apple4us

iPhone 4 归来:分析 iOS 4.0.1 和天线问题

这是 AnandTech 在 iPhone 4 评测之后,又一篇深入分析天线问题的文章。发表时间在 7 月 16 日苹果召开新闻发布会的前一天。这场发布会结束后,人们的心态可能有所不同,用当时的语境阅读本文也许更好。

AnandTech 得以测试的前提,是在 iPhone 4 上找到了显示数字信号强度的办法。苹果在 iOS 4 中删除了工程模式,以往在电话界面输入串号启动的方法已不适用。经过他们的测试,在使用绝缘性能最好的胶带后,iPhone 4 的信号减损比裸手接触时降低 8dB 左右,和 iPhone 3GS 与 Nexus One 在裸手握紧后的衰减幅度相似。

之前,天线工程师斯潘塞·韦布(Spencer Webb)认为胶带解决不了问题,因为高频率的射频信号穿过绝缘膜,会在手部和天线之间形成电容,导致短路。可是经过 AnandTech 的测试,好的绝缘胶带减少了 9dB 的衰减,作用明显。这两者有矛盾吗?应该是没有的。天线问题出现后,用户开始自己找胶布粘上,韦布所说的「胶带」可能指的就是这种 — 常见、绝缘性一般、厚度薄,如透明胶。AnandTech 使用的是绝缘性最好聚酰亚胺的胶带,较厚,粘住了不锈钢边框上所有接口,且宽度恰好和 iPhone 4 的外框相同。

我们在「iPhone 4 的天线问题」一文中提到,iPhone 4 的天线设计是多方妥协的结果,这其中有 FCC 对 SAR 的要求,有 AT&T 基站的原因,也有苹果对设计的坚持。妥协中暗含激进 — 这种「发烧友式」的执着,科技公司中,苹果大概是最明显的了。

iPhone 4 的信号接收能力更好(拿到 iPhone 4 的读者不妨测试一下 WiFi 性能,尤其是握紧边框后的 WiFi 性能 :p ),是因为更灵敏的基带芯片和裸露天线。极弱信号下 iPhone 4 保持通话和数据传输的能力更强,意味着,也许这是一部适合户外探险的手机。在弱信号下握住「死点」,iPhone 4 的衰减幅度比其他手机更大,使用外套可以大为缓解该症状。在信号良好的区域,问题不明显,特别当升级到 iOS 4.0.1 后。

你或许有所不知,对 iPhone 4 天线的研究已近细致入微。在 AnandTech 的 iPhone 4 评测中,我们调查了 iPhone 4 的天线并得到两个结论:第一,iOS 4 呈现信号强度的方式过于乐观,压缩了信号格的动态范围。第二,经过测试,在左手握紧机身的最坏情况下(盖住黑条,失谐天线并衰减信号),iPhone 4 的信号大约会下降 24dB。

完成初期的测试后,我们开始全力以赴地寻找问题背后的机制,并提出了一些可能的解决方案。

信号条变了

7 月 2 日,苹果在一封公开信中指出,iOS 4.0 显示信号强度的公式「完全错了」。这和我们的结论不谋而合 — iPhone 显示信号强度的方式凸显了信号格下降的问题,动态范围被压缩地如此剧烈,以致于在手掌紧握并没有加套的情况下,24dB 的衰减就能让所有格子消失。

苹果接着在信中承诺,下一个软件更新中,信号指示器第一到第三格的高度会增加,信号显示将更为准确。在一些情况下,信号强度会比原来减少两格。(在本文中,第一格指的是最短格,第五格是最高格。)

iOS 4.1 测试版昨日(7 月 14 日)发布后,我们立即开始测量新的映射算法。更新:iOS 4.0.1 今天下午刚刚发布,我们完成了初步测试。其信号强度的映射算法和 4.1 测试版相同。本文中的调查结果适用于 4.0.1 和 4.1 测试版。

在将设备更新至 iOS 4.1 测试版(和 4.0.1 ),并确保以 dBm 显示信号强度的办法仍然可用后,我们动身了。记得上次我说过如何测试的吗?带着 iOS 4.0 在镇里四处转了一整天,测试手机,记录信号强度和对应的格数。你猜对了 — 另一次更新,另一次夜晚巡游。阿南德(Anand)和我同时行进,整个过程几乎都在路上,以得出各个新临界点的数值。

旧的信号条

新的信号条

结果确凿无疑 — 苹果在 iOS 4.0.1 和 4.1 测试版中显著更改了信号强度到信号格的映射方法,总体的动态范围更广,每一格所代表的强度范围更宽。第三格和第四格的信号范围变得相同,第二格比它们略微减少。

第二格到第一格的临界值没有改变(编者:前后均是 -107dBm。)但其他临界值都增加了。其结果是,即便在遭遇 24 dBm 衰减的最坏情况下,信号条也不会突然消失(编者:原第五格到第四格的临界值是 -91dBm,衰减后为 -115dBm,在 iOS 4.0 中,当信号强度低于 -113dBM 手机显示无信号,iOS 4.0.1 的最低端临界值是 -121dBm。),而是减少到第二格。

AnandTech 的读者麦克·艾斯科福瑞(Mike Escoffery,Media Platforms 设计和用户体验部门的经理)制作了一份简图,用来比较新旧 iOS 的信号强度算法。

看上方的旧算法,第五格所占比重过大。苹果的新办法不仅更合理的调配第四格和第五格(但仍非线性,第五格权重依然较大),也拓展了弱信号格的范围。

这种变化也体现在我们的数值强度测试中 — 动态范围更大了。在此之前,iPhone 显示的最低值是 -113dBm,但 iOS 4.0.14.1 中,这个值达到了低得惊人 -121 dBm。我在 iPhone 4 评测中说过,错误的握姿会衰减信号,弱信号区域会更明显。在 -113dBm 下,iPhone 4 的通话和数据传输似乎未受影响,令我震惊。低于-113dBm 的额外 8 dBM 似乎是为了显示这台设备有多灵敏 — iPhone 4 无疑更为灵敏。信号一路下降到 -121dBm,阿南德和我在通话测试中都没有断线。

下方是我们制作的一张比较图,加入了最新版 Android 显示 GSM 或 UMTS 网络信号的方式。幸运的是,我们不再需要上路测试,最新的 Android 源代码里有这个数据。Android 用 ASU 值计算信号强度,这个数值可以转换成 dBm,只是更便于理解。

经过这次更新,iPhone 信号映射的动态范围似乎从之前所有手机中最剧烈的程度,降低到比 Android 更少。

虽然,软件更新显然不会,也不可能解决天线设计的瑕疵,或减少握持带来的影响。但是,它的确可以改变用户感知该问题的方式。结果是,当裸手接触 iPhone 4 后,信号格减少的幅度会变少。但副作用是,在多数地方,iPhone 显示的信号格数总体更少。看不到 dBm 值的用户也许会有一些气愤 — 之前显示完美信号的地方,现在不是那么回事了。

有趣的是,苹果确实改变了第一、二、三格的高度。它们更高了,因此相对高度不再线性增加,而是变得有些指数的感觉。这是一个小把戏,无疑,苹果希望信号看上去更好。如果格子变高,便意味着更强的信号,对吗?

从上到下:iOS 4.1、iOS 4.0 和 Android 2.2

可能是料到一些用户会抨击 AT&T,苹果便没有在信号格的显示上妥协 — 这招曾用来使信号看起来更好。无论格子多高,显示的格数总体上少了。另一个有趣的是,虽然第一格和第二格改变最大,但是它们间的临界点没有改变。

当测试 iOS 4.0.1 时,我告诉阿南德,这个从 iPhone 3G 开始加入的「假算法」已经被完全移除。iOS 4.0.1 也许反应了 AT&T 真实的信号覆盖,而且信号指示器的准确程度提升极大。

我们在装有 iOS 4.1 测试版的 iPhone 3GS 上也做了测试,结果一样。

低端更好,其他则各有优劣

布莱恩(Brian)想出了在 iPhone 上显示数字信号强度的办法,在 AnandTech 的 iPhone 4 评测中,它表现的很好。但接着就有很多人质疑,这种测试能够说明问题吗?

部分困惑源于这样的一个事实 — 实地测试天线所需的时间紧凑。正如布莱恩之前提到的,为了这篇文章,我们在各自所在的城市驾驶,停在不同地点,测试信号强度并记录格数,才有了这些图表。

为何 iPhone 4 的天线问题争执不断?无法否认,苹果在这里扮演了一个重要的角色。事实是,iPhone 4 在某些握姿下,的确比竞争对手的产品更容易失去信号,但苹果只是简单地表示会修正信号的显示方式,直到惹毛大众,要求召回。

我母亲总是教导我说,诚实是最好的对策。我相信世界上不只我一人知道这个道理。如果苹果早将这些事情(信号映射以及衰减问题)和盘托出,事情就不会变成这么复杂。

我们一直认为,iPhone 4 的天线设计是苹果的一种设计选择。正如我们所看到的,在某些情况下,iPhone 4 天线的表现更好(例如超低信号强度下,通话不易断线),而在其他情况下,这种设计会带来负面结果(例如在低信号下错误的握持)。我想用更多的细节来描述这种矛盾,于是我选择同时携带 iPhone 3GS 和 iPhone 4,并记录下我的体验。

在实践中和 3GS 对比后,我发现 iPhone 4 天线性能的三个特点:

1、在平均条件下,iPhone 4 的信号接收能力有时显著强于 3GS。

请看下图。在完全相同的地点,iPhone 4 的接收效果好于 3GS,当然,这也许可能是因为天线以外的其他因素,但它反复出现,值得记录。这是外置天线设计带来的好处 — 你可以获得更好的接收性能。不幸是,这种折衷有不良影响,我在之前已经说过。

iPhone 4(左)-81 dBm,iPhone 3GS(右)-94 dBm

信号强度有时候等于或不如 iPhone 3GS — 这便是问题所在。下图中,iPhone 4 和 3GS 的信号强度大致相等。我们已经证明,握住手机后的衰减幅度 iPhone 4 要大于 3GS,许多人也都遇到了。在信号强度相同的情况下握住手机,iPhone 4 信号下跌的程度比 3GS 明显更加严重。如果在低信号区域,握住手机会把信号拉低到危险的级别。

iPhone 4(左) -103 dBm,iPhone 3GS(右) -104 dBm

紧握 iPhone 4(左)-115 dBm,紧握 iPhone 3GS(右)-107 dBm

iPhone 4(左)-77 dBm,iPhone 3GS(右)-66 dBm

在极低信号下,iPhone 更容易维持通话和数据传输。我们也提到过这点,但值得重申。新的天线让我在极低信号强度下能打通电话并传输数据。升级到 iOS 4.0.1 的 iPhone 3GS 可以在 -115dB 下打通电话,但是一分钟不到就断线了,相比之下,我用 iPhone 4 在 -120dB 下打了一通长的多的电话,没有断线。这绝不是一个科学的比较,但有趣的是,布莱恩和我都觉得低信号性能 iPhone 4 比 3GS 强。

iPhone 4 在 -120dB 下的通话

如果你一直关注这个话题,你会知道这是所谓的「权衡取舍」。苹果选择了更好的低信号性能,而不是像 3GS 那样更好的持续性或不变的射频性能。我个人认为没有必要冒这种风险,特别是对于一家智能手机的厂商。请注意,撇去天线来考察是什么决定了 iPhone 4 在多种条件下的信号灵敏度几乎是不可能的,我们只知道接触天线如何影响信号强度。

我不能过分地强调,这个问题影响到所有用户,它取决于信号强度,这就是为什么不同的 iPhone 4 情况不同的唯一解释。在我的书桌上,AT&T 的信号不好,iPhone 4 通常显示为 -96dBm。如果我握紧手机或者在发短信的时候握住它,有时候信号全失。这是我家信号不好和 iPhone 4 在某些握姿下比其他手机更易丢失信号产生的综合结果。

布莱恩家的信号好得多。对他来说,信号强度虽然下降了,但不足以造成麻烦。我认为自己在基站覆盖的边缘。如果我留意到握电话的姿势,这便不是问题,而且大多数时候,即使我忘了这么想,也没有问题出现。当然,有时候的确成了问题 — 虽然频率不多,可能低于 10% 左右,但足以让我注意到它了。归根结底,这就是为什么我认为,苹果的这项设计是不必要的冒险。这种改变使外观和技术受益,造成的影响虽然有限,但却极为明显,真是有种。

幸运的是,还有解决的办法。

用胶带或手套缓解症状

初测 iPhone 4 时,我试验了不同手势以及加上外套后对信号强度的影响,结果可以在之前的文章中看到。

上表中三栏,从上到下分别是 iPhone 4,3GS,Nexus One

得到这些数字后,我的第一个想法是,有两个重要因素影响了 iPhone 4 的信号降低。首先是失谐(Detuning)。手与不锈钢接触产生电流,形成电容,手也可能连接两只分离的天线。其次是 850MHz 和 1.8GHz 射频信号无法完整穿过人体所产生的衰减(Attenuation)。人体的主要成分是水 — 这是真的,苹果在公开信中也着重提到这点 — 当手挡在基站和天线之间,所有手机都会遭受影响。但真正的问题是 24 dBm 的下降,这其中有多少是受到人手电流接触的影响(失谐),有多少是因为手的生理特性(主要由水组成,并且靠近辐射表面)?

问题一经确认,许多人立即自己动手,粘上绝缘胶条。另一些人建议带上橡胶手套。我想两个都试试。

请允许我向您介绍我的朋友:聚酰亚胺胶带(Kapton Tape)。

不,这不是黄金版 iPhone 4,也不是烫了金的不锈钢(无数人这么问过…)这是世界最牛鼻胶带所固有的琥珀色。我设法找到一卷一密耳(Mil,25.4 微米)厚的聚酰亚胺胶带,宽度正好和 iPhone 4 的不锈钢边框一样宽。不可思议,它们天衣无缝,不需要任何裁剪或修改,正正合适。

为什么聚酰亚胺胶带是上选(而不是你祖母的电工胶或管道带)?因为它是柔性印刷电路的工业标准。事实上,用来隔离柔性印刷电路板天线的就是它了。这种胶带有着巨大的阻抗,因此当握住它时,手和不锈钢之间完全绝缘。

我用带子包了 iPhone 4 一圈(不只在左下侧的问题拐角)以保证完全绝缘。当然这么用做也有问题,因为盖住了连接口、扬声器和麦克风 — 权当测试好了。其另外一个作用是模拟 iPhone 4 在厚胶带(25.4 微米)下的表现。在测试中,我的握持方式和在之前的试验中衰减 24dBm 的方式一样。

我还戴上了一只普通的乳胶手套(是的,真的),然后握住没粘绝缘胶带的 iPhone 4。没什么特别之处,只是一只实验室手套,接着握住电话测试。

结果不言自明。

以上三栏中,从上至下分别是 iPhone 4,3GS,Nexus One

之前,在没有外套并握紧手机的情况下,信号下降了 24.6dB。包上胶带后这么做,信号下降 16.6 dB,用乳胶手套的测试结果是 14.7 dB。完全和不锈钢绝缘减少了 9dB 的信号降低。其余 16 dB 是因为手掌靠近电话产生的衰减(Attenuation)。

这就是说,如果苹果应用了最好的涂层,或许能将信号减少降低到 15 或 16dB — 和之前测试 Nexus One 最糟糕的情况相同,也几乎同测试 iPhone 3GS 时最糟糕的情况相同。用一年时间研究,将信号折损降低到其他手机的水平,很难说这不是一种解决方案。

但是,粘上胶带不能完全解决问题,而且也不如加套的效果好。事实上,如果你真的很在意信号降低,那就买个外套吧,会明显降低手掌贴近天线的辐射表面而产生的信号衰减。

不锈钢氧化涂层

我咨询了一些材料科学行家,问他们 iPhone 4 的不锈钢天线是否可以镀一层绝缘涂层。

我得到的答案是,不锈钢由于其「不锈」的特性,难以镀膜。这种金属在表面形成一层惰性氧化物,氧化物本身是不良的导体,但成为了保护层,用于以防止暗锈和腐蚀。这一层使金属变得不易生锈,也使它难以镀膜。一些品级的不锈钢显然比其他的更容易镀膜,但几乎所有品级的都需要先磨损或化学蚀刻,接着用气相沉积覆膜。

镀膜并非不能,谣传几周后出厂的 iPhone 会加入镀层,如果这是真的,苹果显然已经在动手了。我觉得,苹果不可能不考虑镀层。

更新

本来以为我的聚酰亚胺胶带有 5 密耳厚,原来是这是 1 密耳厚的聚酰亚胺,加上粘结剂,一共 2 密耳厚。这是普玛司牌的 P-221 胶带,被誉为电气绝缘的「终极」产品。

召回无望?

Gizmodo 报道说(iFixit 接着跟进)一些用户称,新的 iPhone 4 在不锈钢外框上加入涂层,缓解了握紧手机造成的信号衰减。理论上讲,使用正确的涂层,苹果可以提供和测试所用聚酰亚胺胶带一样的效果。我们至今尚未获得这些加了涂层的 iPhone 4。

于是我们找到了一只 2010 年第 28 周(编者:7 月 11 日至 7 月 17 日)生产的 iPhone 4 (序列号左数,第 4 和第 5 个数字表明了生产时间),接着用万用表测试。测试结果,电阻和我们手中的早期 iPhone 4 没有差别。换言之,外框一样地导电。虽然这并不能排除苹果可能改变了手机的制造过程,但我不会把时间浪费在对这只刚刚出厂的手机穷追猛打。

近程传感器

直到两天前,我和阿南德从未遇到 iPhone 4 近程传感器(Proximity Sensor)的问题。这种传感器用于侦测脸部与屏幕的距离,例如打电话时。如果二者靠近,则关闭屏幕,防止意外触碰并节约能耗。近程传感器问题的症状是,手机假设用户的头部已经离开,从而重启屏幕。它发生在通话之中,常导致脸颊在屏幕上意外地操作。

前两天打电话时,近程传感器突然认为我的脸部已经离开,接着,我的脸颊无意间碰开了联系人列表,并发起了 Facetime 请求。当时我还在讲电话,所以没发现,直到 iPhone 提示 Facetime 连接无法建立才了解(因为那个联系人没有 iPhone)。

我经常打电话,这是第一次也是唯一一次近程传感器失灵。我们仍在对其进行调查,但现在还不能肯定问题的原因,或者 iOS 4.1 是否能修复这个问题。

结语

iOS 4.0.1 的新信号显示算法更准确。升级后,用户对手机信号「变差」的反应,无论是变得疑惑还是对 AT&T 暴跳如雷, 仍待观察。在我所住的地方(卡罗来纳州罗利市),方圆几英里内 AT&T 的信号强度很少超过 -90 dBm。最好的情况不过 -80 dBm,我得开上十分钟的车才能见到满 5 格信号。

不见得每个人都喜欢新的信号格,但对苹果的诚实之举,不应批判。我们还希望苹果开放查看数值信号强度的办法,至少,这是迈向透明的一步。不幸是,这只是问题的一部分。

昨天,微软的 COO 认为 iPhone 4 是苹果的 Vista。我更进一步,将它称作苹果的首个「微软时刻」。我的意思不是苹果正在走向微软的老路,而是更愿意将其称作因为苹果巨大的成功所导致的一种结果。现在的苹果同多年前的微软一样,容易引火烧身。

雪豹有过电池寿命的问题Mac Pro 播放 MP3 时 CPU 占用率高、甚至当第二代 Unibody MacBook Pro 出现 SSD 问题时,抗议也没有如此强烈。虽然 Mac 用户同样关心硬件问题,但是没有足够的用户基数,无法产生 iOS 那样的暴民效应。iPhone 用户成千上万,这不会是苹果最后一次感到群情激奋。

要说一大部分是苹果的错。任何一家经常推出新品的公司都会进行回归测试。例如,在经常更新驱动程序的科技公司,这点尤为普遍。回归测试是为了确保新增入的功能不会产生破坏。如果你生活在信号不错的地方,iPhone 4 的这种设计折衷便不成问题,但如果不在,问题就来了。和上文中苹果种种愚蠢的行为结合在一起,让我不由地认为,苹果今后需要做更多的测试。在之前有关麦金塔的文章中,我也提到过这点。

苹果真的应该公开讨论这个问题。没有理由不拿出自己的测试结果 — 就像我们在 iPhone 4 评测中做过的,二者一模一样。

iPhone 4 的电池寿命超越任何同级产品,性能良好而且屏幕出色。天线问题的显现与否,确取决于 AT&T 在当地的信号覆盖。因此,AT&T 也有责任。我在 AnandTech 的 EVO 4G 评测中说过,Sprint 和 Verizon 似乎通过降低数据传输率来维持更连贯的覆盖效果。相比之下,AT&T 的峰值传输速度更高,但是接收效果的变化剧烈的多。

诋毁性的批判罕有用处,但苹果应有所行动。加了外套后,iPhone 4 的表现和 3GS 无异。紧紧握住加套后的手机,信号降低的程度与 3GS 和 Nexus One 相似。为不锈钢外框镀绝缘涂层会明显缓解症状,但不会消除这个问题。

装上外套的 iPhone 4,莎拉·特雷纳

第三个选择是重新设计内部元件,甚至可以回归 3GS 式的天线设计。我不确定这是否必要,因为苹果的选择还有很多。

我们最初的看法仍然不变:苹果应该为 iPhone 4 用户提供免费外套。小里小气从来不是维持顾客忠诚度的办法。假如苹果已经找到了解决办法,那么引入绝缘天线并为已售出的 iPhone 4 替换,是很明智的选择。苹果计划在明天举行一场有关 iPhone 4 的新闻发布会,很可能讨论到这些问题。不到 24 小时,我们就会知道苹果自己的看法和解决方案了。

[原文链接;作者:Brian Klug 和 Anand Lal Shimpi]