能耳机或“听得见的”[1]。耳塞的流行主要是由于特性,如舒适的内置适合和紧凑的尺寸,也就是说,他们是在使用和携带方便,即使没有合理的电池寿命。然而,由于小尺寸的耳塞,所有内部组件,如蓝牙芯片、放大器、天线、电池、电源管理系统、麦克风,扬声器操作所需的设备,都是满满的。这种紧密的后果之一是,只有非常有限的体积可部署的天线。限制体积基本限制了可实现的电小天线的性能(2,3]。它已经表明,一个电小天线和喇叭线圈之间的耦合可以恶化天线的辐射效率4]。同时,电池影响天线的性能可穿戴设备(5,6]。
另一个不可避免的性能问题源自于这样一个事实:耳塞的天线位于人体的直接附近,因此与生物组织相互作用。众所周知,有损人体组织在天线附近的存在可以显著降低天线性能(7- - - - - -10]。具体来说,存在的有损人体组织的近场天线导致共振频率的转变和吸收发射功率的一部分。此外,接近人体的扭曲了天线辐射模式。所有的这些影响都可以进一步加剧了这种天线是小,即。,天线是更加脆弱11]。应该提到的不利影响用户的存在取决于实际使用天线的设计(10- - - - - -13]。
多个用户对移动终端天线的影响的研究已经提出了在公共文献,可以发现,其中一些在7- - - - - -10,12,14]。调查用户对穿在身上的天线也一直在进行(11,15- - - - - -17]。一些研究对耳机性能以及天线设计的应用程序,如耳机和助听器,也被报道(5,6,13,18- - - - - -25]。
确保可靠的移动终端之间的连接和一个耳塞,均下行链路预算必须满足。在设计天线用于一个耳塞装置,应该考虑对用户的影响是很重要的,就像为移动终端天线。设计不佳的天线会导致间歇性信号损失,导致损失的音频数据包,因此减少音频质量。在严重的情况下,甚至可能断开蓝牙链接,与完整的音乐或谈话中断。为了防止此类故障的发生,每种类型的耳塞的射频性能测试需要在最关键的场景中,也就是说,当设备被放置在一个人的耳朵,也就是说,在附近的有损的生物组织。
本文提供了一个全面的比较研究的影响,人类的身体对现实生活中的广播电台一套商用耳塞的性能。到目前为止,作者的最好的知识,没有这样的作品曾被提出在开放文学。用户的系统的调查效果,提出了本文提供的信息预计减少,信号强度的整体和在特定的方向,由于用户的存在。这些知识是有价值的,天线设计师,因为它揭示了用户如何影响不同的耳塞散热器实现,从而使设计师考虑他们的结构。提出工作也是很重要的行业比较研究提出允许公司,看看他们的耳塞执行与其他竞争产品。设计的实验装置和测量系统研究感兴趣的其他研究人员需要进行类似的调查。
从公众的文学,很明显,很多努力进入无线电信道建模body-area-network(禁止)应用程序(26- - - - - -29日]。在目前的研究中,该频道是静态的,因此身体阴影不随时间变化。评价时变身体阴影只可能在耳塞在测试模式操作,不幸的是不能用于商业产品。进一步,辐射性能测量的总辐射功率(TRP),也没有特定的路径损耗( )性能测量。没有比较现有禁令路径损耗信道模型是可能的。应该提到,耳塞是商业设备,而不是原型,对他们的内部结构,因此可用的信息,例如,例如,天线设计是非常有限的。可以进行各种测试,这样最终产品是有限的情况下,一个模型相比,可以完全控制,使用。因此,本文只关注身体的不利影响用户对天线的性能选择商业耳塞。
本文从研究结果五受欢迎的电台性能和商用耳塞。耳塞的TRP第一次以自由空间,随后在一个人的存在。总共有12名志愿者参与了调查。辐射模式的变化当耳塞放在用户的耳朵,相对于自由空间的情况下,进行了探讨。身体损失评估为每个测试用例这个参数结合和捕获所有用户对广播的影响设备的性能。因此,体损失的测量可以用来比较的影响人体的天线不同的耳塞。
2。性能指标
耳塞辐射功率的能力,如前所述,TRP评估的指标。TRP是一个参数用来评估商业无线设备的整体传输性能(12,30.]。TRP是增参数组成的总和功率辐射的设备,不管方向和极化,平均范围,并计算如下(30.]: 在附近的有效各向同性辐射功率。更高的TRP意味着耳塞能够辐射更多的权力。
摘要TRP性能评估对自由空间和耳塞时放在右耳的志愿者。数据的两个场景说明1(一)和1 (b),分别。使用右耳塞,因为它通常作为主人coupled-pair耳塞。自由空间在这里定义为的耳塞安装没有附近的对象。在自由空间中,天线的辐射能力和收集无线电信号通常是比当天线附近的一个用户。在自由空间和结果在用户的面前可以评估天线上的用户操作的影响。天线性能的区别在自由空间和用户被称为身体存在的损失(10]。
(一)
(b)
使比较自由空间的辐射模式和用户存在情况下,耳塞的自由空间取向保持类似耳塞的方向当放置在一个人的耳朵。然而,两者之间的精确对准情况下是不可能由于不同耳廓的大小和形状不同的志愿者,即。,每个志愿者的入耳式耳塞的方向略有不同。这意味着不同的需要自由空间取向对于每一个志愿者,在这项工作没有保证。志愿者在身体大小也不同,从而导致不同的传播距离(损失)的不同测量探针在消声室。然而,这些影响是不可避免的在这样一个研究,评估,他们只有对测量结果的影响非常有限,他们,因此,不影响研究的结论。
如图1 (b),志愿者在测试期间坐在特制的椅子上。总共有12名志愿者参与测量活动。山庄的志愿者跨越的范围从1.62米到1.91米,而志愿者的重量范围从48公斤到94公斤。因此,志愿者介绍大型传播集团的身体大小,这是有益的调查。传播意味着提出研究的结果代表的用户从一个真正的客户影响人口,因此提供了现实的估计耳塞性能。
在这项研究中使用的耳塞是Beoplay E8 2.0, Earin平方米,Bose soundsport免费的,苹果Airpods 2, Beoplay E8三创如图2。自从耳塞都是商业产品,可用的信息,如每个耳塞内部结构的模型,天线结构,位置非常稀疏。资格的测量结果,在努力寻求不同的天线及其位置信息评估耳塞。下面所有的讨论都是基于信息中发现照片FCC网站(31日]。看耳塞的内部结构的照片,在FCC的网站,提供以下的信息使用天线获得了:(1)Bose soundsport免费使用一个天线像平面Inverted-F天线(IFA),手臂上有蜿蜒的形状;(2)天线在Earin M2是一条平面单极子但从照片不能确定精确的结构;(3)两个Beoplay 2.0 E8 Beoplay E8 3日创平面带磁单极子天线;和(4)为苹果Airpods 2,照片没有显示天线使用的类型。正如前面提到的,没有具体的不同的天线实现性能信息是可用的。耳机内的天线的大概位置,显示在图2在FCC,再次根据照片提供的网站。为不同的耳塞,明显可以看到天线定位的差异。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
3所示。测试方法
测量系统包含多个模块,如图所示的概述3。无线(OTA)测量的辐射功率进行了屏蔽消声室使用频谱分析仪(安捷伦E4440A)以及一个多功能探针Satimo星际之门24系统(SG24),由微波展望小组(MVG)。23岁SG24系统由测量探针支承环的分布。权力受到每个探针测量使用频谱分析仪操作在zero-span模式8 MHz带宽;这是最大的带宽使用频谱分析仪在这种模式下。测量两个8 MHz频带宽,集中在2.406 GHz和2.476 GHz,进行。在乐队从2.402 GHz 2.410 GHz和2.472 GHz 2.480 GHz。蓝牙通道最低起价2.402 GHz,最高的一个停在2.480 GHz。卫兵乐队是定位在2.400 - -2.402 GHz -2.4835和2.480 GHz。即,测量在蓝牙频谱的最低和最高目的。的蓝牙无线技术标准支持79个频道(1 MHz间距),总共8通道(两端的频谱)与此同时测量设置。
来抵消干扰问题,蓝牙标准使用跳频扩频技术的伪随机跳频模式的基于1600跳/秒。这些每秒1600啤酒花分布在79个频道。作为一个直接后果,是期望信号占据任何给定的通道平均每秒约20倍。
实现测量系统,频谱分析仪记录8 MHz频带(8频道)在一段时间内多次一秒;一秒钟的时间用于听一个8 MHz频带/探针和极化。从每个记录,接收到的信号的峰值只保存。由于跳频,一个活跃的蓝牙信号并不总是出现在这些8 MHz在每个记录。在这种情况下,唯一的噪音是记录。然而,测量设置期间保证完整的一秒钟测量期间,多个信号被抓,即。会,没有完全空白的测量实例。一秒钟的时间,在所有检测到的信号最强的信号只有保持和用于TRP评估。
在测试之前,使用参考天线系统校准。SG24和频谱分析仪是连接到一个电脑与软件(Satimo多测量由MVG)控制测量和记录数据。iPhone手机(X)连接到耳塞,是放置在一个射频屏蔽室(罗德与施瓦茨CMU-Z11),如图4(一)。更准确地说,上面的手机被天线射频屏蔽盖内耦合器,坐落在消声室。手机发出的信号首先是由天线接收耦合器在屏蔽室。然后,这个信号通过电缆传递到桅杆天线(见图3),放置在消声室。从这里,信号最后无线传递到耳塞。相反,一个信号传递的手机耳塞。在测量过程中,屏蔽盖被关闭(见图4 (b))为了显著减弱任何干扰信号。后者是至关重要的,因为任何强烈的干扰信号从其他发射器可能迫使手机停止,通过自适应跳频,使用感兴趣的频道(测量8 MHz频段内)。如果是后者,当虽然只提到噪声测量。此外,所有的志愿者被要求关掉蓝牙无线设备,坐在室时,为了消除腐败的测量结果。不间断的耳塞和手机之间的通信被不断确保播放音乐耳塞。手机是发送声音数据耳塞,耳塞是确认数据包发送到手机。
(一)
(b)
在这两种情况下,自由空间在一个人的存在,桅杆天线位于靠近耳塞,如图1,建立和保持沟通联系。这是必要的,因为接收到的信号(取决于沟通的方向,它是收到的耳塞或手机)非常脆弱,容易发生损失的天线耦合器以及有线和无线信号的传播损耗。此外,低于0 dB总效率的手机,桅杆,耳塞天线引入了额外的衰减耳塞和手机之间的信号。如果天线天线位于远离耳塞,不可以建立连接。
应该提到手机的蓝牙信号传递到桅杆天线,通过后者在消声室测量,TRP大约是−25 dBm。这个信号很弱,因此不会影响测量结果的TRP耳塞显著更高。
电力通过测试设备测量先后由每个探测器,分布在环高程平面(见图1),为每一个极化(正如前面提到的,一个测量,每个探测器偏振和一个8 MHz频带,需要1秒)。然后,桅杆/椅子旋转方位,并再次电力测量。这个过程一直持续到完整的覆盖范围,然后最终评估结果TRP值使用附近测量值。每个测量完成海拔和决议的方位分辨率。这些值被选中作为一个测量时间和密度之间的权衡点,即,更多的意味着人在室呆得更久。一个完整球面测量8 MHz频带宽过程需要几分钟的时间。因此,为了减少测量时间,只有低和高的蓝牙光谱测量。
4所示。结果与讨论
中央频率2.406 GHz 2.476 GHz,下面用于指定的测量结果进行了乐队2.402 -2.410 GHz -2.480和2.472 GHz,分别。
4.1。自由空间测量
自由空间结果TRP测量每个测试耳机的表所示1。大多数耳机显示明显的差异在光谱的两端传输性能。
一般来说,设备有更好的表现在更高的频率除了Earin平方米,唯一的设备显示更高的TRP在更低的频率。TRP测量值和低的差异和高频性能测试设备中由于不同的输送功率和耳塞天线的设计。
在消声室的一个示例测试设置如图1(一)。正如前面提到的,是努力的方向自由空间类似于入耳式耳塞的取向。为了更好地可视化,使用的坐标系统消声室的测量提出了关于一个坐着的人,如图5。归一化测量附近辐射模式的耳塞在自由空间,以2.406 GHz,如图6。所有提交结果通过测量如下:(1)附近辐射模式是以消声室和(2)为每个耳塞,辐射模式规范化耳塞的最大值。以这种方式显示测量结果之间的辐射模式允许一个简单的比较耳塞。耳塞辐射模式之间的相关性最低2.406 GHz和2.476 GHz相当较高值是0.93。因此,辐射模式的形状变化无关紧要的整个蓝牙频带。然而,不同形状的耳塞是观察之间的辐射模式。在这里,所有的测试设备,苹果Airpods 2似乎最定向辐射模式,指出离开的方向,用户的头将礼物。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
4.2。测量在用户面前
TRP耳塞时测量结果放置在志愿者的右耳展示在表2。观察到的是更大的较小尺寸的耳塞(Beoplay和Earin)。一种天线的解释可能是,体验更强的影响差异志愿者耳廓的形状和大小。这可能导致更大的影响较小的天线之间的距离和耳廓相比,相同的距离更大的earbuds-Apple Airpods 2和Bose soundsport免费(见图2)。TRP耳机之间的差异的结果结合不同的天线设计,用户不同程度的影响,这取决于天线设计和布置,不同级别的输入功率。
图7显示了归一化意味着测量附近的辐射模式,所有志愿者,平均每个耳塞在2.406 GHz。在自由空间中,辐射模式之间的相关性为2.406 GHz和2.476 GHz相当较高相关性是平均0.96当过志愿者和耳塞。可以看出,耳塞的平均辐射模式有相似之处。更具体地说,(1)最低的相关性是在2.476 GHz 0.82 0.84 2.406 GHz和;(2)相关所有耳机是在2.406 GHz和2.476 GHz 0.92;和(3)最高的相关性为0.96 0.95 2.406 GHz和2.476 GHz。这些结果表明,用户往往存在统一的形状耳塞天线的辐射方向图,即使他们有不同的设计和配售。这个时信号阻塞的结果从用户的身体。
(一)
(b)
(c)
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(e)
4.3。身体损失
多少是极大的兴趣研究天线性能影响的用户。为此,身体损耗参数显示系统的性能恶化时放置在人体附近。身体丧失独立于通信的方向,这意味着它有相同的价值无论如果测试设备在传输或接收模式。因为这个参数,在我们的案例中,被定义为权力通过天线的区别在自由空间和用户的存在,实际功率港天线并不重要,因为它是相同的在这两种情况下,因此中减去。因此,身体的损失是一个非常有用的工具来比较耳塞基于他们对用户的存在。
分布的意思是,所有志愿者,平均在2.406 GHz身体损失测量角度如图8。更高的身体损失价值意味着用户对天线性能有更强的影响。负面的身体损失意味着在一定方向,辐射高的用户比自由空间。一个人可以看到,大的变化之间的身体损失耳塞。
(一)
(b)
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(e)
表3显示每个耳塞的测量身体的损失。标准差是一样的TRP测量志愿者(见表2)。平均值而言,苹果Airpods 2显示了身体损失在最低频率,而Earin M2在最高2.406 GHz和Beoplay E8 3日创2.476 GHz。最大的差异意味着身体损失在设备3 dB。在2.406 GHz, (1) Bose soundsport免费3 dB最低身体损失而苹果Airpods 2和Beoplay E8 3日创1 dB, (2) Earin平方米12 dB最大身体损失而5 dB的Bose soundsport自由和苹果Airpods 2。在2.476 GHz, (1) Beoplay E8 2.0 2 dB最低身体损失而Bose soundsport免费4 dB和(2)Beoplay E8 2.0 10 dB最大身体损失为6 dB苹果Airpods 2。最大和最小值之间的差异的9 dB在2.406 GHz和8分贝2.476 GHz。
从图6可以看出,苹果的天线设计Airpods 2是更多的方向,当以自由的空间,比其他设备测试。苹果的最大辐射方向Airpods 2是远离目标用户,如图6 (d)。查看图7发现所有测试设备显示,形似辐射模式测量时存在一个志愿者。辐射的方向性这里可以归因于身体阴影的志愿者。比较数据6和7,显然是看出苹果Airpods 2设备是由用户的身体当辐射特性影响最小。这也是支持的结果列在表中2,苹果Airpods 2显示最低的意思是身体失去价值。
一起,大部分耳机显示更高的身体损失在更高的频率,即。,天线性能影响更大的高端蓝牙频谱。
5。结论
在本文中,一个广泛的比较研究5的性能受欢迎的耳塞。测量是基于12名志愿者的参与,这提供了一个相当大的数据集,因此可以提供一个代表发现用户的身体对耳塞的性能的影响。
测量的耳塞在自由空间的传输功能,当放置在一个人的右耳,已经进行了两个8 MHz乐队集中在2.406 GHz和2.476 GHz。大部分的耳塞有更高的辐射功率较低的频率。最大的观察差异TRP之间的低和高频段是5 dB在自由空间和3 dB(使用平均值)的一个人。索取耳塞演示TRP变化较低的一个人。用户的存在改变了辐射模式,从而大大降低耳机之间的差异在这方面。在自由空间和用户的存在,每个耳塞了类似的低和高辐射模式的蓝牙频谱。
为了评估用户对天线性能的影响,身体损耗参数评估。身体损失在耳塞的差异是由于不同的天线设计和配售。最大的差异意味着身体发现两个频率之间的损失小于2.5分贝。最低的身体损失测量是1分贝最高的一个是12 dB。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从Zhekov博士获得电子邮件:(电子邮件保护)。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢克里斯蒂安先生他伟大的帮助银行所有的测量。同时,作者要感谢所有的志愿者参与的测量活动。本研究部分内部资金和部分由无线工业公司。