Поради масовото производство на смартфони без аудио кабел 3.5 мм, безжичните Bluetooth слушалки станаха основен начин за слушане на музика и комуникация в режим на слушалка за много потребители.
Производителите на безжични устройства не винаги предоставят подробни спецификации на продуктите, а статии за Bluetooth аудио в интернет са противоречиви, на места некоректни, не обясняват всичките особености и често копират една и съща информация, която не съответства на действителността.
Ще се опитаме да разберем протокола, възможностите на Bluetooth стековете на операционните системи, слушалките и колоните, Bluetooth кодеците за музика и реч, ще установим какво влияе на качеството на предавания звук и закъснението, ще научим как да събираме и декодираме информация за поддържаните кодеци и другите възможности на устройствата.

TL;DR:

• SBC — нормален кодек
• Слушалките имат собствен еквалайзер и пост-обработка за всеки кодек поотделно.
• aptX не е толкова добър, колкото го описват рекламните анонси.
• LDAC — маркетингово фуфло.
• Качеството на звука по време на разговор все още е ниско.
• В браузъра могат да се вградят аудиокодеци на C, като се компилират в WebAssembly чрез emscripten, и те няма да забавят особено.

Музика чрез Bluetooth

Функционалната съставка на Bluetooth се определя от профили - спецификации за конкретни функции. Предаване на музика в Bluetooth се извършва с помощта на профила за предаване на висококачествено еднопосочно аудио A2DP. Стандартът A2DP е приет през 2003 година и от тогава не е променян съществено.
В рамките на профила е стандартизиран 1 задължителен кодек с ниска изчислителна сложност SBC, създаден специално за Bluetooth, и 3 допълнителни. Също така е разрешено използването на недокументирани кодеци с собствена реализация.

Към юни 2019 г. ние сме в комикса xkcd с 14 A2DP кодека:

• SBC ← стандартизиран в A2DP, поддържа се от всички устройства
• MPEG-1/2 Layer 1/2/3 ← стандартизирани в A2DP: всички знаят за него MP3, използван в цифрово ТВ MP2, и неизвестен MP1
• MPEG-2/4 AAC ← стандартизиран в A2DP
• ATRAC ← стар кодек от Sony, стандартизиран в A2DP
• LDAC ← нов кодек от Sony
• aptX ← кодек от 1988 година
• aptX HD ← същото като aptX, само с различни параметри на кодиране
• aptX Low Latency ← напълно различен кодек, няма софтуерна реализация
• aptX Adaptive ← още един кодек от Qualcomm
• FastStream ← псевдокодек, двупосочна модификация на SBC
• HWA LHDC ← нов кодек от Huawei
• Samsung HD ← поддържа се от 2 устройства
• Samsung Scalable ← поддържа се от 2 устройства
• Samsung UHQ-BT ← поддържа се от 3 устройства

Какво изобщо правят кодеците, ще се запитате, когато Bluetooth има EDR, което позволява предаване на данни с скорости 2 и 3 Mbit/s, а за некомпресиран стерео 16-битов PCM е достатъчно 1.4 Mbit/s?

Предаване на данни чрез Bluetooth

В Bluetooth съществуват два типа предаване на данни: Asynchronous Connection Less (ACL) за асинхронно предаване без установяване на връзка и Synchronous Connection Oriented (SCO) за синхронно предаване с предварително одобрение на връзката.
Предаването се осъществява с използването на схема за разделение на времето и избор на канал за предаване за всеки пакет поотделно (Frequency-Hop/Time-Division-Duplex, FH/TDD), като времето се разделя на интервали от 625 микросекунди, наречени слотове (slot). Едно от устройствата предава в четните номера на слотовете, а друго — в нечетните. Изпратеният пакет може да заема 1, 3 или 5 слота в зависимост от размера на данните и определените правила за предаване; в този случай, предаването от едно устройство се осъществява в четните и нечетните слотове до края на предаването. Общо за секунда могат да се приемат и изпратят до 1600 пакета, ако всеки от тях заема 1 слот, и двете устройства без прекъсване предават и приемат нещо.

2 и 3 мбит/с за EDR, които могат да бъдат срещнати в анонсите и на сайта на Bluetooth, представляват максималната канална скорост за предаване на всички данни общо (включително техническите заглавия на всички протоколи, в които е необходимо да се инкапсулират данните), в двете посоки едновременно. Фактическата скорост на предаване на данни ще се различава значително.

За предаване на музика се използва асинхронен метод, почти винаги с помощта на пакети тип 2-DH5 и 3-DH5, които носят максимално количество данни в режим EDR от 2 Mbps и 3 Mbps съответно, и заемат 5 времеви слота за разделяне на ефира.

Схематично представяне на предаване с използване на 5 слота от едно устройство и 1 слот от друго (DH5/DH1):


Поради принципа на разделяне на ефира по време, ние сме принудени да изчакаме 625-микросекундния времеви слот след предаване на пакета, ако второто устройство не предава нищо или предава малък пакет, и повече време, ако второто устройство предава с големи пакети. Ако към телефона е свързано повече от едно устройство (например слушалки, часовник и фитнес гривна), времето за предаване се разделя между всички тях.

Необходимостта от инкапсулация на аудио в специални транспортни протоколи L2CAP и AVDTP отнема 16 байта от възможното максимално количество предавана полезна аудионагрузка.

Тип пакет
Брой слотове
Макс. брой байтове в пакета
Макс. брой байтове полезна нагрузка A2DP
Макс. битрейт полезна нагрузка A2DP

2-DH3
3
367
351
936 kbit/s

3-DH3
3
552
536
1429 кбит/с

2-DH5
5
679
663
1414 кбит/с

3-DH5
5
1021
1005
2143 кбит/с

1414 и 1429 кбит/с са недостатъчни за предаване на несжат звук в реални условия, при зашумян диапазон от 2.4 GHz и необходимост от предаване на служебни данни. EDR 3 мбит/с изисква висока мощност на предаване и шум в ефира, така че дори в режим 3-DH5, комфортното предаване на PCM е невъзможно, ще има постоянни краткотрайни прекъсвания, а всичко ще функционира само на разстояние от няколко метра.
На практика, дори потокът от аудио при 990 кбит/с (LDAC 990 kbit/с) е трудно проследим.

Да се върнем към кодеците.

SBC

Кодек, който е задължителен за всички устройства, поддържащи стандарта A2DP. Най-добрият и най-лошият кодек едновременно.

Честота на дискретизация
Разрядност
Битрейт
Подкрепа за кодиране
Подкрепа за декодиране

16, 32, 44.1, 48 кГц
16 бит
10-1500 кбит/с
От всички устройства
От всички устройства

SBC — прост и бърз кодек, с примитивна психоакустична модел, който използва адаптивна импулсно-кодова модулация (APCM).
Спецификацията A2DP препоръчва използването на два профила: Middle Quality и High Quality.


Кодека има много настройки, които позволяват управление на алгоритмичната забавяне, броя на семплите в блока, алгоритъма за разпределение на битове, но почти навсякъде се използват едни и същи препоръчителни параметри от спецификацията: Joint Stereo, 8 честотни ленти, 16 блока в аудиофрейма, начин на разпределение на бит Loudness.
SBC поддържа динамична промяна на параметъра Bitpool, който пряко влияе на битрейта. Ако радиоефирът е запълнен, пакети се губят или устройствата са на голямо разстояние, източникът на аудио може да намали Bitpool, докато връзката не се нормализира.

Производителите на повечето слушалки задават максималната стойност на параметъра Bitpool на 53, което ограничава битрейта до 328 килобита в секунда при използване на препоръчителния профил.
Дори ако производителят на слушалки е задавал максималната стойност на Bitpool над 53 (такива модели са например: Beats Solo³, JBL Everest Elite 750NC, Apple AirPods, а също така се срещат на някои ресивъри и автомобилни мултимедийни устройства), повечето операционни системи няма да позволят използването на повишени битрейти поради вътрешните ограничения на Bluetooth стековете.
Освен това, някои производители задават ниска максимална стойност на Bitpool за определени устройства. Например, за Bluedio T тя е 39, а за Samsung Gear IconX – 37, което води до лошо качество на звука.

Изкуствените ограничения от страна на разработчиците на Bluetooth стековете, най-вероятно, са възникнали в резултат на несъвместимост на някои устройства с големи стойности на Bitpool или нетипични профили, дори когато те съобщаваха за тяхната поддръжка, и недостатъчно тестове при сертификация. На авторите на Bluetooth стековете им е било по-лесно да се ограничат до съгласуването на препоръчания профил, отколкото да създават бази с неправилно функциониращи устройства (въпреки че в момента те го правят за други неправилно работещи функции).

SBC динамично разпределя битовете на квантуване за честотни ленти, действайки от долните към горните, с различни тежести. Ако целият битрейт е използван за долните и средните честоти, горните честоти ще бъдат „отрязани“ (вместо тях ще има тишина).

Пример SBC 328 кбит/с. Отгоре — оригинал, отдолу — SBC, периодично се сменят пистите. За аудио в видеофайла се използва кодек за беззагубно компресиране FLAC. Използването на FLAC в контейнер mp4 официално не е стандартизирано, така че не е сигурно, че вашият браузър ще го възпроизведе, но трябва да работи в последните версии на десктоп Chrome и Firefox. Ако нямате звук, можете да изтеглите файла и да го отворите в плеър.
ZZ Top — Sharp Dressed Man

На спектрограмата се вижда моментът на смяна: SBC периодично отрязва тихи звуци над 17.5 кХц и изобщо не отделя битове за лента над 20 кХц. Пълната спектрограма е достъпна при клик (1.7 МБ).

Не чувам разлика между оригинала и SBC на този трак.

Нека вземем нещо по-ново и да симулираме звук, който би се получил при използване на слушалки Samsung Gear IconX с Bitpool 37 (горе - оригинален сигнал, долу - SBC 239 кбит/с, звук във FLAC).
Mindless Self Indulgence — Witness

Чувам пукане, по-малък стерео ефект и неприятно „цъкане“ на вокала в високите честоти.

Въпреки че SBC е много гъвкав кодек, който може да бъде настроен за ниски забавяния, той предоставя отлично качество на звука при високи битрейти (452+ кбит/с) и доста добро за повечето хора при стандартно високо качество (328 кбит/с), тъй като стандартът A2DP не задава фиксирани профили (а дава само препоръки). Разработчиците на стека установиха изкуствени ограничения на Bitpool, параметрите на предаваното аудио не се показват в потребителския интерфейс, а производителите на слушалки имат свобода да задават своите настройки и никога не посочват стойността на Bitpool в техническите характеристики на продукта. Кодекът стана известен с ниското качество на звука, въпреки че това не е проблем на самия кодек.
Параметърът Bitpool влияе пряко на битрейта само в рамките на един и същи профил. Същото значение Bitpool 53 може да дава както битрейт от 328 кбит/с при препоръчания профил Високо качество, така и 1212 кбит/с с Двоен канал и 4 честотни ленти, поради което разработчиците на ОС, освен ограниченията на Bitpool, налагат ограничение и на Битрейта. Както ми се струва, такава ситуация е възникнала заради недоизработеността на стандарта A2DP: трябваше да се координира битрейта, а не Bitpool.

Таблица за поддръжка на възможности на SBC в различни ОС:

ОС
Поддържани честоти на дискретизация
Ограничение на макс. Bitpool
Ограничение на макс. Битрейт
Типичен Битрейт
Динамична настройка на Bitpool

Windows 10
44.1 кГц
53
512 кбит/с
328 кбит/с
✓*

Linux (BlueZ + PulseAudio)
16, 32, 44.1, 48 кГц
64 (при входящо свързване), 53 (при изходящо)
Няма ограничение
328 кбит/с
✓*

macOS High Sierra
44.1 кГц
64, по подразбиране 53***
Неизвестно
328 кбит/с
✗

Android 4.4-9
44.1/48 кГц**
53
328 кбит/с
328 кбит/с
✗

Android 4.1-4.3.1
44.1, 48 кГц**
53
229 кбит/с
229 кбит/с
✗

Blackberry OS 10
48 кГц
53
Няма ограничение
328 кбит/с
✗

* Bitpool само намалява, но не се увеличава автоматично, в случай на подобряване на условията на предаване. За възстановяване на Bitpool трябва да се спре възпроизвеждането, да се изчака няколко секунди и след това отново да се стартира аудиото.
** Стойността по подразбиране зависи от настройките на стека, посочени при компилиране на фърмуера. В Android 8/8.1 честотата е само 44.1 кХц или 48 кХц, в зависимост от настройките при компилация, а в останалите версии се поддържат едновременно 44.1 кХц и 48 кХц.
*** Стойността на Bitpool може да бъде увеличена в програмата Bluetooth Explorer.

aptX и aptX HD

aptX е прост и бърз кодек, без психоакустика, използващ адаптивна диференциална импулсно-кодова модулация (ADPCM). Появил се около 1988 година (дата на подаване на патента е датирана февруари 1988 г.), преди Bluetooth е използван предимно в професионално безжично аудио оборудване. В момента принадлежи на компания Qualcomm, изисква лицензиране и лицензионни такси. Към 2014 година: 6000 долара еднократно и около 1 доллар за всяко устройство, за партиди до 10000 устройства (източник, стр. 16).
aptX и aptX HD са един и същ кодек, с различни профили на кодиране.

Кодекът има само един параметър — избор на честота на дискретизация. Има и избор на количество/режим на канали, но във всички известни ми устройства (над 70) се поддържа изключително стерео.

Кодек
Честота на дискретизация
Разрядност
Битрейт
Подкрепа за кодиране
Подкрепа за декодиране

aptX
16, 32, 44.1, 48 кГц
16 бит
128 / 256 / 352 / 384 кбит/с (в зависимост от честотата на дискретизация)
Windows 10 (десктоп и мобилен), macOS, Android 4.4+/7*, Blackberry OS 10
Широк спектър от аудиоустройства (апаратно)

* Версиите под 7 изискват модификации на Bluetooth стека. Кодекът се поддържа само ако производителят на Android устройството е лицензирал използването му от Qualcomm (ако операционната система има библиотека за кодиране).

aptX разделя аудиото на 4 честотни ленти и квантова стойност с едно и също количество битове постоянно: 8 бита за 0-5.5 кХц, 4 бита за 5.5-11 кХц, 2 бита за 11-16.5 кХц, 2 бита за 16.5-22 кХц (данните са за честота на дискретизация 44.1 кХц).

Пример за аудио aptX (отгоре - оригинален сигнал, отдолу - aptX, спектрограми само на левите канали, звук във FLAC):

Високите честоти станаха малко по-червени, но разликата не се чува.

Поради фиксираното разпределение на битовете за квантоване, кодекът не може да "пренесе битовете" към тези честоти, които имат най-голяма нужда от тях. За разлика от SBC, aptX няма да "отрязва" честоти, а ще добавя шумове от квантоване, намалявайки динамичния обхват на аудиото.

Не следва да се приема, че използването, например, на 2 бита за лента намалява динамичния обхват до 12 дБ: ADPCM позволява да се използват до 96 дБ динамичен обхват дори при 2 бита квантоване, но само при определен сигнал.
ADPCM съхранява разликата в числовото представяне между текущия и следващия вземане, вместо да записва абсолютната стойност, както в PCM. Това позволява да се намалят изискванията към количеството битове, необходими за съхраняване на същата (без загуби) или практически същата (с относително малка грешка при закръгляне) информация. За намаляване на грешките при закръгляне се прилагат таблици с коефициенти.
При създаването на кодека, авторите изчислиха коефициентите на ADPCM на набор от музикални аудиофайлове. Колкото по-близо е аудиосигналът до този набор от музика, на който са изградени таблиците, толкова по-малко грешки при квантоване (шум) създава aptX.

Заради това синтетичните тестове винаги ще дават по-лоши резултати от музиката. Направих специален синтетичен пример, при който aptX показва лоши резултати — синусоида с честота 12.4 kHz (отгоре — изходният сигнал, отдолу — aptX. Звукът е във FLAC. Намалете силата на звука!):

График на спектъра:


Ясно се чуват шумовете.

Въпреки това, ако генерирате синусоида с по-ниска амплитуда, така че да бъде по-тиха, шумовете също ще станат по-тихи, което показва широк динамичен диапазон:

За да чуете разликата между оригиналния музикален трак и компресирания, можете да инвертирате един от сигналите и да наклоните траковете по канали. Този подход в общия случай не е коректен и не би дал разумни резултати с по-сложни кодеци, но конкретно за ADPCM е напълно подходящ.
Разликата между оригинала и aptX
Среднокоравната разлика на сигналите е на ниво -37.4 dB, което не е много за такава компресирана музика.

aptX HD

aptX HD не е самостоятелен кодек — това е подобрено профилно кодиране на кодека aptX. Промените засягат броя на битовете, отделени за кодиране на честотни диапазони: 10 бита за 0-5.5 кХц, 6 бита за 5.5-11 кХц, 4 бита за 11-16.5 кХц, 4 бита за 16.5-22 кХц (числа за 44.1 кХц).

Кодек
Честота на дискретизация
Разрядност
Битрейт
Подкрепа за кодиране
Подкрепа за декодиране

aptX HD
16, 32, 44.1, 48 кГц
24 бита
192 / 384 / 529 / 576 кбит/с (в зависимост от честотата на дискретизация)
Android 8+*
От някои аудио устройства (хардуерно)

* Версиите под 7 изискват модификации на Bluetooth стека. Кодекът се поддържа само ако производителят на Android устройството е лицензирал използването му от Qualcomm (ако операционната система има библиотека за кодиране).

По-рядко срещан от aptX: очевидно изисква отделно лицензиране от Qualcomm и отделни лицензионни такси.

Нека повторим примера със синусоида на 12.4 кХц:


Много по-добре от aptX, но все пак шумно.

aptX Low Latency

Кодек от Qualcomm, който няма нищо общо с стандартните aptX и aptX HD, на базата на оскъдна информация от хора, свързани с неговото разработване. Предназначен е за интерактивна аудио предаване с ниска латентност (филми, игри), където латентността на звука не може да се регулира софтуерно. Известни софтуерни реализации на енкодери и декодери липсват, поддържа се единствено от трансмитери, приемници, слушалки и колони, но не и от смартфони и компютри.

Честота на дискретизация
Битрейт
Подкрепа за кодиране
Подкрепа за декодиране

44.1 кГц
276/420 кбит/с
Някои трансмитери (апаратно)
От някои аудио устройства (хардуерно)

AAC

AAC, или Advanced Audio Coding — сложен кодек с напреднала психоакустична модел. Получи широко разпространение за аудио в интернет, втори по популярност след MP3. Изисква лицензиране и лицензионни такси: $15000 еднократно (или $1000 за компании с по-малко от 15 служителя) + $0.98 за първите 500000 устройства (източник).
Кодекът е стандартизиран в рамките на спецификациите MPEG-2 и MPEG-4 и, въпреки често срещаното заблуждение, не принадлежи на Apple.

Честота на дискретизация
Битрейт
Подкрепа за кодиране
Подкрепа за декодиране

8 – 96 кХц
8 – 576 кбит/с (за стерео), 256 – 320 кбит/с (типично за Bluetooth)
macOS, Android 7+*, iOS
Широк спектър от аудиоустройства (апаратно)

* само на устройства, производителите на които са платили лицензионни такси

В iOS и macOS се използва най-добрият в момента кодировчик на Apple AAC, осигуряващ максимално възможно качество на звука. В Android се използва вторият по качество кодировчик Fraunhofer FDK AAC, но могат да бъдат използвани различни хардуерни, вградени в платформата (SoC), с неизвестно качество на кодиране. Според скорошни тестове от сайта SoundGuys, качеството на кодиране AAC при различни Android телефони значително варира:

При повечето безжични аудиоустройства за AAC е зададен максимален битрейт от 320 кбит/с, а някои поддържат само 256 кбит/с. Останалите битрейти се срещат изключително рядко.
AAC предлага отличен звук при битрейти от 320 и 256 кбит/с, но е подложен на загуби при последователно кодиране на вече компресиран материал., обаче, да чуете каквито и да било разлики с оригинала на iOS при битрейт от 256 кбит/с е трудно дори при няколко последователни кодирания; при единично кодиране, например, MP3 320 кбит/с в AAC 256 кбит/с, загубите са незначителни.
Както е при другите Bluetooth кодеци, всяка музика първо се декодира, след това се кодира отново с кодека. При слушане на музика в формат AAC тя първо се декодира от операционната система, след което се кодира отново в AAC за предаване по Bluetooth. Това е необходимо за смесване на няколко аудиопотока, например, музика и известие за ново съобщение. iOS не е изключение. В интернет може да се намерят множество твърдения, че на iOS музиката в формат AAC не се транскодира при предаване чрез Bluetooth, което не е вярно.

MP1/2/3

Кодеците от семейството MPEG-1/2 Част 3 включват известния и широко използван MP3, по-малко разпространения MP2 (използва се главно в цифрово телевизионно и радио предаване) и напълно неизвестния MP1.

Старите кодеци MP1 и MP2 изобщо не се поддържат: не успях да намеря нито една слушалка и нито един Bluetooth стек, който да ги кодира или декодира.
Декодирането на MP3 се поддържа от някои слушалки, но кодироването не се поддържа в нито един стек на съвременни операционни системи. Изглежда, че страничният стек BlueSoleil за Windows може да кодира в MP3, ако ръчно промените конфигурационния файл, но при инсталирането му получавам BSoD на Windows 10. Изводът е, че кодекът всъщност не може да се използва за Bluetooth аудио.
Преди, между 2006 и 2008 г., преди разпространението на стандарта A2DP в устройствата, хората слушаха MP3 музика с гарнитура Nokia BH-501 чрез програмата MSI BluePlayer, която беше налична на Symbian и Windows Mobile. По това време архитектурата на ОС на смартфоните позволяваше достъп до много нискоуровневи функции, а на Windows Mobile можеше дори да се инсталират странични Bluetooth стеки.

Последният патент на MP3 кодека изтече, използването му не изисква лицензионни такси от 23 април 2017 година.

Ако най-дългогодишният патент, споменат в горепосочените референции, се вземе като мярка, тогава технологията MP3 стана безпатентна в Съединените щати на 16 април 2017 година, когато изтече патент 6,009,399, притежаван и управляван от Technicolor.

Източник: www.iis.fraunhofer.de/en/ff/amm/prod/audiocodec/audiocodecs/mp3.html

Честота на дискретизация
Битрейт
Подкрепа за кодиране
Подкрепа за декодиране

16 — 48 кХц
8 — 320 кбит/с
Не се поддържа никъде
От някои аудио устройства (хардуерно)

LDAC

Новият и активно рекламиран „Hi-Res“ кодек от Sony, който поддържа дискретни честоти до 96 кХц и 24-битова дълбочина, с битрейт до 990 кбит/с. Рекламира се като аудиофилски кодек, като заместител на съществуващите Bluetooth кодеци. Има функция за адаптивно регулиране на битрейта в зависимост от условията на радиовълните.

Енкодер LDAC (libldac) е в стандартната доставка на Android, така че кодиране се поддържа на всеки Android смартфон от версия 8 на ОС. Софтуерни декодери не са налични за свободен достъп, спецификацията на кодека не е достъпна за широката публика, обаче при пръв поглед на енкодера, вътрешната структура на кодека е подобна на ATRAC9 — кодек от Sony, използван в PlayStation 4 и Vita: двата работят в честотен обхват, използват модифицирано дискретно косинусно преобразуване (MDCT) и компресия с прилагане на Хъфманов алгоритъм.

Поддръжката на LDAC е представена почти из Exclusively от слушалки на Sony. Възможността за декодиране на LDAC понякога се среща при слушалки и ЦАП на други производители, но много рядко.

Честота на дискретизация
Битрейт
Подкрепа за кодиране
Подкрепа за декодиране

44.1 — 96 кХц
303/606/909 кбит/с (за 44.1 и 88.2 кХц), 330/660/990 кбит/с (за 48 и 96 кХц)
Android 8+
Някои слушалки на Sony и единични устройства на други производители (апаратно)

Маркетингът на LDAC като Hi-Res кодек вреди на техническите му характеристики: глупаво е да се разходва битрейт за предаване на честоти, които не са чути от човешкото ухо и увеличена разрядност, докато не достига за предаване на CD качество (44.1/16) без загуби. За щастие, кодекът има два режима на работа: предаване на CD аудио и предаване на Hi-Res аудио. В първия случай по въздуха се предава само 44.1 кХц/16 бит.

Тъй като няма свободен достъп до програмен декодер LDAC, е невъзможно да се тества кодекът без допълнителни устройства, които декодират LDAC. Според резултатите от теста на LDAC с ЦАП, който го поддържа и който инженерите на сайта SoundGuys.com свързаха чрез цифров изход, а звукът беше записан на тестовите сигнали, LDAC при 660 и 990 кбит/с в режим на CD качество осигурява малко по-добро соотношение сигнал/шум в сравнение с aptX HD.

Източник: www.soundguys.com/ldac-ultimate-bluetooth-guide-20026

LDAC също така поддръжа динамична битова скорост извън зададените профили — от 138 кбит/с до 990 кбит/с, но доколкото мога да преценя, в Android се използват само стандартизирани профили 303/606/909 и 330/660/990 кбит/с.

Други кодеци

Другите A2DP кодеци не са получили широко разпространение. Поддръжката им е практически отсъстваща или налична само на определени модели слушалки и смартфони.
Стандартизираният в A2DP кодек ATRAC никога не е използван като Bluetooth кодек дори от самите Sony. Кодеките Samsung HD, Samsung Scalable и Samsung UHQ-BT имат много ограничена поддръжка от страна на предаващи и получаващи устройства, а HWA LHDC е прекалено нов и се поддържа само от три (?) устройства.

Поддръжка на кодеци от аудиоустройства

Не всички производители публикуват точна информация за кодеците, които поддържат различни безжични слушалки, тонколони, ресивъри или предаватели. Понякога е възможно да има поддръжка на определен кодек само за предаване, но не и за прием (актуално за комбинирани предаватели-ресивъри), въпреки че производителят просто обявява за "поддръжка" без пояснения (предполагам, че причината е разширеното лицензиране на енкодерите и декодерите на някои кодеци). В най-евтините устройства може напълно да не се открие обявената поддръжка на aptX.

За съжаление, в интерфейсите на повечето операционни системи никъде не се показва използваният кодек. Информация за това има само в Android от версия 8 нататък и в macOS. Въпреки това, дори и в тези операционни системи ще се показват само онези кодеци, които поддържат както телефона/компютъра, така и слушалките.

Как да разберем какви кодеци поддържа устройството? Запишете и анализирайте дампа на трафика с параметрите за договаряне на A2DP!
Можете да направите това в Linux, macOS и Android. В Linux можете да използвате Wireshark или hcidump, в macOS — Bluetooth Explorer, а в Android — стандартната функция за запазване на Bluetooth HCI дамп, налична в инструментите за разработчици. Ще получите дамп в формат btsnoop, който можете да качите в анализатора Wireshark.
Обърнете внимание: коректен дъмп може да се получи само ако свържете телефона/компютъра към слушалките/колонката (както и да звучи това)! Слушалките могат да установят връзка с телефона самостоятелно и в този случай те ще поискат списък с кодеци от телефона, а не обратно. За да запишете коректен дъмп, първо разкъсайте връзката с устройството, а след това, по време на запис на дъмпа, свържете телефона с слушалките.

Използвайте следния филтър за визуализация, за да отсеете нерелевантния трафик:

btavdtp.signal_id

В резултат на това трябва да видите нещо подобно:

На всеки елемент от командата GetCapabilities може да се кликне, за да се видят подробни характеристики на кодека.

Wireshark не знае всички идентификатори на кодеци, така че част от тях ще трябва да се разшифроват ръчно, като се гледа в таблицата с идентификатори по-долу:

Задължителен:
0x00 - SBC

Незадължителен:
0x01 - MPEG-1,2 (известен като MP3)
0x02 - MPEG-2,4 (известен като AAC)
0x04 - ATRAC

Специфичен за доставчика:
0xFF 0x004F 0x01   - aptX
0xFF 0x00D7 0x24   - aptX HD
0xFF 0x000A 0x02   - aptX с ниска латентност
0xFF 0x00D7 0x02   - aptX с ниска латентност
0xFF 0x000A 0x01   - FastStream
0xFF 0x012D 0xAA   - LDAC
0xFF 0x0075 0x0102 - Samsung HD
0xFF 0x0075 0x0103 - Samsung Scalable Codec
0xFF 0x053A 0x484C - Savitech LHDC

0xFF 0x000A 0x0104 - ID на кодека CSR True Wireless Stereo v3 за AAC
0xFF 0x000A 0x0105 - ID на кодека CSR True Wireless Stereo v3 за MP3
0xFF 0x000A 0x0106 - ID на кодека CSR True Wireless Stereo v3 за aptX

За да не анализирам дамповете ръчно, създадох услуга, която ще анализира всичко автоматично: btcodecs.valdikss.org.ru

Сравнение на кодеците. Кой кодек е по-добър?

Всеки кодек има своите предимства и недостатъци.
aptX и aptX HD използват строго зададени профили, които не могат да бъдат променяни без модификация на енкодера и декодера. Нито производителят на телефона, нито производителят на слушалките могат да променят битрейта или коефициентите на кодиране на aptX. Собственикът на кодека, Qualcomm, предоставя референтен енкодер под формата на библиотека. Тези факти са силната страна на aptX — вие предварително знаете какво качество на звука ще получите, без никакви „но“.

SBC, от своя страна, предлага множество настраиваеми параметри, динамичен битрейт (кодекът може да намалява параметъра bitpool, ако радиоефирът е натоварен) и няма строго зададени профили, а само препоръчителни „средно качество“ и „високо качество“, добавени в спецификацията A2DP през 2003 година. „Високото качество“ вече не е такова високо по съвременните стандарти, а повечето Bluetooth стекове не позволяват използването на параметри, по-добри от профила „високо качество“, макар че техническите ограничения за това отсъстват.
Bluetooth SIG няма референтен кодек SBC под формата на библиотека, и производителите го реализират самостоятелно.
Това са слабите страни на SBC — никога не е ясно предварително какво качество на звука да очакваме от конкретно устройство. SBC може да предоставя както ниско, така и много високо качество на звука, но последното е недостижимо без изключване или заобикаляне на изкуствените ограничения на Bluetooth стековете.

Ситуацията с AAC е неясна: от една страна, теоретично кодекът трябва да предоставя качество, което не се отличава от оригинала, но практиката, според тестовете на лабораторията SoundGuys на различни Android устройства, не го потвърджа. Най-вероятно вината е в нискокачествените хардуерни аудиокодери, вградени в различни чипсети на телефоните. Има смисъл да се използва AAC само на устройства на Apple, а на Android да се ограничи до aptX и LDAC.

Оборудването, поддържащо алтернативни кодеци, обикновено е с по-високо качество, просто защото за напълно евтини и нискокачествени устройства няма смисъл да се плащат лицензионни такси за използването на тези кодеци. Според моите тестове, SBC звучи много добре на качествено оборудване.

Направих уебсервис, който кодира аудио в SBC, aptX и aptX HD в реално време, директно в браузъра. С него ще можете да тествате тези аудиокодеци без фактическа предаване на аудио по Bluetooth, на всякакви жични слушалки, тонколони и любимата си музика, както и да променяте параметрите на кодиране по време на възпроизвеждане на аудио:
btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-encoder
Сервисът използва библиотеки за кодиране SBC от проекта BlueZ и libopenaptx от ffmpeg, които са компилирани в WebAssembly и JavaScript от C чрез emscripten, за да работят в браузъра. Кой можеше да мечтае за такова бъдеще!

Ето как изглежда:

Обърнете внимание как се променя нивото на шума след 20 кХц при различните кодеци. В оригиналния MP3 файл липсват честоти над 20 кХц.

Опитайте да смените кодеците и оценете дали чувате разликата между оригинала, SBC 53 Joint Stereo (стандартният и най-разпространен профил), и aptX/aptX HD.

Чувам разлика между кодеците в слушалките!

Хората, които не чуват разлика между кодеците по време на теста чрез уеб-сервиза, твърдят, че я чуват при слушане на музика с безжични слушалки. Уви, това не е шега и не е ефект на плацебо: разликата наистина е чута, но е причинена не от отличията на кодеците.

Преобладаващото мнозинство от Bluetooth чиповете за аудио, използвани в безжичните устройства за приемане, са оборудвани с цифров обработващ сигнал (Digital signal processor, DSP), който реализира еквалайзер, компандер, разширител на стерео и други функции, предназначени да подобрят (или променят) звука. Производителите на Bluetooth оборудване могат да настроят DSP за всеки кодек поотделно, и при превключване между кодеките слушателят ще почувства, че чува разликата в работата на кодеките, когато в действителност той слуша различни настройки на DSP.

Обработващият звук DSP Kalimba в чиповете на CSR/Qualcomm

Активация на различни DSP функции за всеки кодек и изход отделно

Някои устройства от премиум сегмента са снабдени с програма, която позволява настройка на DSP параметри, но повечето по-евтини слушалки нямат такава възможност, и потребителите не могат да изключат пост-процесинга на звука с обикновени средства.

Функционални характеристики на устройствата

Съвременната версия на стандарта A2DP притежава функция за 'абсолютно регулиране на громкостта' — управление на звука на устройството с помощта на специални команди на протокола AVRCP, което регулира усилването на изходния каскад, вместо софтуерно намаляване на звука на аудиопотока. Ако при промяна на звука на слушалките, промяната не се синхронизира с звука на телефона, това означава, че вашите слушалки или телефон не поддържат тази функция. В такъв случай е разумно да слушате музика с максимален звук на телефона, регулирайки реалната сила на звука с бутони на слушалките — в този случай съотношението сигнал/шум ще бъде по-добро и качеството на аудиото трябва да бъде над.
В действителност обаче се срещат тъжни ситуации. На моите слушалки RealForce OverDrive D1 е включен силен компандер за SBC, и увеличаването на звука води до повишаване на нивото на тихите звуци, а громкостта на силните звуци при това не се променя (става дума за компресия на сигнала). По тази причина ми се налага да настроя звука на компютъра на около половината, в този случай ефектът от компресията практически изчезва.
По мои наблюдения, всички слушалки с допълнителни кодеци поддържат функцията за абсолютна регулировка на звука, явно това е едно от изискванията за сертификация на кодеците.

Някои слушалки поддържат свързване на два устройства едновременно. Това позволява, например, да слушате музика от компютър и да приемате повиквания от телефон. Въпреки това, трябва да се знае, че в този режим алтернативните кодеци се изключват и се използва само SBC.

Функцията AVDTP 1.3 Delay Reporting позволява на слушалките да съобщават на предавателното устройство закъснението, с което всъщност се възпроизвежда звукът. Това позволява да се настройва синхронизацията на аудиото с видеото при гледане на видеоклипове: при проблеми с предаването по радиоефир, аудиото няма да изостава от видеото, а напротив, видеото ще се забавя от видеоплеъра, докато аудиото и видеото отново не се синхронизират.
Функцията се поддържа от много слушалки, Android 9+ и Linux с PulseAudio 12.0+. Не знам дали функцията се поддържа на други платформи.

Двунаправена връзка чрез Bluetooth. Предаване на глас.

За предаване на глас чрез Bluetooth се използва Synchronous Connection Oriented (SCO) — синхронно предаване с предварително одобрение на свързването. Режимът позволява изпращането на звук и глас в строго определен ред, със симетрична скорост на изпращане и получаване, без изчакване на потвърждение за предаване и повторно изпращане на пакети. Това намалява общата забавяне на предаване на аудио през радиоканал, но налага сериозни ограничения върху количеството данни, което може да се предава за единица време, и оказва отрицателно влияние върху качеството.
Когато се използва този режим, както гласът, така и аудиото се предават с еднакво качество.
За съжаление, към 2019 година качеството на предаване на реч през Bluetooth все още е ниско и не е ясно защо Bluetooth SIG не предприема действия по този въпрос.

CVSD

Основният кодек за предаване на реч CVSD беше стандартизиран през 2002 година и е поддържан от всички устройства за двупосочна комуникация чрез Bluetooth. Той осигурява предаване на аудио с дискретизация на честота от 8 kHz, което е сравнимо с качеството на обикновената кабелна телефония.

Пример за запис в този кодек.

mSBC

Допълнителният кодек mSBC беше стандартизиран през 2009 година, а през 2010 вече се появиха чипове, които го използват за предаване на глас. mSBC е широко поддържан от различни устройства.
Това не е самостоятелен кодек, а обикновен SBC от стандарта A2DP, с фиксиран профил на кодиране: 16 kHz, моно, bitpool 26.

Пример за запис в този кодек.

Не е идеален, но е далеч по-добър от CVSD, въпреки че все още е неприятно да го използвате за комуникация през интернет, особено когато ползвате слушалки за разговори по време на игра — звуковите игри също ще се предават с дискретизация от 16 kHz.

FastStream Компанията CSR реши да развие идеята за повторно използване на SBC. За да заобиколи ограниченията на протокола SCO и да използва по-високи битрейти, CSR тръгна в друга посока — внедри поддръжка за двупосочно SBC аудио в стандарта за предаване на еднопосочно аудио A2DP, стандартизира профилите за кодиране и го нарече «FastStream».

FastStream предава на колоните стереозвук с честота 44.1 или 48 кХц и битрейт 212 кбит/с, а за предаване на звук от микрофона се използва моно, 16 кХц, с битрейт 72 кбит/с (малко по-добро от mSBC). Тези параметри са много по-подходящи за комуникация в онлайн игри — звукът от играта и събеседниците ще бъде с високо качество.

Пример за запис в този кодек (+ звука от микрофона, същият като при mSBC).

Компанията е намерила интересен обходен вариант, но тъй като той е в противоречие с A2DP стандартa, поддръжката му е налична само в някои предаватели на компанията (които работят като USB звукова карта, а не Bluetooth устройство), но не е получена поддръжка в Bluetooth стековете, въпреки че броят на слушалките с поддръжка на FastStream не е малък.

До момента поддръжката на FastStream в ОС е налична само под формата на пач за Linux PulseAudio от разработчика Пали Рохар, който не е включен в основната версия на програмата.

aptX Low Latency

С голямо учудване, aptX Low Latency също поддържа двупосочен звук, реализирайки същия принцип като FastStream.
Не може да се използва тази особеност на кодека никъде — поддръжка за декодиране на Low Latency няма в нито една ОС и в нито един известен на мен Bluetooth стек.

Bluetooth 5, Classic и Low Energy

Около спецификациите и версиите на Bluetooth възникна голямо объркване заради наличието на два несъвместими стандарта под една и съща марка, като и двата се използват широко за различни цели.

Съществуват два различни, несъвместими помежду си протокола Bluetooth: Bluetooth Classic и Bluetooth Low Energy (LE, известен още като Bluetooth Smart). Има и третия протокол, Bluetooth High Speed, но той не е разпространен и не се използва в битови устройства.

Започвайки от Bluetooth 4.0, промените в спецификацията се отнасяха основно до Bluetooth Low Energy, докато Classic версията получаваше само незначителни подобрения.

Списък на промените между Bluetooth 4.2 и Bluetooth 5:

9 ПРОМЕНИ ОТ v4.2 ДО 5.0

9.1 НОВИ ФУНКЦИИ

Няколко нови функции са въведени в Bluetooth Core Specification 5.0 Release. Основните области на подобрение са:
• Маска за наличност на слотове (SAM)
• 2 Msym/s PHY за LE
• LE Дълъг обхват
• Реклама с висока честота, несвързваща се
• Разширения за реклама на LE
• Алгоритъм за избор на канали на LE #2
9.1.1 Функции, добавени в CSA5 — интегрирани в v5.0
• По-висока изходна мощност

Източник: www.bluetooth.org/docman/handlers/DownloadDoc.ashx?doc_id=421043 (страница 291)

Само една промяна се отнася до Classic версията в рамките на спецификацията Bluetooth 5: добавена е поддръжка за технологията Маска за наличност на слотове (SAM), предназначена да подобри разпределението на радиочестотния спектър. Всички останали промени засягат само Bluetooth LE (включително по-високата изходна мощност).

Всички Аудиоустройствата използват само Bluetooth Classic. Слушалки и колонки не могат да се свържат чрез Bluetooth Low Energy: не съществува стандарт за предаване на аудио с LE. Стандартът A2DP, използван за предаване на висококачествено аудио, работи само чрез Bluetooth Classic и за него няма аналог в LE.

Изводът е, че е безсмислено да се купуват аудиоустройства с Bluetooth 5 само заради новата версия на протокола. Bluetooth 4.0/4.1/4.2 в контекста на предаване на аудио ще работи по същия начин.
Ако анонсът на нови слушалки споменава удвоен радиус на работа и намалено енергопотребление благодарение на Bluetooth 5, знайте, че те или сами не разбират, или ви заблуждават. Не е чудно, тъй като дори производителите на Bluetooth чипове в анонсите си се объркват в различията на новата версия на стандарта, а някои Bluetooth 5 чипове поддържат петата версия само за LE, а за Classic използват 4.2.

Закъснение при предаване на аудио

Стойността на закъснението (забавянето) на аудиото зависи от много фактори: размера на буфера в аудиостека, в Bluetooth стека и в самото възпроизвеждащо безжично устройство, алгоритмичното закъснение на кодека.

Закъснението на простите кодеци, като SBC, aptX и aptX HD, е съвсем малко — между 3-6 ms, което може да се игнорира, но сложните кодеци, като AAC и LDAC, могат да предизвикат забележимо забавяне. Алгоритмичното забавяне на AAC при 44.1 kHz е 60 ms. LDAC — около 30 ms (по груб анализ на изходния код. Може да греша, но не много).

Окончателното забавяне зависи от възпроизвеждащото устройство, неговия чипсет и буфер. По време на тестовете получих диапазон от 150 до 250 ms на различни устройства (с кодек SBC). Ако предположим, че устройствата с поддръжка на допълнителните кодеци aptX, AAC и LDAC използват качествени компоненти и малък размер буфер, получаваме следните типични забавяния:

SBC: 150-250 ms
aptX: 130-180 ms
AAC: 190-240 ms
LDAC: 160-210 ms

Напомням: aptX Low Latency не се поддържа в операционните системи, затова по-ниско забавяне може да се получи само при комбинация трансмитер+приемник или трансмитер+слушалки/колонка, като всички устройства трябва да поддържат този кодек.

Проблеми с устройствата, сертификацията и логотипите на Bluetooth

Как да различим качествено аудио устройство от евтина имитация? По външния вид, на първо място!

При евтини китайски слушалки, колонки и ресивъри:

1. Липсва думата «Bluetooth» на кутията и устройството, най-често се използва «Wireless» и «BT»
2. Липсва логото на Bluetooth на кутията или устройството
3. Няма мигащ син светодиод

Отсъствието на тези елементи показва, че устройството не е преминало сертификация, което означава — потенциално нискокачествено и проблематично. Например, слушалките на фирмата Bluedio не са сертифицирани за Bluetooth и не отговарят напълно на спецификацията A2DP. Те не биха преминали сертификация.

Нека разгледаме няколко устройства и кутии от тях:

Всички тези — несертифицирани устройства. В инструкцията може да има лого и название на технологията Bluetooth, но най-важното е да бъдат на кутията и/или самото устройство.

Ако вашите слушалки или колонка казват «Ze bluetooth dewise is connecteda successfulle», това също не говори за тяхното качество:

Заключение

Може ли Bluetooth напълно да замести жичните слушалки и слушалки? Може, но за сметка на по-ниско качество по време на разговор, увеличена латентност при предаване на звука, което може да бъде неприятно при игри, и множество патентовани кодеци, които изискват лицензионни такси и увеличават крайната цена както на смартфоните, така и на слушалките.

Маркетингът на алтернативни кодеци е много силен: aptX и LDAC се представят като дългоочаквана замяна на „остарелия и лош“ SBC, който далеч не е толкова лош, колкото се смята.

Както се оказа, изкуствените ограничения на Bluetooth стековете за битрейт на SBC могат да бъдат заобиколени, така че SBC да не отстъпва на aptX HD. Поех инициативата и направих пач за фърмуера на LineageOS: Модифицираме Bluetooth стека за подобряване на звука в слушалките без кодеките AAC, aptX и LDAC

Повече информация може да бъде намерена на сайтовете SoundGuys и SoundExpert.

Бонус: референтен енкодер SBC, информация за битстрийма A2DP и тестови файлове. Този файл по-рано беше публикуван на сайта на Bluetooth публично, но сега е достъпен само за присъединилите се към Bluetooth SIG.

Източник: habr.com