Модифицираме Bluetooth стека за подобряване на звука в слушалките без кодеките AAC, aptX и LDAC

Преди да прочетете тази статия, се препоръчва да се запознаете с предишната статия: Аудио през Bluetooth: максимална детайлност относно профили, кодеци и устройства

Някои потребители на безжични слушалки отбелязват ниско качество на звука и недостиг на високи честоти при използване на стандартния Bluetooth кодек SBC, който поддържат всички аудиоустройства. Честа препоръка за подобряване на звука е закупуването на устройства и слушалки, които поддържат кодеките aptX и LDAC. Тези кодеци изискват лицензионни такси, затова устройствата с тяхната поддръжка са по-скъпи.

Оказва се, че ниското качество на SBC е резултат от изкуствени ограничения на Bluetooth стека и настройките на слушалките, и това ограничение може да бъде заобиколено на всяко съществуващо устройство чрез софтуерни промени в смартфона или компютъра.

Кодек SBC

Кодекът SBC има много различни параметри, които се договарят в етапа на установяване на връзката. Между тях:

• Брой и тип канали: Joint Stereo, Stereo, Dual Channel, Mono;
• Брой честотни ленти: 4 или 8;
• Брой блокове в пакета: 4, 8, 12, 16;
• Алгоритъм за разпределение на битовете при квантоване: Loudness, SNR;
• Максимално и минимално значение на пула битове, използвани при квантоване (bitpool): обикновено от 2 до 53.

Декодиращото устройство е длъжно да поддържа всяка комбинация от тези параметри. Кодиращото устройство може да не реализира всички.
Съществуващите Bluetooth стека обикновено договарят следния профил: Joint Stereo, 8 ленти, 16 блока, Loudness, bitpool 2..53. Този профил кодира 44.1 кХц аудио с битрейт 328 кбит/с.
Параметърът bitpool пряко влияе на битрейта в рамките на един профил: колкото по-висок е той, толкова по-висок е и битрейтът, а следователно и качеството.
Въпреки това, параметърът bitpool не е свързан с конкретен профил; влиянието на битрейта също в значителна степен зависи от други параметри: тип канали, брой честотни ленти, брой блокове. Повишаването на битрейта може да стане косвено, чрез договаряне на нестандартни профили, без да се променя bitpool.

Формула за изчисление на битрейта SBC

Например, режимът Dual Channel кодира каналите отделно, използвайки целия bitpool за всеки от каналите. Като накараме устройството да използва Dual Channel вместо Joint Stereo, получаваме почти удвоен битрейт при същата максимална стойност на bitpool: 617 кбит/с.
Според мен, използването на стойността bitpool, която не е свързана с профила, на етапа на споразумението е пропуск в стандарта A2DP, който доведе до изкуствено ограничаване на качеството на SBC. По-разумно би било да се договори битрейт, а не bitpool.

Такива фиксирани стойности на Bitpool и Bitrate произлизат от таблица с препоръчителни стойности за използване при високо качествено аудио. Но препоръката не е причина да се ограничава до тези стойности.

Спецификация A2DP v1.2, която беше активна от 2007 до 2015 година, предписва на всички декодиращи устройства да работят коректно с битрейти до 512 кбит/с:

Декодерът на SNK трябва да поддържа всички възможни стойности на bitpool, които не водят до превишаване на максималния битрейт. Този профил ограничава наличния максимален битрейт до 320kb/с за моно и 512kb/с за двуканални режими.

В новата версия на спецификацията ограничението по битрейта липсва. Предполага се, че съвременните слушалки, издадени след 2015 година и поддържащи EDR, могат да поддържат битрейти до ≈730 кбит/с.

По някаква причина, проверените от мен Bluetooth стекове на Linux (PulseAudio), Android, Blackberry и macOS имат изкуствени ограничения на максималната стойност на параметъра bitpool, което пряко влияе на максималния битрейт. Но това не е най-голямата проблема, почти всички слушалки също ограничават максималната стойност на bitpool до число 53.
Както вече съм се уверил, повечето устройства работят отлично с модифицирания Bluetooth стек с битрейт от 551 кбит/с, без прекъсвания и шуполения. Но такъв битрейт никога няма да бъде одобрен при обичайни условия, на обичайни Bluetooth стекове.

Модифицираме Bluetooth стека

В всеки Bluetooth стек, който е съвместим със стандарта A2DP, има поддръжка на режима Dual Channel, но активирането му от интерфейса не е възможно.

Нека добавим превключвател в интерфейса! Направих пачове за Android 8.1 и Android 9, които добавят пълна поддръжка на Dual Channel в стека, добавят режима в менюто за превключване в инструменти за разработчици и обработват SBC с поддръжка на Dual Channel така, сякаш е допълнителен кодек, като aptX, AAC или LDAC (Android го нарича HD Audio), добавяйки отметка в настройките на Bluetooth устройството. Ето как изглежда:

Пач за Android 9
Пач за Android 8.1

При активиране на отметката, Bluetooth аудиото започва да се предава с битрейт 551 кбит/с, ако слушалките поддържат свързване на скорост 3 мбит/с, или 452 кбит/с, ако слушалките поддържат само 2 мбит/с.

Този патч е включен в следните алтернативни фърмуер версии:

• LineageOS
• Resurrection Remix
• crDroid

Как възникнаха 551 и 452 кбит/с?

Технологията за разделяне на ефира в Bluetooth е предназначена за ефективна предаване на големи пакети с фиксиран размер. Предаването на данни се извършва на слотове, като най-голямото количество слотове, изпратени за едно предаване — 5. Съществуват и режими на предаване, използващи 1 или 3 слота, но не 2 или 4. В 5 слота могат да се предават до 679 байта при скорост на свързване 2 мбит/с и до 1021 байта при скорост 3 мбит/с, а в 3 — 367 и 552 байта съответно.

Ако желаем да предадем по-малко данни, отколкото 679 или 1021 байта, но повече от 367 или 552 байта, то предаването все пак ще заеме 5 слота, а данните ще се предават за същото време, което намалява ефективността на предаването.

SBC в режим Dual Channel, на 44100 Hz аудио с параметри Bitpool 38, 16 блока във фрейма, 8 честотни диапазона, кодира аудиото във фреймове с размер 164 байта, с битрейт 452 кбит/с.
Аудиото трябва да бъде инкапсулирано в протоколите за предаване L2CAP и AVDTP, които взимат 16 байта от полезната аудионагрузка.

Така в една Bluetooth-предаване с 5 слота успяваме да вместим 4 аудиофрейма:

679 (EDR 2 mbit/с DH5) - 4 (L2CAP) - 12 (AVDTP/RTP) - 1 (заглавие SBC) - (164*4) = 6

Успяхме да вместим 11.7 мс аудиоданни в изпратения пакет, който ще бъде предаден за 3.75 мс, и остават 6 неизползвани байта в пакета.
Ако малко увеличим bitpool, 4 аудиофрейма вече няма да могат да се опаковат в един пакет. Ще трябва да изпращаме по 3 фрейма наведнъж, което намалява ефективността на предаването, намалява количеството предавано аудио за един пакет и по-бързо ще доведе до заеквания на аудиото при лоши радио условия.

По аналогичен начин беше подбран битрейт 551 кбит/с за EDR 3 мбит/с: с Bitpool 47, 16 блока във фрейма, 8 честотни диапазона размерът на фрейма е 200 байта, при битрейт 551 кбит/с. В един пакет се побират 5 фрейма или 14.6 мс музика.

Алгоритъмът за изчисление на всички параметри на SBC е достатъчно сложен, лесно може да се заблудите, ако пресмятате на ръка, затова направих интерактивен калкулатор в помощ на заинтересованите: btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-bitrate-calculator

Защо всичко това е необходимо?

Въпреки разпространеното мнение за качеството на звука на кодека aptX, в някои файлове той може да предостави резултати по-лоши от SBC със стандартен битрейт от 328 кбит/с.

SBC динамично разпределя битове за квантоване за честотни ленти, действувайки по принципа "от ниските към високите". Ако целият битрейт бъде използван за ниски и средни честоти, високите честоти ще бъдат "отсечени" (вместо тях ще има тишина).
aptX квантува честотните ленти с едно и също количество битове постоянно, поради което има постоянен битрейт: 352 кбит/с за 44.1 кГц, 384 кбит/с за 48 кГц, и не може да "премества битовете" към честотите, които най-много се нуждаят от тях. За разлика от SBC, aptX няма да "отреже" честотите, а ще добави шумове от квантоване, намалявайки динамичния обхват на аудиото и понякога внасяйки характерни шуми.
В средно положение, в сравнение с SBC 328k, aptX внася по-малко изкривявания в музиката с широк честотен обхват, но при музика с тесен честотен обхват и широк динамичен обхват, SBC 328k понякога печели.

Нека разгледаме конкретен случай. Спектрограма на запис от пиано:

Основната енергия се намира в честотите от 0 до 4 кГц и продължава до 10 кГц.
Спектрограмата на файла, компресиран с aptX, изглежда по следния начин:

А така изглежда SBC 328k.

Лесно се вижда, че SBC 328k периодично напълно е изключвал диапазона над 16 кГц и е изразходвал целия наличен битрейт за диапазоните под това значение. Въпреки това, aptX е внесъл повече изкривявания в честотния спектър, който е чуван от човешкото ухо, което може да се види на изчислената оригинална спектрограма от спектрограмата aptX (колкото по-ярко, толкова повече изкривявания):

Докато SBC 328k е повредил сигналa в диапазона от 0 до 10 кГц по-малко, а останалото — е нарушил:

Битрейт от 485k SBC е достатъчен, за да запази целия диапазон честоти, без изключване на лентите.

SBC 485k на тази композиция значително изпреварва aptX в диапазона 0-15 кГц и с по-малка, но все пак забележима разлика — в 15-22 кГц (колкото по-тъмен, толкова по-малко изкривявания):

Архив на оригиналното аудио, SBC и aptX.

Преминавайки на SBC с висок битрейт, вие ще получите звук, често превъзхождащ aptX, на всякакви слушалки. На слушалки, поддържащи свързване EDR 3 мбит/с, битрейт от 551 кбит/с осигурява звук, сравним с aptX HD.

А може ли още повече?

В патча за Android също има опция за допълнително увеличаване на битрейта за устройства EDR 2 мбит/с. Можете да увеличите битрейта от 452 кбит/с до 595 кбит/с, цената е намалена стабилността на предаване в сложни радиоусловия.
Достатъчно е да зададете променливата persist.bluetooth.sbc_hd_higher_bitrate на стойност 1:

# setprop persist.bluetooth.sbc_hd_higher_bitrate 1

Патчът за екстремен битрейт е приет засега само в LineageOS 15.1, но не и в 16.0.

Съвместимост с устройства

SBC Dual Channel се поддържа от почти всички слушалки, колонни системи и автомобилни головни устройства. Това не е изненада — стандартът предписва неговата поддръжка във всякакви декодиращи устройства. Има малко устройства, на които този режим предизвиква проблеми, но това са единични случаи.
По-подробно с съвместимите устройства можете да се запознаете на 4pda или xda-developers.

Сравнение на звуковите разлики

Създадох уеб услуга, която кодира аудио в SBC (както и aptX и aptX HD) в реално време, директно в браузъра. С нея можете да сравнявате звука на различни профили SBC и други кодеци, без фактическа предаване на аудио по Bluetooth, на всякакви проводни слушалки, колонки и любимата ви музика, както и да променяте параметрите на кодиране в реално време по време на възпроизвеждане на аудио.
btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-encoder

Свързване с разработчиците на Android

Писах на много разработчици на Bluetooth стека от Google, с молба да разгледат включването на патчовете в основната клонка на Android — AOSP, но не получих отговор. Моите патчове в системата за работа с патчове Gerrit за Android също останаха без коментар от страна на никого ангажиран.
Бих се радвал, ако ми помогнат да се свържа с разработчиците от Google и за внедряване на SBC HD в Android. Патчът в gerrit вече е остарял (това е едно от ранните ревизии), и ще го актуализирам, ако разработчиците проявят интерес към моите промени (не ми е лесно да го обновя, нямам съвместими с Android Q устройства).

Заключение

Потребителите на смартфони с фърмуери LineageOS, Resurrection Remix и crDroid вече могат да се радват на подобрено качество на звука, просто активирайки опцията в настройките на Bluetooth устройството. Потребителите на Linux също могат да получат увеличен битрейт SBC, чрез инсталиране на патча от Pali Rohár, който, освен всичко друго, добавя поддръжка за кодеци aptX, aptX HD и FastStream.

Източник: habr.com