<知識家> 解析通訊原理 享受藍牙不插線 無限生活免糾纏

撰文/ Elton、珊迪   修訂/書世豪

 

     過去一個世紀以來，電視成為最普遍的家庭娛樂，只要一個遙控器，無需離開沙發也能舒適地改變頻道、調整音量。

     最早用來控制電視的遙控器，是在 1950 年代發明的， 當時必須以有線的方式連結電視進行遙控，這樣的場景跳回到家中沙發上，不難想像這樣不便的操作方式可能會很掃興。

     因應人性需求，無線遙控設備誕生，並應用在各種裝置上。 此後，各種無線通訊技術蓬勃發展，儘管其中的傳輸原理不盡相同，但共通點是解決了有線傳輸的配線問題，讓使用更加便利。

 

關於無線通訊技術

     利用「無線通訊」來傳輸音頻訊號其實發展得很早，相信大家對收音機都不陌 生，只要轉動小小的按鈕，就可以調整不同的接收頻率，收聽不同的音樂。然而， 受限於無線技術設備投入門檻高、頻率使用管制等問題，在當時想要打造一個專屬 個人的無線音樂播放環境，並不是件容易的事情。而今，智慧手機徹底改變人們的 生活習慣，整體數位音樂串流生態愈趨成熟，再加上無線晶片的性能穩定成長，要 量身訂做個人化設備可說是唾手可得。

     經過 10 多年的開發投入，無線音響系統在市場上的需求越來越大。應用於音訊 傳輸的技術以藍牙與 Wi-Fi 為主，接下來將簡單介紹現今無線通訊的種類，並針對 這二項無線通訊技術進一步說明。

     在開始介紹之前，必須先了解每一種無線通訊規格。

     制定的目的。通訊工程技術的相關標準制定都是由「電機電子工程學會」 （Institute of Electrical and Electronics Engineers）來完成，其中最重要的工作就 是「通訊協定」（Protocol）的制定。「通訊協定」相當於不同國家人們使用的語 言與文法，和一位不懂中文的美國人說中文，肯定是雞同鴨講，想要溝通，不僅語 系要一致，連文法也必須遵守，否則就會出現溝通不良的狀況。而「通訊協定」就 如同機器和機器之間的語言，只要遵照標準的規範來設計產品，就能進行有效的資 料交換，進而達到機器間彼此溝通、串聯的目的。

     目前已經發佈和規範中的無線通訊技術，族繁不及備載，依照不同的通訊距離可分為 4 種：無線個人網路(WPAN)、無線區域網路(WLAN)、無線都會網路 (WMAN)、無線廣域網路(WWAN)。

 

無線個人網路 WPAN（Wireless Personal Area Network）

使用於個人的活動範圍，主要用於個人裝置及週邊設備，例 如:遙控器、無線耳機、無線鍵盤、無線滑鼠等產品。傳輸距 離約 1-10 公尺，藍牙（Bluetooth）、近場通訊（NFC）、紅外光無線傳輸（IrDA）、蜂訊（Zigbee）皆隸屬於這範疇。

無線區域網路 WLAN（Wireless Local Area Network）

使用於家中、學校或辦公室的內部連接網路， 透過無線網卡和基地台的通訊來連接上網，傳輸距離約 50-150 公尺，Wi-Fi 屬於這範圍。

無線都會網路 WMAN（Wireless Metropolitan Area Network）

    傳輸範圍在一個都市中，能夠讓使用者在都會區的任何地方連接網路，傳輸距離約 10-50 公里，大多使用於 WiMAX 技術。

無線廣域網路 WWAN（Wireless Wide Area Network）

範圍廣大，能夠跨越不同的都市甚至國家。通常應用在智慧手機、PDA 等手持式通訊設備，早期由於頻寬不足，只能應用在語音通訊，目前的技術已經可以讓使用者一邊移動、一邊上網，達到真正的行動無線寬頻網路，在此類別內的技術有 2G、 3G、4G、GSM、GPRS、LTE 等。

 

藍牙？藍芽？起源故事說分明

      說到藍牙，是否都曾有過一些疑問，是指藍色的牙齒嗎？究竟是牙還是芽？是由誰命名的呢?時間拉回到西元 1996 年，當時短距離無線通訊技術百家 爭鳴，尚無一個統一的規格，英特爾（Intel）、愛立信（Ericsson）、諾基亞 （Nokia）等公司各自研發，希望建立一個手機與其他裝置之間低功率、低成 本的無線通訊方法，並創造標準化的短距離無線通訊協定。

隔年，英特爾的工程師 Jim Kardach 與愛立信的工程師 Sven Mattisson 彼此交流兩家公司的技術，言談間，兩人聊到西元十世紀左右的一位挪威國王 Harald Blåtand（英文：Harold Bluetooth），他統一了整個丹麥的斯堪地那維亞地區，成為維京人的英雄，而這位國王很喜歡食用藍莓，牙齒經常被染成藍色，因此有了 Blåtand（Bluetooth）的綽號。

     Jim 認為這位國王統一各地區的動作，和目前各家公司想要整合無線通訊的動作有著異曲同工之妙，因此力薦使用「Bluetooth」當做此計畫的代號，Jim 甚至準備簡報介紹這個概念的來龍去脈。藍牙的 Logo 就是以這位丹麥國王的姓名開頭字母 H 與 B，並使用盧恩字母（Runes）拼寫而成。往後，只要在行動裝置或是產品包裝中看到以上圖示，就代表此款產品支援或內建藍牙的功能。

     關於 Bluetooth 的中文譯名來源，早期有一說是因為此技術尚在萌芽的階段，且「芽」字感覺較為文雅，故將 Bluetooth 以「藍芽」的中文譯名在台 灣進行商業註冊。不過在 2006 年，「藍牙技術聯盟」（Bluetooth Special Interest Group）已將全球中文統一為「藍牙」這個符合典故的譯文，也為 「藍牙」與「藍芽」令人傻傻分不清楚的狀況畫下句點。

     藍牙是無線個人網路（WPAN）的主流，以近距離（10 公尺以內）的無線傳輸需求為設計主軸。設計的初衷，是為了讓手機、電腦與週邊設備（滑鼠、鍵盤、耳機、印表機等連）接通訊時，可以擺脫「有線」的糾纏。當年第一支藍牙耳機價格高達新台幣 9,000 元，即使要價不菲且只提供手機通話的功能，仍成功地開啟了個人無線設備的新紀元。時至今日，藍牙已達成更低功耗、更高傳輸速度及更長傳輸距離的目標，幾乎所有的手機、電腦都有內建藍牙功能， 各式各樣有近距離無線傳輸需求的產品，都可透過藍牙技術加以實現。

     藍牙採用「主從架構」的配對模式進行連結，一個發射端（主設備）可以和 10 組接收端（從設備）進行記憶配對。好處是連結容易，只要完成配對，就能進行無線傳輸；缺點是，當從設備在使用中時，往往必須先中斷配對中主設備的連線，才能再度開啟配對模式與另一個主設備連線。例如：一個藍牙耳機 已經和哥哥的手機完成配對，且哥哥正在使用藍牙耳機聆聽音樂，此時若要讓爸爸使用，就必須先中斷藍牙耳機與哥哥手機的連線，才能再度和爸爸的手機進行配對。

 

AAC、SBC、aptX 編碼主宰音質優劣

     說到藍牙傳輸聲音的應用，就一定要介紹「 藍牙立體聲音訊傳輸規範（Advanced Audio Distribution Profile，簡稱 A2DP）」，這是藍牙設備間的一種通訊協定，可以在二個藍牙音訊裝置傳送高品質的立體聲音訊號。受限於藍牙有限的傳輸頻寬，為了確保傳輸音訊的過程不會斷斷續續，音頻訊號必須經過壓縮編碼。A2DP 協定支援多種音訊編碼格式，例如：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、 AAC、ATRAC、SBC、aptX、LDAC 等等，其中最常採用的是 AAC、SBC、aptX 這三種。

     最早的藍牙音訊傳遞，是採用 SBC（Sub-band Coding）音訊編碼技術，因為當 時藍牙的頻寬較窄，能傳遞的資料量不大，加上當時處理器效能不足，在壓縮的數 位資料還原成類比訊號的過程，往往造成嚴重失真。後來隨著頻寬與處理器的效 能進步，發展出 AAC（Advanced Audio Coding）進階音訊編碼的技術，主要用於 Apple 的相關產品，相較於 SBC，AAC 提供更大的壓縮比和更小的資料量，可傳輸 特定樂器或人聲所發出的高頻率聲響，獲得更豐富的聽覺享受，音質與細節優於 SBC。

     同期由 Audio Processing Technology 公司所發展的 aptX 壓縮演算法，使用高傳 真音訊壓縮技術，讓藍牙以接近「無損耗」的情況下傳送聲音，並強調能達到人耳 可忽略的超低時間延遲。所謂「延遲」(Latency)，是指音頻從訊源傳送至無線 接收設備播放所花費的時間。

     因為 aptX 是獨門技術，所以品牌商需要支付授權費才能使用，當然產品售價也 相對比較高昂。該技術在 2010 年被英國 CSR 公司所收購，緊接著 CSR 也於 2014 年被高通（Qualcomm）買下，此後使用高通技術處理器的智慧手機，幾乎都有內建 aptX 這項技術。為了因應藍牙配對的要求，收發二端的產品都必須採用 CSR 晶 片，才能真正享受到 aptX 音訊編碼的好處。一個支援 aptX 的藍牙耳機，如果搭配 iPhone6 來播放音樂，因為 iPhone6 並不支援 aptX 的編碼格式，就僅能改用 AAC 的方式來播放音樂了。

 

二次解碼再編碼，類比數位變變變

     介紹完三種音訊編碼的不同，要更進一步說明編解碼的過程如何進行。使用藍牙 音訊設備時，發射端（智慧手機、平板、電腦等）會將所要播放的音訊檔案解碼成 PCM 格式的數位訊號（Pulse-code modulation，脈衝編碼調變，是一種類比訊號 數位化的方法），之後再透過雙方都支援的編碼格式（AAC、SBC、aptX）進行編 碼，最後再經由藍牙發送至接收端（藍牙喇叭、藍牙耳機）的藍牙接收器，解碼成 PCM 格式，再轉換成類比訊號播放。

     這過程總共會經過二次解碼與一次編碼，在只有 SBC 編碼的時代， 藍牙在音樂播放設備的市場一直很難被大量採用，因為其破壞性的壓縮與編碼過程，對音訊產生的影響令人難以接受。但是隨著技術的演進，在推出 AAC 與 aptX 編碼支援後，已能滿足大部份消費者對聲音的要求。

     因此，真正影響音質表現的不是藍牙音訊設備所支援的通訊協定， 而是音訊編碼的類型，從下列圖表的數據來說，aptX 的規格確實優於 SBC 許多，但是和 AAC 就難以分辨優劣，因為數位訊號處理好，也必須搭配良好高傳真音訊壓縮技術 aptX 的類比訊號設計，才能真正地相輔相成。

 

無人區域網路（Wi-Fi）多樣多用多連接

     Wi-Fi 全名為「Wireless Fidelity」， 由「 無線乙太網相容聯盟 」（Wireless Ethernet Compatibility Alliance）所發佈，目的是為了改善無線網路產品之間 的互通性。2003 年，電腦大廠英特爾（Intel）為新一代筆記型電腦中央處理器 Centrino 投入 10 億美金的推廣費用，讓 Wi-Fi 無線上網成為一個標準配備，並積 極推展無線上網熱點。如今，Wi-Fi 熱點就像水與空氣一般，隨時隨 地，無所不在，全世界已破 10 億台的 Wi-Fi 設備同時運作。

     Wi-Fi 屬於「無線區域網路」(WLAN)，最常見的應用就是拿來上網，架構如上圖所示。先透過電話線連接到 室內的數據機，再使用網路線連接到「無線路由器」（Wi-Fi Router），在路由器覆蓋訊號的有效範圍內以 Wi-Fi 與接收端（電腦、智慧手機、遊戲機等）聯繫。由於無線的部分是透過 ISM 頻帶連線，所以無需 任何費用，使用者只需支付數據機固定網路的費用即可。

     除了拿來上網，Wi-Fi 也用於各種有無線傳輸需求的產品，並廣泛用來傳遞聲 音、影像訊號。Wi-Fi 的頻寬、傳輸速度、傳輸距離均優於藍牙，拿來傳輸音訊， 好處是不用經過多次的編碼壓縮，能保留高音質、傳遞無損音樂。缺點是造價較 高、耗電、所需的硬體空間較大、設定較繁瑣、只能在有區域網路的地方使用，不 適合用在隨身無線音響產品，例如耳機或小型隨身喇叭。

     與藍牙相比，Wi-Fi 的傳輸著重於各式各樣的音訊、影像串流技術，常見的有AirPlay、DLNA、Chromecast Audio⋯等。使用者可透過 Wi-Fi，將手機、平板、電 腦等裝置上的音訊同步分享至「相同網域」中的音響上，享受高音質的聆聽樂趣。

需特別注意的是，發射端（手機、電腦）與接收端（音響）必須支援相同的技術才能互相溝通，以下將簡單介紹這三種技術在音響應用上的差異。

DLNA

     DLNA 成立於 2003 年，由 Sony、Intel、Microsoft 等發起成立，是影音串流 技術的開山始祖。聯盟致力於建立一個共通的標準，讓不同的智慧型裝置能透過Wi-Fi 互相溝通、傳輸內容。這個技術出現的年代，影音串流媒體尚未成熟，也因 此推出的當下並沒有被大量接受。近年來，隨著家中網路、智慧型裝置的普及， DLNA 的知名度才逐漸打開，並使用於 Andriod 設備上。然而，由於 DLNA 支援的 媒體格式不多，使用上沒有其後的 AirPlay 來得普及。

AirPlay

     Airplay 由 Apple 公司於 2010 年推出，所有 Apple 的產品都內建 AirPlay 的功 能，當使用者的裝置與支援 AirPlay 技術的音響在同一 Wi-Fi 網域內，即可輕鬆將 iTunes、Spotify、YouTube 等多媒體 App 中的音樂無線同步到音響。有賴於第三 方多媒體廠商的積極開發，Apple 的影音 App 幾乎都有整合 AirPlay 的功能，市面 上也有越來越多音響品牌投入開發支援 AirPlay 的產品，再加上完善的影像鏡射傳 輸技術，AirPlay 可說是搶盡了前面默默耕耘的 DLNA 的風頭。

Chromecast Audio

     2015 年 Google 推出了 Chromecast Audio，其操作原理並非傳輸儲存在裝置 中的音樂，而是透過支援此技術的 App，讓 Chromecast Audio 從雲端取得音 樂 播 放， 目 前 已 有 Spotify、Google Play Music、Pandora 等 不 少 App 支 援。 不同於 AirPlay 與 DLNA 只支援部份的作業系統，Chromecast Audio 支援 iOS、 Android 以及 Chrome OS 等多個平台，雖然目前支援的 App 不如 AirPlay 完善，但 Chromecast Audio 也有著廣闊的前景，發展指日可待。

     本期介紹了藍牙與 Wi-Fi 傳輸音訊的技術原理與優缺點，現在市面上有許多可供 外接的藍牙、Wi-Fi 接收器，傳統的音響設備也可輕鬆變身無線音響。使用者可根 據自己的需求，挑選適合的無線音響產品，了解自己所擁有的裝置設備最適合哪種 無線傳輸，才能避免花了冤枉錢卻無用武之地，讓好的聲音傳遞到你我耳中，盡情 享受音樂帶來的美好時刻。