Поради масовото производство на смартфони без 3.5 мм аудио жак, безжичните Bluetooth слушалки се превърнаха в основния начин за мнозина да слушат музика и да общуват в режим на слушалки.
Производителите на безжични устройства не винаги пишат подробни спецификации на продукта, а статиите за Bluetooth аудио в Интернет са противоречиви, понякога неправилни, не говорят за всички функции и често копират една и съща информация, която не отговаря на действителността.
Нека се опитаме да разберем протокола, възможностите на Bluetooth OS стекове, слушалки и високоговорители, Bluetooth кодеци за музика и реч, да разберем какво влияе върху качеството на предавания звук и латентността, да научим как да събираме и декодираме информация за поддържаните кодеци и други устройства възможности.

TL; DR:

• SBC - нормален кодек
• Слушалките имат собствен еквалайзер и постпроцесинг за всеки кодек по отделно
• aptX не е толкова добър, колкото се рекламира
• LDAC са маркетингови глупости
• Качеството на разговорите все още е лошо
• Можете да вградите C аудио енкодери във вашия браузър, като ги компилирате в WebAssembly чрез emscripten, и те няма да се забавят много.

Музика чрез Bluetooth

Функционалният компонент на Bluetooth се определя от профили - спецификации на конкретни функции. Поточното предаване на музика чрез Bluetooth използва висококачествен A2DP профил за еднопосочно аудио предаване. Стандартът A2DP беше приет през 2003 г. и оттогава не се е променил значително.
В рамките на профила са стандартизирани 1 задължителен кодек с ниска изчислителна сложност SBC, създаден специално за Bluetooth, и 3 допълнителни. Също така е възможно да използвате недокументирани кодеци от собствената си реализация.

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

• SBC ← стандартизиран в A2DP, поддържан от всички устройства
• MPEG-1/2 Layer 1/2/3 ← стандартизиран в A2DP: добре познат MP3, използвани в цифровата телевизия MP2и неизвестен MP1
• MPEG-2/4 AAC ← стандартизиран в A2DP
• ATTRAC ← стар кодек от Sony, стандартизиран в A2DP
• LDAC ← нов кодек от Sony
• aptX ← кодек от 1988 г
• aptXHD ← същото като aptX, само с различни опции за кодиране
• aptX Ниска латентност ← напълно различен кодек, без софтуерна реализация
• aptX адаптивен ← друг кодек от Qualcomm
• FastStream ← псевдокодек, двупосочна SBC модификация
• 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

Защо изобщо се нуждаем от кодеци, ще попитате, когато Bluetooth има EDR, който ви позволява да прехвърляте данни със скорости от 2 и 3 Mbit/s, а за некомпресиран двуканален 16-bit PCM е достатъчно 1.4 Mbit/s?

Прехвърляне на данни чрез Bluetooth

Има два вида трансфер на данни в Bluetooth: Asynchronous Connection Less (ACL) за асинхронен трансфер без установяване на връзка и Synchronous Connection Oriented (SCO) за синхронен трансфер с предварително договаряне на връзката.
Предаването се извършва с помощта на схема за разделяне на времето и избиране на канал за предаване за всеки пакет поотделно (Frequency-Hop/Time-Division-Duplex, FH/TDD), за което времето се разделя на интервали от 625 микросекунди, наречени слотове. Едното от устройствата предава в четни слотове, другото в нечетни. Предаваният пакет може да заема 1, 3 или 5 слота, в зависимост от размера на данните и зададения тип предаване, в този случай предаването от едно устройство се извършва в четни и нечетни слота до края на предаването. Общо могат да се приемат и изпращат до 1600 пакета в секунда, ако всеки от тях заема 1 слот, и двете устройства предават и получават нещо без спиране.

2 и 3 Mbit/s за EDR, които могат да бъдат намерени в съобщения и на уебсайта на Bluetooth, са максималната скорост на пренос на всички данни общо (включително техническите заглавки на всички протоколи, в които данните трябва да бъдат капсулирани), в две посоки едновременно. Действителната скорост на трансфер на данни ще варира значително.

За предаване на музика се използва асинхронен метод, като почти винаги се използват пакети като 2-DH5 и 3-DH5, които пренасят максимално количество данни в режим EDR съответно 2 Mbit/s и 3 Mbit/s и заемат 5 време - слотове за споделяне.

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


Поради принципа на разделяне на времето на ефирните вълни, ние сме принудени да чакаме времеви интервал от 625 микросекунди след предаване на пакет, ако второто устройство не ни предава нищо или предава малък пакет, и повече време, ако второто устройство предава в големи пакети. Ако повече от едно устройство е свързано към телефона (например слушалки, часовници и фитнес гривна), тогава времето за прехвърляне се споделя между всички тях.

Необходимостта от капсулиране на аудио в специални транспортни протоколи L2CAP и AVDTP отнема 16 байта от възможното максимално количество предаван аудио полезен товар.

Тип опаковка
Брой слотове
Макс. брой байтове в пакета
Макс. брой байтове на A2DP полезен товар
Макс. A2DP битрейт на полезен товар

2-DH3
3
367
351
936 kbps

3-DH3
3
552
536
1429 kbps

2-DH5
5
679
663
1414 kbps

3-DH5
5
1021
1005
2143 kbps

1414 и 1429 kbps определено не са достатъчни за предаване на некомпресирано аудио в реални условия, с шумния диапазон от 2.4 GHz и необходимостта от предаване на служебни данни. EDR 3 Mbit/s изисква мощност на предаване и шум в ефира, следователно, дори в режим 3-DH5, комфортното PCM предаване е невъзможно, винаги ще има краткотрайни прекъсвания и всичко ще работи само на разстояние от няколко метра.
На практика дори аудио поток от 990 kbit/s (LDAC 990 kbit/s) е труден за предаване.

Да се ​​върнем към кодеците.

SBC

Кодек, необходим за всички устройства, които поддържат стандарта A2DP. Най-добрият и най-лошият кодек едновременно.

Честота на вземане на проби
Битова дълбочина
Битрейт
Поддръжка на кодиране
Поддръжка на декодиране

16, 32, 44.1, 48 kHz
16 бита
10-1500 kbps
Всички устройства
Всички устройства

SBC е прост и изчислително бърз кодек, с примитивен психоакустичен модел (прилага се само маскиране на тихи звуци), използвайки адаптивна импулсна кодова модулация (APCM).
Спецификацията A2DP препоръчва два профила за използване: средно качество и високо качество.


Кодекът има много настройки, които ви позволяват да контролирате алгоритмичното забавяне, броя на пробите в блок, алгоритъма за разпределение на битовете, но почти навсякъде се използват същите параметри, препоръчани в спецификацията: Joint Stereo, 8 честотни ленти, 16 блока в аудиокадър, метод за разпределение на битовете на силата на звука.
SBC поддържа динамична промяна на параметъра Bitpool, което пряко влияе на битрейта. Ако ефирните вълни са запушени, пакетите са загубени или устройствата са разположени на големи разстояния, аудио източникът може да намали Bitpool, докато комуникацията се върне към нормалното.

Повечето производители на слушалки задават максималната стойност на Bitpool на 53, което ограничава битрейта до 328 килобита в секунда при използване на препоръчания профил.
Дори ако производителят на слушалки е задал максималната стойност на Bitpool над 53 (такива модели се срещат, например: Beats Solo³, JBL Everest Elite 750NC, Apple AirPods, намиращи се също на някои приемници и главни устройства на автомобили), тогава повечето ОС няма да позволят използването на повишен битрейт поради зададено вътрешно ограничение на стойността в Bluetooth стекове.
Освен това някои производители задават максималната стойност на Bitpool на ниска за някои устройства. Например за Bluedio T е 39, за Samsung Gear IconX е 37, което дава лошо качество на звука.

Изкуствените ограничения от страна на разработчиците на Bluetooth стекове най-вероятно са възникнали поради несъвместимостта на някои устройства с големи стойности на Bitpool или нетипични профили, дори ако са докладвали поддръжка за тях и недостатъчно тестване по време на сертифициране. За авторите на Bluetooth стекове беше по-лесно да се ограничат до съгласието на препоръчания профил, вместо да създават бази данни с неправилни устройства (въпреки че сега правят това за други неправилно работещи функции).

SBC динамично разпределя битове за квантуване към честотни ленти на база от ниска към висока, с различни тегла. Ако целият битрейт е бил използван за ниските и средните честоти, високите честоти ще бъдат „отрязани“ (вместо това ще има тишина).

Пример SBC 328 kbps. Отгоре е оригиналът, отдолу е SBC, периодично превключващ между песните. Аудиото във видео файла използва FLAC кодек за компресия без загуби. Използването на FLAC в mp4 контейнер не е официално стандартизирано, така че не е гарантирано, че вашият браузър ще го възпроизведе, но трябва да работи в най-новите версии на настолен Chrome и Firefox. Ако нямате звук, можете да изтеглите файла и да го отворите в пълноценен видео плейър.
ZZ Top - Sharp Dressed Man

Спектрограмата показва момента на превключване: SBC периодично прекъсва тихите звуци над 17.5 kHz и изобщо не разпределя битове за лентата над 20 kHz. Пълната спектрограма е достъпна чрез щракване (1.7 MB).

Не чувам никаква разлика между оригинала и SBC на тази песен.

Нека вземем нещо по-ново и симулираме аудиото, което би се получило с помощта на слушалки Samsung Gear IconX с Bitpool 37 (горе - оригиналният сигнал, долу - SBC 239 kbps, аудио във FLAC).
Безсмислено самоугаждане – свидетел

Чувам пращене, по-слаб стерео ефект и неприятен "тракащ" звук във високите честоти на вокалите.

Въпреки че SBC е много гъвкав кодек, той може да бъде конфигуриран за ниска латентност, осигурява отлично аудио качество при високи битрейтове (452+ kbps) и е доста добър за повечето хора при стандартно високо качество (328 kbps), поради факта, че това стандартът A2DP не определя фиксирани профили (а само дава препоръки), разработчиците на стека са задали изкуствени ограничения на Bitpool, параметрите на предаваното аудио не се показват в потребителския интерфейс, а производителите на слушалки са свободни да задават свои собствени настройки и никога посочете стойността на Bitpool в техническите спецификации на продукта, кодекът стана известен с ниското си качество на звука, въпреки че това не е проблем с кодека като такъв.
Параметърът Bitpool влияе пряко върху битрейта само в рамките на един профил. Една и съща стойност на Bitpool 53 може да даде както битрейт от 328 kbps с препоръчания профил за високо качество, така и 1212 kbps с двоен канал и 4 честотни ленти, поради което авторите на ОС, в допълнение към ограниченията за Bitpool, задават лимит и на Битрейт. Както виждам, тази ситуация възникна поради недостатък в стандарта A2DP: беше необходимо да се договори битрейтът, а не Bitpool.

Таблица с поддръжка за SBC възможности в различни ОС:

операционна система
Поддържани честоти на дискретизация
Лимит макс. Bitpool
Лимит макс. Битрейт
Типичен битрейт
Динамична настройка на Bitpool

Windows 10
44.1 кГц
53
512 kbps
328 kbps
✓*

Linux (BlueZ + PulseAudio)
16, 32, 44.1, 48 kHz
64 (за входящи връзки), 53 (за изходящи връзки)
Няма ограничение
328 kbps
✓*

MacOS Висока Сиера
44.1 кГц
64, по подразбиране 53***
неизвестен
328 kbps
✗

Android 4.4-9
44.1/48 kHz**
53
328 kbps
328 kbps
✗

Android 4.1-4.3.1
44.1, 48 kHz**
53
229 kbps
229 kbps
✗

Blackberry OS 10
48 кГц
53
Няма ограничение
328 kbps
✗

* Bitpool само намалява, но не се увеличава автоматично, ако условията за трансфер се подобрят. За да възстановите Bitpool, трябва да спрете възпроизвеждането, да изчакате няколко секунди и да стартирате звука отново.
** Стойността по подразбиране зависи от настройките на стека, посочени при компилирането на фърмуера. В Android 8/8.1 честотата е само 44.1 kHz или 48 kHz, в зависимост от настройките по време на компилацията, в други версии 44.1 kHz и 48 kHz се поддържат едновременно.
*** Стойността на Bitpool може да бъде повишена в програмата Bluetooth Explorer.

aptX и aptX HD

aptX е прост и изчислително бърз кодек, без психоакустика, използващ адаптивна диференциална импулсна кодова модулация (ADPCM). Появява се около 1988 г. (дата на подаване патент от февруари 1988 г.), преди Bluetooth, той се използва предимно в професионално безжично аудио оборудване. В момента е собственост на Qualcomm, изисква лиценз и възнаграждения. Към 2014 г.: $6000 еднократно и ≈$1 на устройство, за партиди от до 10000 XNUMX 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 семплиране. Има обаче избор на брой/режим на каналите, но във всички познати ми устройства (70+ броя) се поддържа само Стерео.

кодек
Честота на вземане на проби
Битова дълбочина
Битрейт
Поддръжка на кодиране
Поддръжка на декодиране

aptX
16, 32, 44.1, 48 kHz
16 бита
128 / 256 / 352 / 384 kbps (в зависимост от честотата на дискретизация)
Windows 10 (десктоп и мобилен), macOS, Android 4.4+/7*, Blackberry OS 10
Широка гама аудио устройства (хардуер)

* Версии до 7 изискват модификация на Bluetooth стека. Кодекът се поддържа само ако производителят на устройството с Android е лицензирал кодека от Qualcomm (ако операционната система има библиотеки за кодиране).

aptX разделя аудиото на 4 честотни ленти и ги квантува със същия брой битове постоянно: 8 бита за 0-5.5 kHz, 4 бита за 5.5-11 kHz, 2 бита за 11-16.5 kHz, 2 бита за 16.5-22 kHz ( цифри за честота на дискретизация 44.1 kHz).

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

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

Поради фиксираното разпределение на битовете за квантуване, кодекът не може да „премести битовете“ към честотите, които се нуждаят най-много от тях. За разлика от SBC, aptX няма да „отреже“ честотите, а ще добави към тях шум от квантуване, намалявайки динамичния обхват на аудиото.

Не трябва да се приема, че използването например на 2 бита на лента намалява динамичния обхват до 12 dB: ADPCM позволява до 96 dB динамичен обхват дори при използване на 2 бита за квантуване, но само за определен сигнал.
ADPCM съхранява числовата разлика между текущата проба и следващата проба, вместо да съхранява абсолютната стойност, както е в PCM. Това ви позволява да намалите изискванията за броя на битовете, необходими за съхраняване на същата (без загуба) или почти същата (с относително малка грешка при закръгляване) информация. За да се намалят грешките при закръгляване, се използват таблици с коефициенти.
При създаването на кодека авторите изчисляват ADPCM коефициентите върху набор от музикални аудио файлове. Колкото по-близо е аудиосигналът до музикалния набор, върху който са изградени таблиците, толкова по-малко грешки при квантуване (шум) създава aptX.

Поради това синтетичните тестове винаги ще дават по-лоши резултати от музиката. Направих специален синтетичен пример, в който aptX показва лоши резултати - синусоида с честота 12.4 kHz (по-горе - оригиналният сигнал, по-долу - aptX. Аудио във FLAC. Намалете звука!):

Графика на спектъра:


Шумовете се чуват ясно.

Въпреки това, ако генерирате синусоида с по-малка амплитуда, така че да е по-тиха, шумът също ще стане по-тих, което показва широк динамичен диапазон:

За да чуете разликата между оригиналния музикален запис и компресирания, можете да обърнете един от сигналите и да добавите песните канал по канал. Този подход като цяло е неправилен и не би дал разумни резултати с по-сложни кодеци, но конкретно за ADPCM е доста подходящ.
Разлика между оригинал и aptX
Средната квадратична разлика на сигналите е на ниво -37.4 dB, което не е много за толкова компресирана музика.

aptXHD

aptX HD не е самостоятелен кодек - това е подобрен профил на кодиране на кодека aptX. Промените засегнаха броя битове, разпределени за честотни диапазони на кодиране: 10 бита за 0-5.5 kHz, 6 бита за 5.5-11 kHz, 4 бита за 11-16.5 kHz, 4 бита за 16.5-22 kHz (цифри за 44.1 kHz) .

кодек
Честота на вземане на проби
Битова дълбочина
Битрейт
Поддръжка на кодиране
Поддръжка на декодиране

aptXHD
16, 32, 44.1, 48 kHz
24 бита
192 / 384 / 529 / 576 kbps (в зависимост от честотата на дискретизация)
Android 8+*
Някои аудио устройства (хардуер)

* Версии до 7 изискват модификация на Bluetooth стека. Кодекът се поддържа само ако производителят на устройството с Android е лицензирал кодека от Qualcomm (ако операционната система има библиотеки за кодиране).

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

Нека повторим примера със синусоида при 12.4 kHz:


Много по-добър от aptX, но все пак малко шумен.

aptX Ниска латентност

Кодек на Qualcomm, който няма нищо общо със стандартните aptX и aptX HD, съдейки по ограничената информация от хора, участващи в разработката му. Проектиран за интерактивно аудио предаване с ниска латентност (филми, игри), където забавянето на звука не може да се регулира от софтуер. Не са известни софтуерни реализации на енкодери и декодери; те се поддържат изключително от предаватели, приемници, слушалки и високоговорители, но не и от смартфони и компютри.

Честота на вземане на проби
Битрейт
Поддръжка на кодиране
Поддръжка на декодиране

44.1 кГц
276/420 kbps
Някои предаватели (хардуер)
Някои аудио устройства (хардуер)

AAC

AAC, или Advanced Audio Coding, е изчислително сложен кодек със сериозен психоакустичен модел. Широко използван за аудио в Интернет, втори по популярност след MP3. Изисква лицензиране и възнаграждения: $15000 1000 еднократно (или $15 за компании с по-малко от 0.98 служители) + $500000 за първите XNUMX XNUMX устройства (източник).
Кодекът е стандартизиран в рамките на спецификациите MPEG-2 и MPEG-4 и противно на общоприетото погрешно схващане, той не принадлежи на Apple.

Честота на вземане на проби
Битрейт
Поддръжка на кодиране
Поддръжка на декодиране

8 - 96 kHz
8 - 576 kbps (за стерео), 256 - 320 kbps (типично за Bluetooth)
macOS, Android 7+*, iOS
Широка гама аудио устройства (хардуер)

* само на устройства, чиито производители са платили лицензионни такси

iOS и macOS използват текущия най-добър AAC енкодер на Apple, за да осигурят възможно най-високо качество на звука. Android използва втория по качество Fraunhofer FDK AAC енкодер, но може да използва различен хардуер, вграден в платформата (SoC) с неизвестно качество на кодиране. Според последните тестове на уебсайта на SoundGuys, качеството на AAC кодиране на различните телефони с Android варира значително:

Повечето безжични аудио устройства имат максимален битрейт от 320 kbps за AAC, някои поддържат само 256 kbps. Други битрейтове са изключително редки.
AAC осигурява отлично качество при битрейт 320 и 256 kbps, но подлежи на загуба на последователно кодиране на вече компресирано съдържание, обаче е трудно да се чуят някакви разлики с оригинала в iOS при битрейт от 256 kbps дори при няколко последователни кодирания; при единично кодиране, например MP3 320 kbps до AAC 256 kbps, загубите могат да бъдат пренебрегнати.
Както при другите Bluetooth кодеци, всяка музика първо се декодира и след това се кодира от кодека. Когато слушате музика във формат AAC, тя първо се декодира от операционната система, след което отново се кодира в AAC за предаване чрез Bluetooth. Това е необходимо за смесване на множество аудио потоци, като музика и известия за нови съобщения. iOS не е изключение. В интернет можете да намерите много твърдения, че на iOS музиката във формат AAC не се транскодира, когато се предава чрез Bluetooth, което не е вярно.

MP1/2/3

Кодеците от фамилията MPEG-1/2 част 3 се състоят от добре познатия и широко използван MP3, по-рядко срещания MP2 (използван главно в цифровата телевизия и радио) и напълно непознатия MP1.

Старите MP1 и MP2 кодеци изобщо не се поддържат: не можах да намеря слушалки или Bluetooth стек, които да ги кодират или декодират.
MP3 декодирането се поддържа от някои слушалки, но кодирането не се поддържа от никоя съвременна операционна система. Изглежда, че стекът BlueSoleil на трета страна за Windows може да кодира в MP3, ако ръчно промените конфигурационния файл, но за мен инсталирането му води до BSoD на Windows 10. Заключение - кодекът всъщност не може да се използва за Bluetooth аудио.
Преди това, през 2006-2008 г., преди разпространението на стандарта A2DP в устройствата, хората слушаха MP3 музика на слушалките Nokia BH-501 чрез програмата MSI BluePlayer, която беше достъпна на Symbian и Windows Mobile. По това време операционната архитектура на смартфоните позволяваше достъп до много функции на ниско ниво, а на Windows Mobile дори беше възможно да се инсталират Bluetooth стекове на трети страни.

Последният патент на MP3 кодека е изтекъл, използването на кодека не изисква лицензионни такси от 23 април 2017 г.

Ако най-дълго действащият патент, споменат в гореспоменатите препратки, се вземе като мярка, тогава MP3 технологията стана свободна от патенти в Съединените щати на 16 април 2017 г., когато патентът на САЩ 6,009,399, притежаван и администриран от Technicolor, изтече.

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

Честота на вземане на проби
Битрейт
Поддръжка на кодиране
Поддръжка на декодиране

16 - 48 kHz
8 - 320 kbps
Не се поддържа никъде
Някои аудио устройства (хардуер)

LDAC

Нов и активно рекламиран “Hi-Res” кодек от Sony, поддържащ честота на семплиране до 96 kHz и 24-битов битрейт, с битрейт до 990 kbps. Той се рекламира като аудиофилски кодек, като заместител на съществуващите Bluetooth кодеци. Има функция за адаптивна настройка на скоростта на предаване в зависимост от условията на радиопредаване.

LDAC енкодер (libldac) е включено в стандартния пакет на Android, така че кодирането се поддържа от всеки смартфон с Android, започващ с версия на OS 8. Няма свободно достъпни софтуерни декодери, спецификацията на кодека не е достъпна за широката публика, но на пръв поглед към енкодера вътрешната структура на кодека е подобна на ATRAC9 - Кодек на Sony, използван в PlayStation 4 и Vita: и двата работят в честотната област, използват модифицирано дискретно косинусово преобразуване (MDCT) и компресия с помощта на алгоритъма на Huffman.

Поддръжката на LDAC се предоставя почти изключително от слушалки от Sony. Възможността за декодиране на LDAC понякога се среща в слушалки и DAC от други производители, но много рядко.

Честота на вземане на проби
Битрейт
Поддръжка на кодиране
Поддръжка на декодиране

44.1 - 96 kHz
303/606/909 kbit/s (за 44.1 и 88.2 kHz), 330/660/990 kbit/s (за 48 и 96 kHz)
Android 8 +
Някои слушалки Sony и някои устройства от други производители (хардуер)

Маркетингът на LDAC като Hi-Res кодек вреди на неговия технически компонент: глупаво е да се изразходва битрейт за предаване на честоти, недоловими за човешкото ухо, и увеличаване на битовата дълбочина, докато не е достатъчно за предаване на CD качество (44.1/16) без загуба . За щастие, кодекът има два режима на работа: CD аудио предаване и Hi-Res аудио предаване. В първия случай само 44.1 kHz/16 бита се предават по въздуха.

Тъй като софтуерният LDAC декодер не е свободно достъпен, невъзможно е да се тества кодека без допълнителни устройства, които декодират LDAC. Според резултатите от теста на LDAC на DAC с неговата поддръжка, който инженерите на SoundGuys.com свързаха чрез цифров изход и записаха изходния звук върху тестови сигнали, LDAC 660 и 990 kbps в режим на качество на CD осигурява сигнал към- съотношението на шума е малко по-добро от това на aptX HD.

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

LDAC поддържа и динамични битрейтове извън установените профили - от 138 kbps до 990 kbps, но доколкото мога да преценя, Android използва само стандартизираните профили 303/606/909 и 330/660/990 kbps.

Други кодеци

Други A2DP кодеци не се използват широко. Тяхната поддръжка или почти напълно липсва, или е достъпна само на определени модели слушалки и смартфони.
Кодекът ATRAC, стандартизиран в A2DP, никога не е бил използван като Bluetooth кодек дори от самите Sony, кодеците Samsung HD, Samsung Scalable и Samsung UHQ-BT имат много ограничена поддръжка от предаващи и приемащи устройства, а HWA LHDC е твърде нов и поддържа само три (?) устройства.

Поддръжка на кодеци за аудио устройства

Не всички производители публикуват точна информация за кодеците, които се поддържат от определени безжични слушалки, високоговорители, приемници или предаватели. Понякога се случва поддръжката на определен кодек да е само за предаване, но не и за приемане (от значение за комбинирани предаватели-приемници), въпреки че производителят просто декларира „поддръжка“, без забележки (предполагам, че отделно лицензиране на енкодери и декодери на някои кодеци е виновен за това). В най-евтините устройства може изобщо да не намерите декларираната поддръжка на aptX.

За съжаление, интерфейсите на повечето операционни системи никъде не показват използвания кодек. Информация за това е достъпна само в Android, започвайки от версия 8, и macOS. Но дори и в тези операционни системи ще се показват само онези кодеци, които се поддържат както от телефона/компютъра, така и от слушалките.

Как можете да разберете кои кодеци поддържа вашето устройство? Записвайте и анализирайте дъмпа на трафика с A2DP параметри за договаряне!
Това може да се направи на Linux, macOS и Android. В Linux можете да използвате Wireshark или hcidump, в macOS можете да използвате Bluetooth Explorer, а в Android можете да използвате стандартната функция за запазване на Bluetooth HCI dump, която е налична в инструментите за разработчици. Ще получите дъмп във формат btsnoop, който може да бъде зареден в анализатора на Wireshark.
Моля, обърнете внимание: правилен дъмп може да се получи само чрез свързване от вашия телефон/компютър към слушалки/колони (колкото и смешно да звучи)! Слушалките могат независимо да установят връзка с телефона, като в този случай те ще поискат списък с кодеци от телефона, а не обратното. За да сте сигурни, че е записан правилният дъмп, първо прекратете сдвояването на устройството и след това сдвоете телефона със слушалките, докато записвате дъмпа.

Използвайте следния филтър за показване, за да филтрирате неподходящ трафик:

btavdtp.signal_id

В резултат на това трябва да видите нещо подобно на това:

Можете да щракнете върху всеки елемент в командата GetCapabilities, за да видите подробните характеристики на кодека.

Wireshark не знае всички идентификатори на кодеци, така че някои кодеци ще трябва да бъдат декриптирани ръчно, като погледнете таблицата с идентификатори по-долу:

Mandatory:
0x00 - SBC

Optional:
0x01 - MPEG-1,2 (aka MP3)
0x02 - MPEG-2,4 (aka AAC)
0x04 - ATRAC

Vendor specific:
0xFF 0x004F 0x01   - aptX
0xFF 0x00D7 0x24   - aptX HD
0xFF 0x000A 0x02   - aptX Low Latency
0xFF 0x00D7 0x02   - aptX Low Latency
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 - The CSR True Wireless Stereo v3 Codec ID for AAC
0xFF 0x000A 0x0105 - The CSR True Wireless Stereo v3 Codec ID for MP3
0xFF 0x000A 0x0106 - The CSR True Wireless Stereo v3 Codec ID for aptX

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

Сравнение на кодеци. Кой кодек е по-добър?

Всеки кодек има своите предимства и недостатъци.
aptX и aptX HD използват твърдо кодирани профили, които не могат да се променят без модифициране на енкодера и декодера. Нито производителят на телефона, нито производителят на слушалките могат да променят битрейта или факторите на кодиране aptX. Собственикът на кодека, Qualcomm, предоставя референтен енкодер под формата на библиотека. Тези факти са силата на aptX - знаете предварително какво качество на звука ще получите, без никакви „но“.

SBC, за разлика от тях, има много конфигурируеми параметри, динамичен битрейт (кодерът може да намали параметъра bitpool, ако ефирните вълни са заети) и няма твърдо кодирани профили, само препоръчителните „средно качество“ и „високо качество“, които са били добавен към спецификацията A2DP през 2003 г. „Високо качество“ вече не е толкова високо според днешните стандарти и повечето Bluetooth стекове не ви позволяват да използвате параметри, по-добри от профила „високо качество“, въпреки че няма технически ограничения за това.
Bluetooth SIG няма референтен SBC енкодер като библиотека и производителите го внедряват сами.
Това са слабостите на SBC - никога не е ясно предварително какво качество на звука да очакваме от дадено устройство. SBC може да произвежда аудио с ниско и много високо качество, но последното е недостижимо без деактивиране или заобикаляне на изкуствените ограничения на Bluetooth стековете.

Ситуацията с AAC е двусмислена: от една страна, теоретично кодекът трябва да произвежда качество, неразличимо от оригинала, но на практика, съдейки по тестовете на лабораторията SoundGuys на различни устройства с Android, това не е потвърдено. Най-вероятно грешката е в нискокачествени хардуерни аудио енкодери, вградени в различни телефонни чипсети. Има смисъл да използвате AAC само на устройства на Apple, а на Android да го ограничите до aptX и LDAC.

Хардуерът, който поддържа алтернативни кодеци, обикновено е с по-високо качество, просто защото за много евтини устройства с ниско качество няма смисъл да се плащат лицензионни такси за използването на тези кодеци. В моите тестове SBC звучи много добре на качествено оборудване.

Направих уеб услуга, която кодира аудио към SBC, aptX и aptX HD в реално време, направо в браузъра. С него можете да тествате тези аудио кодеци, без действително да предавате аудио през Bluetooth, на всякакви кабелни слушалки, високоговорители и любимата си музика, както и да променяте параметрите на кодиране директно, докато възпроизвеждате аудио:
btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-encoder
Услугата използва библиотеките за кодиране на 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 би могъл да мечтае за такова бъдеще!

Ето как изглежда:

Забележете как нивото на шума се променя след 20 kHz за различни кодеци. Оригиналният MP3 файл не съдържа честоти над 20 kHz.

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

Чувам разликата между кодеците в слушалки!

Хората, които не чуват разликата между кодеците по време на тестване чрез уеб услуга, твърдят, че я чуват, когато слушат музика на безжични слушалки. Уви, това не е шега или плацебо ефект: разликата наистина се чува, но не е причинена от разлики кодеци.

По-голямата част от Bluetooth аудио чипсетите, използвани в безжичните приемни устройства, са оборудвани с цифров сигнален процесор (DSP), който внедрява еквалайзер, компандър, стерео разширител и други неща, предназначени да подобрят (или променят) звука. Производителите на Bluetooth оборудване могат да конфигурират DSP за всеки кодек поотделно, и когато превключва между кодеци, слушателят ще си помисли, че чува разлика в работата на кодеците, когато в действителност слуша различни DSP настройки.

Тръбопровод за аудио обработка на DSP Kalimba в чипове, произведени от CSR/Qualcomm

Активирайте различни DSP функции за всеки кодек и изход поотделно

Някои премиум устройства се доставят със софтуер, който ви позволява да персонализирате DSP настройките, но повечето по-евтини слушалки не го правят и потребителите не могат да изключат ръчно последващата обработка на звука.

Функционални характеристики на устройствата

Модерната версия на стандарта A2DP има функция "абсолютен контрол на звука". — контрол на силата на звука на устройството с помощта на специални команди на протокола AVRCP, който регулира усилването на изходния етап, вместо програмно да намалява силата на звука на аудио потока. Ако, когато промените силата на звука на вашите слушалки, промяната не се синхронизира със силата на звука на вашия телефон, тогава вашите слушалки или телефон не поддържат тази функция. В този случай има смисъл винаги да слушате музика с максимална сила на звука на телефона, като регулирате действителната сила на звука с бутоните на слушалките - в този случай съотношението сигнал / шум ще бъде по-добро и качеството на звука трябва да бъде по-висок.
В действителност има тъжни ситуации. На моите слушалки RealForce OverDrive D1 за SBC е включен силен компандер и увеличаването на силата на звука води до увеличаване на нивото на тихите звуци, докато силата на звука на силните звуци не се променя (сигналът е компресиран). Поради това трябва да настроите силата на звука на компютъра на около половината, в който случай практически няма ефект на компресия.
Според моите наблюдения всички слушалки с допълнителни кодеци поддържат функцията за абсолютен контрол на звука, явно това е едно от изискванията за сертифициране на кодек.

Някои слушалки поддържат свързване на две устройства едновременно. Това ви позволява например да слушате музика от вашия компютър и да получавате обаждания от вашия телефон. Все пак трябва да знаете, че в този режим алтернативните кодеци са деактивирани и се използва само SBC.

AVDTP 1.3 Функция за отчитане на забавяне позволява на слушалките да съобщават закъснението на предавателното устройство, при което действително се възпроизвежда звук. Това ви позволява да регулирате синхронизирането на аудио с видео, докато гледате видео файлове: ако има проблеми с радиопредаване, аудиото няма да изостава от видеото, а напротив, видеото ще се забавя от видеоплейъра, докато аудио и видео се синхронизират отново.
Функцията се поддържа от много слушалки, Android 9+ и Linux с PulseAudio 12.0+. Не знам за поддръжка на тази функция на други платформи.

Двупосочна комуникация чрез Bluetooth. Предаване на глас.

За предаване на глас в Bluetooth се използва Synchronous Connection Oriented (SCO) - синхронно предаване с предварително договаряне на връзката. Режимът ви позволява да предавате звук и глас строго по ред, със симетрични скорости на изпращане и получаване, без да чакате потвърждение за предаване и повторно изпращане на пакети. Това намалява общото забавяне на аудио предаването по радиоканала, но налага сериозни ограничения върху количеството данни, предавани за единица време, и се отразява негативно на качеството.
Когато се използва този режим, както гласът, така и аудиото се предават с еднакво качество.
За съжаление, от 2019 г. качеството на гласа през Bluetooth все още е лошо и не е ясно защо Bluetooth SIG не прави нищо по въпроса.

CVSD

Основният кодек за реч CVSD е стандартизиран през 2002 г. и се поддържа от всички двупосочни Bluetooth комуникационни устройства. Той осигурява аудио предаване с честота на семплиране от 8 kHz, което отговаря на качеството на конвенционалната кабелна телефония.

Пример за запис в този кодек.

mSBC

Допълнителният кодек mSBC беше стандартизиран през 2009 г., а през 2010 г. вече се появиха чипове, които го използват за предаване на глас. mSBC се поддържа широко от различни устройства.
Това не е независим 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 брилянтен, но много по-добър от CVSD, но все пак е досадно да се използва за онлайн комуникация, особено когато използвате слушалки, за да общувате по време на игра - аудиото на играта също ще се предава при честота на семплиране от 16 kHz.

Компанията FastStreamCSR реши да развие идеята за използване на SBC. За да заобиколят ограниченията на протокола SCO и да използват по-високи битрейтове, CSR тръгнаха по различен път - те въведоха поддръжка за двупосочно SBC аудио в стандарта за еднопосочно аудио предаване A2DP, стандартизирани профили за кодиране и го нарекоха "FastStream".

FastStream предава стерео аудио при 44.1 или 48 kHz с битрейт 212 kbps към високоговорителите, а моно, 16 kHz, с битрейт 72 kbps (малко по-добро от mSBC) се използва за предаване на аудио от микрофона. Такива параметри са много по-подходящи за комуникация в онлайн игри - звукът на играта и събеседниците ще бъдат с високо качество.

Пример за запис в този кодек (+ звук от микрофона, същото като mSBC).

Компанията измисли интересна патерица, но поради факта, че противоречи на стандарта A2DP, се поддържа само в някои от предавателите на компанията (които работят като USB аудио карта, а не като Bluetooth устройство), но не получават поддръжка в Bluetooth стекове, въпреки че броят на слушалките с поддръжка на FastStream не е толкова малък.

В момента поддръжката на FastStream е само в операционната система като корекция за Linux PulseAudio от разработчика Pali Rohár, който не е включен в основния клон на програмата.

aptX Ниска латентност

За ваша голяма изненада, aptX Low Latency поддържа и двупосочно аудио, прилагайки същия принцип като FastStream.
Не е възможно да се използва тази функция на кодека никъде - няма поддръжка за декодиране с ниска латентност в която и да е операционна система или в който и да е Bluetooth стек, познат ми.

Bluetooth 5, класически и нискоенергиен

Има много объркване около спецификациите и версиите на Bluetooth поради наличието на два несъвместими стандарта под една и съща марка, като и двата се използват широко за различни цели.

Има два различни, несъвместими Bluetooth протокола: Bluetooth Classic и Bluetooth Low Energy (LE, известен също като Bluetooth Smart). Има и трети протокол, Bluetooth High Speed, но той не е широко разпространен и не се използва в домашни устройства.

Започвайки с Bluetooth 4.0, промените в спецификацията се отнасяха главно за Bluetooth Low Energy, а версията Classic получи само незначителни подобрения.

Списък с промените между Bluetooth 4.2 и Bluetooth 5:

9 ПРОМЕНИ ОТ v4.2 НА 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 слота (SAM)
• 2 Msym/s PHY за LE
•LE Long Range
• Несвързваема реклама с голям работен цикъл
• LE рекламни разширения
• LE Алгоритъм за избор на канал #2
9.1.1 Функции, добавени в CSA5 - Интегрирани във v5.0
•По-висока изходна мощност

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

Само една промяна засегна класическата версия в рамките на спецификацията Bluetooth 5: те добавиха поддръжка за технологията Slot Availability Mask (SAM), предназначена да подобри разделянето на радиопредаване. Всички други промени засягат само Bluetooth LE (и по-високата изходна мощност също).

всички Аудио устройствата използват само Bluetooth Classic. Невъзможно е да свържете слушалки и високоговорители чрез Bluetooth Low Energy: няма стандарт за предаване на аудио чрез LE. Стандартът A2DP, използван за предаване на висококачествен звук, работи само чрез Bluetooth Classic и няма аналог в LE.

Извод - закупуването на аудио устройства с Bluetooth 5 само заради новата версия на протокола е безсмислено. Bluetooth 4.0/4.1/4.2 в контекста на аудио предаване ще работи точно по същия начин.
Ако в анонса на нови слушалки се споменава удвоен работен обхват и намалена консумация на енергия благодарение на Bluetooth 5, тогава трябва да знаете, че или те самите не го разбират, или ви подвеждат. Нищо чудно, защото дори производителите на Bluetooth чипове в своите съобщения са объркани за разликите между новата версия на стандарта, а някои Bluetooth 5 чипове поддържат петата версия само за LE и използват 4.2 за Classic.

Забавяне на аудио предаване

Размерът на забавяне (лаг) в аудиото зависи от много фактори: размера на буфера в аудио стека, в Bluetooth стека и в самото безжично устройство за възпроизвеждане, и алгоритмичното забавяне на кодека.

Забавянето на прости кодеци като SBC, aptX и aptX HD е много малко, 3-6 ms, което може да бъде пренебрегнато, но сложни кодеци като AAC и LDAC могат да причинят забележимо забавяне. Алгоритмичната латентност на AAC за 44.1 kHz е 60 ms. LDAC - около 30 ms (въз основа на груб анализ на изходния код. Може и да греша, но не много.)

Получената латентност зависи до голяма степен от устройството за възпроизвеждане, неговия чипсет и буфер. По време на тестовете получих разпространение от 150 до 250 ms на различни устройства (с SBC кодека). Ако приемем, че устройствата, поддържащи допълнителни кодеци aptX, AAC и LDAC, използват висококачествени компоненти и малък размер на буфера, получаваме следните типични закъснения:

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

Нека ви напомня: aptX Low Latency не се поддържа в операционните системи, поради което по-ниска латентност може да се получи само с комбинация от предавател+приемник или предавател+слушалки/високоговорител и всички устройства трябва да поддържат този кодек.

Проблеми с Bluetooth устройство, сертифициране и лого

Как да различим висококачествено аудио устройство от евтин занаят? На външен вид, преди всичко!

За евтини китайски слушалки, високоговорители и приемници:

1. Думата “Bluetooth” липсва на кутията и устройството, най-често се използват “Wireless” и “BT”
2. Липсва логото на Bluetooth върху кутията или устройството
3. Няма мигащ син светодиод

Липсата на тези елементи показва, че устройството не е сертифицирано, което означава, че е потенциално нискокачествено и проблемно. Например слушалките Bluedio не са сертифицирани за Bluetooth и не отговарят напълно на спецификацията A2DP. Нямаше да преминат сертификация.

Нека разгледаме няколко устройства и кутии от тях:

Това са всички несертифицирани устройства. Инструкциите може да съдържат лого и името на Bluetooth технологията, но най-важното е те да са на кутията и/или на самото устройство.

Ако вашите слушалки или високоговорител казват „Ze bluetooth dewise е свързан успешно“, това също не означава тяхното качество:

Заключение

Може ли Bluetooth напълно да замени кабелните слушалки и слушалки? Той е способен, но с цената на лошо качество на разговора, увеличена аудио латентност, която може да бъде досадна в игрите, и множество собствени кодеци, които изискват лицензионни такси и увеличават крайната цена както на смартфони, така и на слушалки.

Маркетингът на алтернативни кодеци е много силен: aptX и LDAC са представени като дългоочаквана замяна на „остарялия и лош“ SBC, който не е толкова лош, колкото хората си мислят.

Както се оказа, изкуствените ограничения на Bluetooth стековете върху битрейта на SBC могат да бъдат заобиколени, така че SBC няма да бъде по-нисък от aptX HD. Поех инициативата в свои ръце и направих корекция за фърмуера на LineageOS: Модифициране на Bluetooth стека за подобряване на звука на слушалки без AAC, aptX и LDAC кодеци

Повече информация можете да намерите на уебсайтовете Sound Guys и SoundExpert.

Бонус: SBC референтен енкодер, A2DP битстрийм информация и тестови файлове. Този файл беше публикуван публично на уебсайта на Bluetooth, но сега е достъпен само за членове на Bluetooth SIG.

Източник: www.habr.com