基于藍牙5.2的新一代低功耗藍牙音頻LE Audio

任馨宇

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京，100041）

藍牙技術(shù)是一種支持無線設(shè)備進行短距離通信的技術(shù)標準，可以實現(xiàn)固定設(shè)備和移動設(shè)備間的近距離數(shù)據(jù)交換。因其具有低成本、低功耗、可拓展性強的特點而被公認為是最廣泛的短距離無線通信技術(shù)。近年來，隨著藍牙技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍從早期的無線鼠標、無線耳機、移動電話、筆記本電腦、音箱等消費類電子產(chǎn)品，逐步拓展至汽車、醫(yī)療、航空、軍用等等領(lǐng)域。盡管如此，音頻仍然是藍牙技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，同時也是藍牙技術(shù)使用時間最長的應(yīng)用之一。

藍牙技術(shù)聯(lián)盟希望隨著下一代LEAudio音頻標準的推出，所有開發(fā)人員都將從基礎(chǔ)設(shè)施上獲得一個更強大、更靈活的平臺，并為他們未來20年的創(chuàng)新奠定堅實的基礎(chǔ)。現(xiàn)在的藍牙音響是基于ClassicAudio音響，已經(jīng)有20年的歷史；隨著新產(chǎn)品和新技術(shù)的出現(xiàn)，如TWS無線熱狗和藍牙助聽器等復(fù)雜產(chǎn)品的出現(xiàn)，現(xiàn)有的標準已經(jīng)不能完全滿足這些創(chuàng)新需求，藍牙技術(shù)聯(lián)盟的一些成員公司已經(jīng)推出了獨立的創(chuàng)新。這次推出LEAudio是希望統(tǒng)一音頻標準，有利于推廣新產(chǎn)品，帶來音頻分享等新的應(yīng)用場景。

對于傳統(tǒng)的音頻設(shè)備而言，藍牙音頻傳輸應(yīng)用協(xié)議A2DP(Advanced Audio Distribution Profile)定義了在ACL信道上進行單聲道或立體聲高質(zhì)量音頻數(shù)據(jù)流傳輸?shù)倪^程，是一種被廣泛應(yīng)用的應(yīng)用協(xié)議，其中最為典型的應(yīng)用就是藍牙耳機。A2DP可以實現(xiàn)智能終端設(shè)備和藍牙耳機之間點對點的高品質(zhì)音頻數(shù)據(jù)傳輸，為用戶提供優(yōu)質(zhì)的聽覺體驗。然而，隨著藍牙技術(shù)的由傳統(tǒng)藍牙向低功耗藍牙方向演進發(fā)展，低功耗藍牙音頻設(shè)備和應(yīng)用場景不斷出現(xiàn)，A2DP無法繼續(xù)滿足某些場景，例如A2DP僅支持點對點的數(shù)據(jù)傳輸方式，而無法實現(xiàn)同步地點對多點的數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，A2DP設(shè)備的輸出端和接收端會存在延遲，而且沒有數(shù)據(jù)保護，傳輸過程存在安全性問題。就傳輸速率而言，A2DP設(shè)備在進行數(shù)據(jù)傳輸時要求傳輸音頻數(shù)據(jù)的速率必須小于藍牙的傳輸速率。

基于上述問題，新一代低功耗藍牙音頻技術(shù)標準LE Audio應(yīng)運而生。LE Audio是采用低復(fù)雜性通信編解碼技術(shù)實現(xiàn)低功耗傳輸高品質(zhì)音頻的新一代藍牙音頻技術(shù)標準，其引入了低功耗等時信道LE Isochronous Channels和低復(fù)雜性通信編解碼技術(shù)LC3，從而可以實現(xiàn)更為靈活的音頻分享功能。

LE Isochronous Channels可以實現(xiàn)同步點對多點的數(shù)據(jù)傳輸。眾所周知，在藍牙傳輸過程中，保持連接狀態(tài)是非常消耗功率和帶寬的過程。如何有效利用資源構(gòu)建低功耗高效傳輸通道和傳輸策略是解決這一問題的關(guān)鍵。在低功耗藍牙設(shè)備連接過程中，需要至少7.5 ms的收發(fā)數(shù)據(jù)周期connInterval。藍牙設(shè)備在進行點對多點數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，通過LE Isochronous Channels可以將輸出端和接收端同步在一個時間框架內(nèi)，建立了有效的數(shù)據(jù)傳輸機制：數(shù)據(jù)多時，利用connInterval的時隙進行數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)少時，通過拉長時間間隔達到降低功耗的目的。LE Isochronous Channels支持連接模式和非連接模式。在連接模式下，發(fā)送端設(shè)備Master可以向接收端設(shè)備Slave發(fā)送連接同步數(shù)據(jù)流CIS(Connected Isochronous Stream)請求，一個Master在一個連接同步組CIG(Connected Isochronous Group)中最多可以建立31個CIS。對于非連接模式而言，藍牙技術(shù)不斷改進傳輸機制以增強低功耗藍牙設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?。Bluetooth 4.0提出了傳統(tǒng)廣播Legacy Advertising。每隔一段時間，低功耗藍牙設(shè)備可以在37、38、39信道發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包，發(fā)送廣播之間存在廣播間隔advInterval。由于不同設(shè)備之間如果advInterval和時間步點都一致，會存在互相干擾，因此Bluetooth 4.0提出了隨機延時advDelay，有效地提高了低功耗藍牙設(shè)備的魯棒性，但是無法解決功耗問題且無法實現(xiàn)周期性廣播。Bluetooth 5.0提出了周期性廣播Periodic Advertising。在37、38、39信道廣播第二信道中的輔助包(Secondary Advertising)信息，從而建立周期性廣播。進行信息交互的Bluetooth 5.0設(shè)備在0～36信道以固定步長廣播。Bluetooth 5.2在Periodic Advertising的基礎(chǔ)之上提出了廣播等時信道Broadcast Isochronous Channel，支持非連接狀態(tài)下多接收端數(shù)據(jù)流同步傳輸。發(fā)送端和接收端之間可以通過非連接同步信道建立單向連接。多接收端設(shè)備可以同步監(jiān)聽發(fā)送端的廣播數(shù)據(jù)包，獲取廣播同步組BIG(Broadcast Isochronous Group)字段，實現(xiàn)與相應(yīng)的同步數(shù)據(jù)流BIS(Broadcast Isochronous Stream)信息同步。

LC3是基于塊的轉(zhuǎn)換音頻編解碼技術(shù)，它定義了應(yīng)用于音頻配置文件的有效藍牙音頻編解碼器，此編解碼器可以通過多種比特率對語音和音樂進行編碼，并且可以合并到任何藍牙音頻配置文件之中。簡單而言，低復(fù)雜性通信編解碼器是一種具有低算法延遲，低復(fù)雜性實現(xiàn)，且具有廣泛可用比特率的編解碼器。本文討論的編碼器和解碼器均以10 ms和7.5 ms的幀間隔工作，采樣頻率為8 kHz、16 kHz、24 kHz、32 kHz和48 kHz。當輸入信號的采樣頻率為44.1 kHz時，使用與48 kHz相同的幀長度，因此10 ms幀間隔的實際幀持續(xù)時間略長，為10.884 ms；而7.5 ms 幀間隔的實際幀持續(xù)時間為8.16 ms。

LC3的總編解碼器算法延遲是幀持續(xù)時間和編碼器端MDCT（改進的離散余弦變換）持續(xù)時間的總和。當幀間隔為10 ms，采樣頻率為 8 kHz、16 kHz、24 kHz、32 kHz 和 48 kHz 時，總編解碼器算法延遲為 12.5 ms，當輸入信號的采樣頻率為44.1 kHz時，總編解碼器算法延遲為 13.605 ms。當幀間隔為7.5 ms，采樣頻率為8 kHz、16 kHz、24 kHz、32 kHz和48 kHz時，總編解碼器算法延遲為11.5 ms，當輸入信號的采樣頻率為44.1 kHz時，總編解碼器算法延遲為12.517 ms。

基于外部設(shè)定的比特率，LC3編碼器算法對每個通道的單個脈沖編碼調(diào)制幀PCM進行了壓縮處理，并為每個有效負載的信道提供源編碼位，并且無需在此有效負載之上添加任何傳輸通道錯誤保護。單個通道的有效負載在每幀20字節(jié)到400字節(jié)之間。與此相對應(yīng)，幀間隔為10 ms時，總壓縮比特率范圍在16000 bps到320000 bps之間；幀間隔為7.5 ms時，總壓縮比特率范圍在21334 bps到426666 bps之間。當采樣頻率為44.1 kHz，幀持續(xù)時間為10.884 ms時，幀間隔為10 ms所對應(yīng)的比特率范圍在14700 bps到294000 bps之間，幀間隔為7.5 ms 對應(yīng)的范圍在19600 bps到392000 bps之間。由此可見，LC3 可以以恒定比特率或外部控制的可變比特率實現(xiàn)對音頻數(shù)據(jù)的編解碼處理。

對于解碼過程而言，LC3解碼器通過外部確定的壞幀指示BFI(Bad Frame Indication)標志和每個通道的有效負載大小對接收的有效負載進行解碼處理。BFI標志用于向解碼器發(fā)送丟失的有效負載或者接收的有效負載中存在的任何檢測到的誤碼。外部應(yīng)用可以向解碼器發(fā)送損壞的有效負載信息。如果有效負載位標記為損壞，LC3解碼器將跳過有效負載位，并激活PLC算法以生成未壓縮的PCM輸出信號。LC3有效負載中不包含（如時間戳或序列號等）任何時序信息。LC3解碼器通過有效負載的大小對接收到的有效負載進行解析處理。

藍牙音頻的新功能之一是LEAudio廣播模式。實際上，廣播音頻分為兩個級別:1基于個人，2基于位置的音頻共享。聲音的優(yōu)勢在大多數(shù)情況下在于后者的應(yīng)用，后者的體驗類似于Wi-Fi，比如用戶帶著手機來到公共場所，可以自由選擇想要分享的廣播聲音。有些音頻廣播是開放的，有些則要求用戶輸入密碼。LEAudio有兩個優(yōu)點:支持多種語言；支持因聽力喪失或聽力喪失而佩戴助聽器的人。非常適合機場、劇院、電影院、汽車等。就距離而言，對于劇場或者電影院來說，全覆蓋沒有問題。事實上，就擴散而言，LEAudio可以達到比傳統(tǒng)聲音更長的傳輸距離，主要是因為大多數(shù)以前版本的經(jīng)典聲音都是在更短的距離上設(shè)計的，并且傳輸是雙向的。新的LEAudio傳遞函數(shù)是單向的，并優(yōu)化了距離。在LEAudio軟件的一個新應(yīng)用中，藍牙技術(shù)的結(jié)合可以啟動基于特定功能的圖標，例如音頻共享，因為這是一個用戶從未使用過的全新概念和使用案例。新圖標的引入，意味著消費者會知道電視是否出現(xiàn)在公共場所，如電影院、劇院、健身場所等，可以使用藍牙音頻共享。然而，藍牙技術(shù)聯(lián)盟并不打算為聲音引入新的圖標，因為藍牙本身支持廣泛的功能，包括LEAudio傳輸、數(shù)據(jù)傳輸、位置服務(wù)、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)等。藍牙技術(shù)的結(jié)合更多的是為了了解藍牙功能的廣度和多樣性，并提高人們的認識，隨著藍牙技術(shù)的發(fā)展，這些多樣的功能可以逐漸進入每個人的生產(chǎn)生活。聲音也是如此，它是藍牙家族不可或缺的一部分。

綜上所述，新一代低功耗藍牙音頻LE Audio通過構(gòu)建低功耗、高效音頻傳輸通道和傳輸策略，同時優(yōu)化音頻數(shù)據(jù)的編解碼算法，有效提升音頻傳輸質(zhì)量、改善用戶的藍牙音頻體驗。LE Audio有助于將低功耗、高質(zhì)量的音頻擴展至整個無線通信生態(tài)系統(tǒng)，為用戶帶來全新的音頻共享體驗。