Поради масовото производство на смартфони без 3,5 мм аудио жак, безжичните Bluetooth слушалки за много хора станаха основен начин за слушане на музика и комуникация в режим на слушалки.
Производителите на безжични устройства не винаги предоставят подробни характеристики на продукта, а статиите за Bluetooth-аудио в интернет са противоречиви, понякога некоректни, не разказват за всички особености и често копират една и съща информация, която не отговаря на действителността.
Нека да разгледаме протокола, възможностите на Bluetooth стековете на операционните системи, слушалките и колонките, Bluetooth кодеците за музика и реч, да разберем какво влияе на качеството на предавания звук и закъснението, и да се научим да събираме и декодираме информация за поддържаните кодеци и други възможности на устройствата.

TL;DR:

• SBC — нормален кодек
• Слушалките имат собствен еквалайзер и пост-процесинг за всеки кодек поотделно
• aptX не е толкова добър, колкото го представят рекламните анонси
• LDAC — маркетингово фуфло
• Качеството на звука при разговор все още е ниско
• В браузъра могат да се вградят аудио енкодери на C, компилирани в WebAssembly чрез emscripten, и те няма да забавят особено.

Музика през Bluetooth

Функционалната част на Bluetooth е зададена от профилите — спецификации на конкретни функции. Предаването на музика през Bluetooth се осъществява с помощта на профила за предаване на висококачествено еднопосочно аудио A2DP. Стандартът A2DP беше приет през 2003 г. и оттогава не се е променял значително.
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 от собствена реализация.

Към юни 2019 г. 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 тях MP3 , използван в цифровото ТВMP2 , и неизвестенMP1 MPEG-2/4 AAC
• ← стандартизиран в A2DP ATRAC
• ← стар кодек от Sony, стандартизиран в A2DP ← нов кодек от Sony
• LDAC aptX
• ← кодек от 1988 г. aptX HD
• ← същото като aptX, само с различни параметри на кодиране aptX Low Latency
• ← съвсем различен кодек, без софтуерна реализация aptX Adaptive
• ← още един кодек от Qualcomm FastStream
• ← псевдокодек, двупосочна модификация на SBC HWA LHDC
• 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 са нужни кодеци, ще питате вие, след като Bluetooth разполага с EDR, което позволява предаване на данни със скорости 2 и 3 мбит/с, а за несжатия двуканален 16-битов PCM е достатъчно 1.4 мбит/с?

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 съгласуване на връзката.
Предаването се осъществява с използване на схема за разделение на времето и избор на канал за предаване на всеки пакет отделно (Frequency-Hop/Time-Division-Duplex, FH/TDD), за което времето се разделя на интервали от 625 микросекунди, наречени слотове (slot). Едно от устройствата води предаването в четни номера на слотове, а другото — в нечетни. Предаваният пакет може да заема 1, 3 или 5 слота, в зависимост от размера на данните и установения тип предаване; в такъв случай предаването от едното устройство се извършва в четни и нечетни слотове до края на предаването. Общо в секунда могат да бъдат приети и изпратени до 1600 пакета, ако всеки от тях заема 1 слот, и и двете устройства без прекъсване предават и приемат нещо.

2 и 3 мбит/с за EDR, които можете да срещнете в анонсите и на сайта на Bluetooth, са максималната канална скорост за предаване на всички данни общо (включително техническите заглавия на всички протоколи, в които трябва 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 2 мбит/с и 3 мбит/с съответно, и заемат 5 слота на временното разделение на ефира.

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


Поради принципа на разделение на обхвата във времето, ние сме принудени да изчакаме 625 микросекундния таймслот след предаване на пакет, ако второто устройство не предава нищо или предава малък пакет, и повече време, ако второто устройство предава с големи пакети. Ако телефонът е свързан към повече от едно устройство (например, слушалки, часовник и фитнес гривна), времето за предаване се разделя между тях всички.

Необходимостта от инкапсулиране на аудио в специални транспортни протоколи L2CAP и AVDTP отнема 16 байта от възможно максималното количество предавана полезна аудионагрузка.

Тип пакет
Брой слотове
Макс. брой байтове в пакет
Макс. брой байтове полезно натоварване A2DP
Макс. битрейт полезно натоварване A2DP

2-DH3
3
367
351
936 kbit/s

3-DH3
3
552
536
1429 kbit/s

2-DH5
5
679
663
1414 kbit/s

3-DH5
5
1021
1005
2143 kbit/s

1414 и 1429 kbit/s са ясно недостатъчни за предаване на несжат звук при реални условия, с шумен диапазон от 2.4 GHz и необходимостта от предаване на служебни данни. EDR 3 mbit/s е взискателен към мощността на предаване и шумовете в ефира, затова дори в режим 3-DH5 комфортното предаване на PCM е невъзможно, постоянно ще има краткотрайни прекъсвания и всичко ще работи само на разстояние от няколко метра.
На практика, дори 990 kbit/s аудиопоток (LDAC 990 kbit/s) се предава с трудности.

Нека се върнем към кодеците.

← стандартизиран в A2DP, поддържа се от всички устройства

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

Честота на дискретизация
Разредност
Битрейт
Поддръжка на кодиране
Поддръжка на декодиране

16, 32, 44.1, 48 kHz
16 бита
10-1500 kbit/s
От всички устройства
От всички устройства

SBC — прост и изчислително бърз кодек, с примитивна психоакустична модел (използва само маскировка на тихи звуци), използваща адаптивна импулсно-кодова модулция (APCM).
Спецификацията A2DP препоръчва използването на два профила: Middle Quality и High Quality.


Кодекът има много настройки, позволяващи управление на алгоритмичното закъснение, броя на семплите в блока, алгоритъмът за разпределение на битовете, но почти навсякъде се използват едни и същи препоръчани в спецификацията параметри: Joint Stereo, 8 честотни ленти, 16 блока в аудиофрейм, начин на разпределение на бит Loudness.
SBC поддържа динамична промяна на параметъра Bitpool, който директно влияе на битрейта. Ако радио сигналът е претоварен, пакетите 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 препоръчвания профил.
Дори ако производителят на слушалките е задавал максимална стойност на Bitpool над 53 (както е при модели като Beats Solo³, JBL Everest Elite 750NC, Apple AirPods, а също и при някои ресивъри и автомобилни главни устройства), повечето операционни системи няма да позволят използването на увеличени битрейти поради наложеното вътрешно ограничение в Bluetooth стековете.
Освен това, някои производители задават ниска максимална стойност на Bitpool за определени устройства. Например, при Bluedio T тя е 39, а при Samsung Gear IconX — 37, което дава лошо качество на звука.

Изкуствените ограничения от разработчиците на Bluetooth стекове вероятно произтичат от несъвместимост на някои устройства с големи стойности на Bitpool или нетипични профили, дори ако те съобщават за тяхната поддръжка, и недостатъчно тестове при сертификация. На авторите на Bluetooth стековете им е по-лесно да се ограничават до спазването на препоръчвания профил, отколкото да създават база от некоректни устройства (въпреки че в момента те го правят за други некоректно работещи функции).

SBC динамично разпределя квантови битове за честотни ленти, като действа по принципа от ниските към високите, с различни теглови коефициенти. Ако целият битрейт се използва за ниски и средни честоти, високите честоти „ще се отрежат“ (вместо тях ще има тишина).

Пример SBC 328 кбит/с. Отгоре — оригиналът, отдолу — SBC, периодично се извършва превключване между пистите. За аудио в видеофайла се използва кодек за загуба без загуби FLAC. Използването на FLAC в контейнер mp4 не е официално стандартизирано, така че не е сигурно, че вашият браузър ще го възпроизведе, но би трябвало да работи в последните версии на десктопните Chrome и Firefox. Ако нямате звук, можете да изтеглите файла и да го отворите в пълен видеоплейър.
ZZ Top — Sharp Dressed Man

На спектрограмата се вижда моментът на превключване: SBC периодично отрязва тихи звуци над 17.5 кХц и изобщо не предава битове за лента над 20 кХц. Пълната спектрограма е налична с кликване (1.7 МБ).

Не чувам разлика между оригинала и SBC на този трак.

Нека вземем нещо по-ново и да моделираме аудио, което би се получило при използване на слушалки Samsung Gear IconX с Bitpool 37 (отгоре — оригиналният сигнал, отдолу — 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 конфигуриран за ниски закъснения, той предлага отлично качество на звука на високи битрейти (452+ кбит/с) и напълно добро за повечето хора на стандартен High Quality (328 кбит/с), тъй като стандартът A2DP не задава фиксирани профили (а дава само препоръки), разработчиците на стека са наложили изкуствени ограничения на Bitpool, параметрите на предавано аудио не се визуализират 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, а кодекът е известен с ниското си качество на звука, въпреки че това не е проблем на самия кодек.
Параметърът Bitpool пряко влияе на битрейта само в рамките на един профил. Едно и също значение Bitpool 53 може да дава както битрейт 328 кбит/с при препоръчания профил High Quality, така и 1212 кбит/с с Dual Channel и 4 честотни ленти, поради което авторите на ОС, освен ограниченията на Bitpool, налагат ограничение и на Bitrate. Както ми се струва, такава ситуация е възникнала поради недостатъци в стандарта A2DP: трябваше да се координира битрейта, а не Bitpool.

Таблица с поддръжката на възможностите на SBC в различни ОС:

ОС
Поддържани честоти на дискретизация
Макс. ограничение на Bitpool
Макс. ограничение на Bitrate
Типичен Bitrate
Динамична настройка на Bitpool

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

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

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

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

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

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

* Bitpool само по себе намалява, но не се увеличава автоматично, ако условията за предаване се подобрят. За да се възстанови Bitpool, е необходимо да се спре възпроизвеждането, да се изчака няколко секунди и след това да се рестартира аудиото.
** Стойността по подразбиране зависи от настройките на стека, зададени при компилирането на фърмуера. В Android 8/8.1 честотата е само 44.1 кХц или 48 кХц, в зависимост от настройките при компилиране, докато в другите версии се поддържат и двете 44.1 кХц и 48 кХц одновременно.
*** Стойността на Bitpool може да се увеличи в програмата Bluetooth Explorer.

aptX и aptX HD

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

Кодекът има само един параметър — избор на честота на дискретизация. Има също така избор на количество/режим на канали, но във всички познати ми устройства (70+ парчета) се поддържа единствено Stereo.

Кодек
Честота на дискретизация
Разредност
Битрейт
Поддръжка на кодиране
Поддръжка на декодиране

← кодек от 1988 г.
16, 32, 44.1, 48 kHz
16 бита
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 аудио устройства (апаратно)

* Версиите до 7 изискват модификация на Bluetooth стека. Кодекът се поддържа само ако производителят на Android устройството е лицензирал използването му от Qualcomm (ако в ОС има библиотеки за кодиране).

aptX разделя аудиото на 4 честотни ленти и квантова им стойност с една и съща брой 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 (числата за честота на дискретизация 44.1 кХц).

Пример за aptX аудио (в горната част — оригиналният сигнал, в долната — aptX, спектрограми само на левите канали, звук във FLAC):

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

Поради фиксираното разпределение на битовете за квантоване, кодекът не може да "прехвърля битовете" към честотите, които най-много се нуждаят от тях. За разлика от SBC, aptX няма да "отрязва" честоти, а ще добавя квантова шумност, като по този начин намалява динамичния обхват на аудио.

Не трябва да се смята, че използването, например, на 2 бита за канал намалява динамичния обхват до 12 дБ: ADPCM позволява използването на до 96 дБ динамичен обхват дори при 2 битово квантоване, но само при определен сигнал.
ADPCM съхранява разликата в числовото представяне между текущата и следващата извадка, вместо да записва абсолютната стойност, както в PCM. Това позволява да се намалят изискванията за броя на битовете, необходими за съхраняване на същата (без загуби) или практически същата (с относително малка грешка при закръгление) информация. За намаляване на грешките при закръгление се използват таблици на коефициенти.
При създаването на кодека, авторите са изчислили коефициентите на ADPCM върху набор от музикални аудиофайлове. Колкото по-близо е аудиосигналът до този набор музика, на който са изградени таблиците, толкова по-малко грешки при квантоването (шумове) създава aptX.

Поради това синтетичните тестове винаги ще дадат резултати, които са по-лоши от музиката. Направих специален синтетичен пример, при който aptX показва лоши резултати — синусоида с честота 12.4 кХц (отгоре — оригиналният сигнал, отдолу — aptX. Звук във FLAC. Намалете звука!):

Графика на спектъра:


Шумовете са отчетливо чуеми.

Въпреки това, ако генерирате синусоида с по-ниска амплитуда, така че да бъде по-тиха, шумовете също ще станат по-тихи, което означава, че динамичният обхват е широк:

За да чуете разликата между оригиналния музикален трек и компресирания, можете да инвертирате единия от сигналите и да комбинирате трековете по канали. Такъв подход, в общия случай, не е коректен и не би дал приемлив резултат с по-сложни кодеци, но конкретно за ADPCM е напълно подходящ.
Разликата между оригинала и aptX
Средното квадратично отклонение на разликата в сигналите е на ниво -37.4 дБ, което не е много за такава компресирана музика.

← същото като aptX, само с различни параметри на кодиране

aptX HD не е самостоятелен кодек — това е усъвършенстван профил на кодека aptX. Промените засягат количеството битове, заделени за кодиране на честотни диапазони: 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 (числата са за 44.1 kHz).

Кодек
Честота на дискретизация
Разредност
Битрейт
Поддръжка на кодиране
Поддръжка на декодиране

← същото като aptX, само с различни параметри на кодиране
16, 32, 44.1, 48 kHz
24 бита
192 / 384 / 529 / 576 kbps (в зависимост от дискретизационната честота)
Android 8+*
Някои аудио устройства (апаратно)

* Версиите до 7 изискват модификация на Bluetooth стека. Кодекът се поддържа само ако производителят на Android устройството е лицензирал използването му от Qualcomm (ако в ОС има библиотеки за кодиране).

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

Ще повторим примера със синусоида на 12.4 kHz:


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

← съвсем различен кодек, без софтуерна реализация

Кодек от Qualcomm, който няма общо с стандартните aptX и aptX HD, съдейки по оскъдната информация от хора, свързани с неговата разработка. Предназначен за интерактивна предаване на аудио с ниска латентност (филми, игри), там, където латентността на звука не може да бъде регулирана софтуерно. Известни софтуерни реализации на енкодери и декодери липсват, поддържа се изключително от предаватели, приемници, слушалки и колони, но не от смартфони и компютри.

Честота на дискретизация
Битрейт
Поддръжка на кодиране
Поддръжка на декодиране

44.1 кХц
276/420 kbps
Някои предаватели (апаратно)
Някои аудио устройства (апаратно)

AAC

AAC, или Advanced Audio Coding — изчислително сложен кодек с сериозна психоакустична модел. Получил е широко приложение 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 служители) + $0.98 за първите 500000 устройства (източник).
Кодекът е стандартизиран в рамките на спецификациите MPEG-2 и MPEG-4, и в противоречие с често срещаното неразбиране, не принадлежи на Apple.

Честота на дискретизация
Битрейт
Поддръжка на кодиране
Поддръжка на декодиране

8 — 96 kHz
8 — 576 kbps (за стерео), 256 — 320 kbps (типичен за Bluetooth)
macOS, Android 7+*, iOS
Широк спектър от аудио устройства (апаратно)

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

В iOS и macOS се използва най-добрият досега кодировчик Apple AAC, осигуряващ максимално възможно качество на аудио. В Android се използва вторият по качество кодировчик Fraunhofer FDK AAC, но могат да се използват различни хардуерни, вградени в платформата (SoC), с неизвестно качество на кодиране. Според последните тестове на сайта SoundGuys, качеството на кодиране на AAC от различни Android телефони значително се различава:

При повечето безжични аудиоустройства за AAC максималният битрейт е 320 кбит/с, а някои поддържат само 256 кбит/с. Останалите битрейтове се срещат изключително рядко.
AAC осигурява отлично качество на битрейтове 320 и 256 кбит/с, но е подложен на загуби при последователно кодиране на вече компресирано съдържание, въпреки че е трудно да се чуят каквито и да било разлики с оригинала на iOS при битрейт 256 кбит/с, дори след няколко последователни кодирания. При едно кодиране, например, MP3 320 кбит/с в AAC 256 кбит/с, загубите могат да се пренебрегнат.
Както и при другите Bluetooth кодеци, всяка музика първо се декодира, след което се кодира от кодека. При слушане на музика в AAC формат, тя първо се декодира от ОС и след това се кодира отново в AAC за предаване по Bluetooth. Това е необходимо за смесване на няколко аудиопотока, например, музика и уведомление за ново съобщение. iOS не е изключение. В интернет могат да се намерят много твърдения, че музиката в AAC формат не се транскодира при предаване през Bluetooth на iOS, което е неверно.

MP1/2/3

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

Старите кодеци MP1 и MP2 не се поддържат изобщо: не можах да намеря нито едни слушалки, нито един Bluetooth стек, който да ги кодира или декодира.
Декодирането на MP3 се поддържа от някои слушалки, но кодиране не се поддържа в нито един стек на съвременни операционни системи. Изглежда, че третичният стек BlueSoleil за Windows може да кодира в MP3, ако ръчно промените файла с конфигурацията, но инсталацията му води до BSoD на Windows 10. Изводът — кодекът всъщност не може да се използва за Bluetooth аудио.
По-рано, между 2006-2008 години, преди разпространението на стандарта A2DP в устройствата, хората слушаха MP3 музика на слушалки Nokia BH-501 чрез програмата MSI BluePlayer, която беше налична на Symbian и Windows Mobile. Тогава архитектурата на ОС на смартфоните позволяваше достъп до много нискоуровневи функции, а в Windows Mobile дори можеше да се инсталират трети Bluetooth стекове.

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

Ако най-дългогодишният патент, споменат в горепосочените референции, се вземе за мярка, то технологията MP3 стана без патент в Съединените щати на 16 април 2017 г., когато патент U.S. 6,009,399, притежаван и администриран от Technicolor, изтече.

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

Честота на дискретизация
Битрейт
Поддръжка на кодиране
Поддръжка на декодиране

16 — 48 кГц
8 — 320 кбит/с
Нигде не поддерживается
Някои аудио устройства (апаратно)

LDAC

Нов и активно разработваем кодек «Hi-Res» от Sony, който поддържа дискретизация до 96 кГц и 24-битова честота, с битрейт до 990 кбит/с. Рекламира се като аудиофилски кодек, заместител на съществуващите Bluetooth кодеци. Има функция за адаптивно регулиране на битрейта в зависимост от условията на радиоефир.

Енкодер LDAC (libldac) е включен в стандартната версия на Android, така че кодиране се поддържа на всяко Android устройство, започвайки от версия 8 на ОС. Софтуерните декодери не са налични, спецификацията на кодека не е публично достъпна, но при първоначален поглед на енкодера, вътрешната структура на кодека е подобна на ATRAC9 — кодек от Sony, използван в PlayStation 4 и Vita: и двата работят в честотния диапазон, използват модифицирано дискретно косинусно преобразуване (MDCT) и компресия с алгоритъм на Хафман.

Поддръжката на LDAC е практически представена само при слушалки от Sony. Възможността за декодиране на LDAC понякога се среща и при слушалки и ЦАП на други производители, но изключително рядко.

Честота на дискретизация
Битрейт
Поддръжка на кодиране
Поддръжка на декодиране

44.1 — 96 кГц
303/606/909 кбит/с (за 44.1 и 88.2 кГц), 330/660/990 кбит/с (за 48 и 96 кГц)
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 нечуваеми за човешкото ухо честоти и повишена резолюция, докато не достига за предаване на CD-качество (44.1/16) без загуби. За щастие, кодекът разполага с два режима на работа: предаване на CD-аудио и предаване на Hi-Res-аудио. В първия случай по въздуха се предава само 44.1 кГц/16 бит.

Тъй като софтуерният декодер LDAC не е публично достъпен, тестването на кодека без допълнителни устройства, декодиращи LDAC, е невъзможно. Според резултатите от теста на LDAC на ЦАП, който го поддържа, и който инженерите на SoundGuys.com свързаха през цифров изход и записаха издадения звук на тестови сигнали, LDAC 660 и 990 кбит/с в режим CD-качество осигурява съотношение сигнал/шум малко по-добро от това на aptX HD.

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

LDAC също поддържа 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

Други A2DP кодеци не са получили широко разпространение. Поддръжката им или почти напълно липсва, или е налична само на определени модели слушалки и смартфони.
Стандартизираният в A2DP кодек ATRAC 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 страна на двете устройства, а HWA LHDC — е твърде нов и се поддържа само от три (?) устройства.

Поддръжка на кодеци от аудио устройства

Не всички производители публикуват точна информация за кодеците, които поддържат определени безжични слушалки, колонки, ресивери или предаватели. Понякога оказва, че поддръжката на определен кодек е налична само за предаване, но не и за прием (актуално за комбинирани предаватели-ресивери), макар производителят да обявява просто „поддръжка“, без уточнения (предполагам, това се дължи на различното лицензиране на енкодерите и декодерите на някои кодеци). В най-евтините устройства може изобщо да не откриете обявената поддръжка на aptX.

За съжаление, в интерфейсите на повечето ОС никъде не се показва използваният кодек. Информация за това има само в Android, започвайки от версия 8, и macOS. Въпреки това, дори в тези ОС ще се показват само тези кодеци, които поддържа както телефонът/компютърът, така и слушалките.

Как да узнаем какви кодеци поддържа устройството? Записвайте и анализирайте трафикова дамп с параметрите за съгласуване 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 — вградена функция за запазване на Bluetooth HCI дамп, която е налична в инструментите за разработчици. Ще получите дамп в btsnoop формат, който може да бъде натоварен в анализатора Wireshark.
Обърнете внимание: коректен дъмп може да се получи само като се свържете с телефон/компютър към слушалките/околонките (както и да звучи куриозно)! Слушалките могат сами да установяват връзка с телефона, и в този случай те ще искат списък с кодеците от телефона, а не обратното. За да запишете коректен дъмп, първо разкъсайте свързването с устройството, а след това, по време на записа на дъмпа, свържете телефона със слушалките.

Използвайте следния филтър за показване, за да изключите нерелевантния трафик:

btavdtp.signal_id

В резултат трябва да видите нещо подобно:

На всеки елемент от командата GetCapabilities можете да кликнете и да видите подробните характеристики на кодека.

Wireshark не знае всички идентификатори на кодеците, така че част от кодеците ще трябва да бъдат дешифрирани ръчно, гледайки в таблицата с идентификатори по-долу:

Задължителни:
0x00 - SBC

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

Специфични за доставчици:
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 - CSR True Wireless Stereo v3 Codec ID за AAC
0xFF 0x000A 0x0105 - CSR True Wireless Stereo v3 Codec ID за MP3
0xFF 0x000A 0x0106 - CSR True Wireless Stereo v3 Codec ID за aptX

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

Сравнение на кодеците. Кой кодек е по-добър?

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

SBC, от друга страна, има множество настраиваеми опции, динамичен битрейт (кодерът може да намали параметъра bitpool, ако радио етерът е натоварен) и няма фиксирани профили, а само препоръчителните "средно качество" и "високо качество", които бяха добавени в спецификацията A2DP през 2003 г. "Високо качество" вече не е толкова високо по съвременните стандарти, а повечето Bluetooth стекове не позволяват използването на параметри, по-добри от тези в профила "високо качество", макар техническите ограничения за това да липсват.
Bluetooth SIG няма референтен кодер SBC под формата на библиотека, а производителите го реализират самостоятелно.
Това са слабостите на SBC — никога предварително не е ясно какво качество на звука да очаквате 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 двусмислена: от една страна, теоретично кодекът трябва да предоставя качество, неразличимо от оригинала, но практиката, съдейки по тестовете на лаборатория SoundGuys на различни Android устройства, не го потвърджа. По-вероятно е вината да е в нискокачествените хардуерни аудио енкодери, вградени в различни чипсети на телефоните. Има смисъл да се използва AAC само на устройства на Apple, а на Android да се ограничи с aptX и LDAC.

Устройствата, които поддържат алтернативни кодеци, обикновено са с по-високо качество, просто защото за съвсем евтини нискокачествени устройства няма смисъл да се плащат лицензионни такси за използването на тези кодеци. Според моите тестове, SBC звучи много добре на качествени устройства.

Създадох уеб услуга, която кодира аудио в SBC, aptX и aptX HD в реално време, директно в браузъра. С нея можете да тествате тези аудиокодеци без фактическа предаване на аудио по Bluetooth, на всякакви проводни слушалки, колонки, и любимата ви музика, а също така да променяте параметрите на кодиране по време на възпроизвеждане на аудио:
btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-encoder
Услугата използва библиотеки за кодиране SBC от проекта BlueZ и libopenaptx от ffmpeg, които са компилирани в WebAssembly и JavaScript от C, чрез emscripten, за изпълнение в браузъра. Кой можеше да мечтае за такова бъдеще!

Ето как изглежда:

Обърнете внимание как се променя нивото на шума след 20 kHz при различни кодеци. В оригиналния MP3 файл отсъстват честоти над 20 kHz.

Опитайте да превключите кодеците и оценете дали чувате разлика между оригинала, SBC 53 Joint Stereo (стандартния и най-разпространения профил) и aptX/aptX HD.

Чувам разлика между кодеците в слушалките!

Хората, които не чуват разлика между кодеците по време на теста чрез уеб сервиз, уверяват, че я чуват при слушане на музика в безжични слушалки. За съжаление, това не е шега и не е ефект на плацебо: разликата наистина се чува, обаче причината не са различията кодеци.

Преобладаващото мнозинство от Bluetooth аудио чиповете, използвани в приемни безжични устройства, са оборудвани с цифрови сигнални процесори (Digital Signal Processor, DSP), които реализират еквалайзер, компресор, 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 кодеците на слушателя ще му се стори, че чува разлики в работата на кодеците, когато в действителност слуша различни настройки на DSP.

Канала за обработка на звука DSP Kalimba в чиповете на CSR/Qualcomm

Активиране на различни функции на DSP за всеки кодек и изход поотделно

Някои устройства от премиум сегмента са снабдени с програма, позволяваща настройка на параметрите на DSP, но повечето по-евтини слушалки нямат тази функция и потребителите не могат да деактивират пост-обработката на звука с наличните средства.

Функционални особености на устройствата

Съвременната версия на стандарта A2DP притежава функция 'абсолютно регулиране на звука' — управление на звука на устройството със специални команди на протокола AVRCP, което регулира усилването на изходния каскад, вместо софтуерно намаляване на звуковия поток. Ако при промяна на звука на слушалките, промяната не се синхронизира с звука на телефона, то това означава, че вашите слушалки или телефон не поддържат тази функция. В такъв случай, има смисъл да слушате музика винаги с максимална сила на звука на телефона, регулирайки действителната сила на звука с бутоните на слушалките — в този случай съотношението сигнал/шум ще бъде по-добро и качеството на аудиото. трябва да бъде отгоре.
В действителност обаче се случват тъжни ситуации. На моите слушалки RealForce OverDrive D1 за SBC е включен силен компресор, и увеличаването на звука води до повишаване на нивото на тихите звуци, докато силата на звука на силните звуци не се променя (става компресия на сигнала). Поради това се налага да настроя звука на компютъра на около половината, в такъв случай ефектът от компресията практически липсва.
По моите наблюдения, всички слушалки с допълнителни кодеци поддържат функцията за абсолютна регулировка на звука, очевидно, това е едно от изискванията за сертифициране на кодеците.

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

Функцията AVDTP 1.3 Delay Reporting позволява на слушалките да съобщават на предавателното устройство времето на забавяне, с което всъщност се възпроизвежда звукът. Това позволява да се настрои синхронизацията на аудиото с видеото, когато гледате видеофайлове: 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+. За поддръжката на функцията на други платформи нямам информация.

Двунаправена комуникация през Bluetooth. Предаване на глас.

За предаване на глас по Bluetooth се използва Synchronous Connection Oriented (SCO) — синхронно предаване с предварително съгласувано свързване. Режимът позволява предаване на звук и глас строго по реда, с симетрична скорост на изпращане и получаване, без изчакване на потвърждение за предаване и повторно изпращане на пакети. Това намалява общата латентност при предаване на аудио през радиоканала, но налага сериозни ограничения върху количеството предавани данни за единица време и отрицателно влияе на качеството.
Когато се използва този режим, както гласът, така и аудиото се предават с одинаково 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 прави нищо по този въпрос.

CVSD

Основният кодек за предаване на глас CVSD беше стандартизиран през 2002 година и се поддържа от всички устройства за двустранна комуникация през Bluetooth. Той осигурява предаване на аудио с дискретизация от 8 kHz, което съответства на качеството на обикновената кабелна телефонна връзка.

Пример за запис в този кодек.

mSBC

Допълнителният кодек mSBC беше стандартизиран през 2009 година, а през 2010 година вече се появиха чипове, използващи го 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 блестящ, но е много по-добре от CVSD, въпреки че все още е неприятно да го използвате за комуникация през интернет, особено когато използвате слушалки за игрите — звукът от играта също ще се предава с дискретизация от 16 kHz.

FastStreamКомпания CSR реши да развие концепцията за повторна употреба на SBC. За да заобиколи ограниченията на протокола SCO и да използва по-високи битрейти, CSR поеха по различен път — внедриха поддръжка за двустранно SBC аудио в стандарта за предаване на еднопосочно аудио A2DP, стандартизираха профилите за кодиране и го нарекоха «FastStream».

FastStream предава стереозвук на високоговорителите с 44.1 или 48 kHz при битрейт от 212 kbps, а за предаване на аудио от микрофона се използва моно, 16 kHz, с битрейт 72 kbps (малко по-добре от mSBC). Тези параметри са много по-подходящи за комуникация в онлайн игри — звукът от играта и събеседниците ще бъде качествен.

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

Компанията измисли интересен трик, но поради факта, че той противоречи на стандарта A2DP, поддръжката му е налична само в някои предаватели на компанията (които работят като USB звукова карта, а не Bluetooth устройство), но поддръжка в Bluetooth стековете той не получи, въпреки че броят на слушалките с поддръжка за FastStream не е малък.

Към момента поддръжката на FastStream в операционната система е налична само под формата на пач за Linux-системата PulseAudio от разработчика Pali Rohár, който не е включен в основното клон на програмата.

← съвсем различен кодек, без софтуерна реализация

С голямо учудване aptX Low Latency също поддържа двустранно аудио, реализирайки същия принцип като FastStream.
Не е възможно да използвате тази особеност на кодека никъде — поддръжката за декодиране на Low Latency не съществува в нито една ОС и в нито един известен Bluetooth стек.

Bluetooth 5, Classic и Low Energy

Вокруг спецификаций и версий Bluetooth возникла большая путаница из-за наличия двух несовместимых стандартов под одним брендом, оба из которых широко применяются для разных целей.

Существует два разных, не совместимых между собой протокола Bluetooth: Bluetooth Classic и Bluetooth Low Energy (LE, он же Bluetooth Smart). Ещё есть третий протокол, Bluetooth High Speed, но он не распространён, и не используется в бытовых устройствах.

Начиная с Bluetooth 4.0, изменения в спецификации касались преимущественно Bluetooth Low Energy, а Classic-версия получала только незначительные улучшения.

Список изменений между Bluetooth 4.2 и Bluetooth 5:

9 ПРОМЕНЯ ОТ v4.2 ДО 5.0

9.1 НОВЫЕ ФУНКЦИИ

В Bluetooth Core Specification 5.0 добавлены несколько новых функций. Основные области улучшения:
• Slot Availability Mask (SAM)
• 2 Msym/s PHY за LE
• LE Long Range
• Высокий цикл беспроводной рекламы
• Расширения LE Advertising
• Алгоритм выбора канала LE #2
9.1.1 Функции, добавленные в CSA5 — интегрированы в v5.0
• Более высокая выходная мощность

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

Только одно изменение коснулось Classic-версии в рамках спецификации Bluetooth 5: добавили поддержку технологии Slot Availability Mask (SAM), призванную улучшить разделение радиоэфира. Все остальные изменения затрагивают только Bluetooth LE (и Higher Output Power тоже).

Всички аудиоустройства используют только Bluetooth Classic. Наушники и колонки подключить через Bluetooth Low Energy невозможно: не существует стандарта передачи аудио с использованием LE. Стандарт A2DP, применяемый для передачи высококачественного аудио, работает только через Bluetooth Classic, и аналога в LE ему не существует.

Вывод — приобретать аудиоустройства с Bluetooth 5 только из-за новой версии протокола бессмысленно. Bluetooth 4.0/4.1/4.2 в контексте передачи аудио будет работать точно так же.
Если анонс новых наушников упоминает удвоенный радиус работы и уменьшенное энергопотребление благодаря Bluetooth 5, то знайте — они либо сами не разбираются, либо вводят вас в заблуждение. Немудрено, ведь даже производители Bluetooth-чипов в своих анонсах путаются в отличиях новой версии стандарта, а некоторые Bluetooth 5-чипы поддерживают пятую версию только для LE, а для Classic используют 4.2.

Задержка передачи аудио

Величина задержки (запаздывания) аудио зависит от многих факторов: размера буфера в аудиостеке, в Bluetooth-стеке и в самом воспроизводящем беспроводном устройстве, алгоритмической задержки кодека.

Забавната забавяне на простите кодеци, като SBC, aptX и aptX HD, е много малка и варира от 3 до 6 мс, което може да се игнорира, но комплексните кодеци, като AAC и LDAC, могат да доведат до осезаемо забавяне. Алгоритмичното забавяне на AAC за 44.1 кГц е 60 мс. LDAC — около 30 мс (по груб анализ на изходния код. Мога да греша, но не много).

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

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

Напомням: aptX Low Latency не се поддържа в операционните системи, поради което по-ниско забавяне може да бъде постигнато само с комбинация трансмитер + ресивер или трансмитер + слушалки/колонка, при което всичките устройства трябва да поддържат този кодек.

Проблеми с устройствата, сертификацията и логотипите на Bluetooth

Как да различим качествено аудиоустройство от евтина фалшификация? На външен вид, преди всичко!

При евтини китайски слушалки, колонки и ресивери:

1. Липсва думата „Bluetooth“ на кутията и устройството, най-често се използват „Wireless“ и „BT“
2. Липсва логото на Bluetooth на кутията или устройството
3. Няма синьо мигащо LED светодиод

Липсата на тези елементи показва, че устройството не е преминало сертификация, а значи — потенциално е с ниско качество 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 опаковките им:

Всичко това са несертифицирани устройства. В инструкциите може да има лого и име на технологията Bluetooth, но най-важното е да бъдат на кутията и/или на самото устройство.

Ако вашите слушалки или колонката казват „Ze bluetooth dewise is connecteda successfulle“, това също не говори за тяхното качество:

Заключение

Може ли Bluetooth напълно да замени проводниковите слушалки и слушалки с микрофони? Може, но на цената на по-ниско качество по време на разговори, увеличена латентност на звука, която може да разочарова при игри, и множество собствени кодеци, изискващи лицензионни такси и повишаващи крайната цена както на смартфоните, така и на слушалките.

Маркетингът на алтернативните кодеци е много силен: aptX и LDAC се представят като дългоочаквано заменяне на „остарелия и лош“ SBC, който далеч не е толкова лош, колкото обикновено се смята.

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

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

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

Източник: habr.com