Модифицирайте Bluetooth стека за подобряване на звука на слушалките без кодеците AAC, aptX и LDAC

Препоръчително е преди прочитането на тази статия да се запознаете с предишната статия: Аудио през Bluetooth: максимална информация за профили, кодеци и устройства

Някои потребители на безжични слушалки отбелязват ниско качество на звука и липса на високи честоти при използване на стандартния Bluetooth кодек SBC, който се поддържа от всички аудиоустройства. Често срещаното препоръчване за подобряване на звука е покупката на устройства и слушалки с поддръжка на кодеците aptX и LDAC. Тези кодеци изискват лицензионни такси, поради което устройствата с тяхна поддръжка струват повече.

Оказва се, че ниското качество на SBC е резултат от изкуствени ограничения на Bluetooth стека и настройките на слушалките, и това ограничение може да се заобиколи на всякакви съществуващи устройства чрез софтуерни промени на смартфона или компютъра.

Кодек SBC

Кодекът SBC има множество различни параметри, които се договарят на етапа на установяване на връзката. Сред 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 квантуването: Loudness, SNR;
• Максимално и минимално значение на пула битове, използвани при квантуването (bitpool): обикновено, от 2 до 53.

Декодиращото устройство трябва да поддържа всяко сочетание на 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 аудио с честота 44.1 кХц и битрейт 328 кбит/с.
Параметърът bitpool пряко влияе на битрейта в рамките на един профил: колкото по-висок е, толкова по-висок е битрейта и следователно качеството.
Обаче параметърът bitpool не е свързан с конкретен профил; влиянието върху битрейта до голяма степен осъществяват и 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 изчисляване на битрейта SBC

Например, режим Dual Channel кодира каналите отделно, използвайки целия битпул за всеки от каналите. Когато накараме устройството да използва Dual Channel вместо Joint Stereo, ще получим почти удвоен битрейт при същата максимална стойност на битпула: 617 кбит/с.
Според мен, използването на неприкачена към профила стойност на битпула по време на преговорите е недостатък на стандарта A2DP, който доведе до изкуствено ограничаване на качеството на SBC. По-разумно би било да се преговаря за битрейта, а не за битпула.

Тези фиксирани стойности на битпула и битрейта произлизат от таблица с препоръчителни стойности за висококачествено аудио. Но препоръката не е причина да се ограничаваме до тези стойности.

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

Декодерът на SNK трябва да поддържа всички възможни стойности на битпула, които не довеждат до превишение 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 липсва ограничение по битрейта. Предполага се, че съвременните слушалки, пуснати след 2015 година и поддържащи EDR, могат да поддържат битрейти до ≈730 кбит/с.

По неизвестни причини, проверените от мен Bluetooth стекове за Linux (PulseAudio), Android, Blackberry и macOS имат изкуствени ограничения на максималното значение на параметъра битпул, който пряко влияе на максималния битрейт. Но това не е най-голямата проблемa, почти всички слушалки също ограничават максималната стойност на битпула до число 53.
Както вече успях да се уверя, повечето устройства работят отлично с модифициран Bluetooth стек с битрейт от 551 кбит/с, без прекъсвания и шум. Но такъв битрейт никога няма да бъде согласуван при нормални условия, на обикновени Bluetooth стекове.

Модифицираме Bluetooth стека

Във всеки Bluetooth стек, който е съвместим с A2DP стандарта, има поддръжка на режим Dual Channel, но активирането му от интерфейса е невъзможно.

Нека добавим превключвател в интерфейса! Направих пачове за Android 8.1 и Android 9, които добавят пълна поддръжка на Dual Channel в стека, добавят режим в менюто за превключване на режима в инструментите за разработчици и обработват SBC с поддръжка на Dual Channel, 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 със битрейт 551 кбит/с, ако слушалките поддържат свързване със скорост 3 мбит/с, или 452 кбит/с, ако слушалките поддържат само 2 мбит/с.

Този пач е включен в следните алтернативни фърмуери:

• LineageOS
• Resurrection Remix
• crDroid

Откъде идват 551 и 452 кбит/с?

Технологията за разделяне на ефера в Bluetooth е предназначена за ефективно предаване на големи пакети с фиксиран размер. Предаването на данни се осъществява на слотове, като най-голямото количество слотове, изпращани в една предаване — 5. Има и режими на предаване, използващи 1 или 3 слота, но не 2 или 4. В 5 слота може да се предаде 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 искаме да предадем по-малко данни от 679 или 1021 байта, но повече от 367 или 552 байта, предаването все пак ще отнеме 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 кбитс.
Аудиото трябва да бъде инкапсулирано в протоколите за предаване L2CAP и AVDTP, които взимат 16 байта от полезната аудио натовареност.

По този начин, в една Bluetooth предаване с 5 слота успяваме да поберем 4 аудиофрейма:

679 (EDR 2 mbit/s 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 имаме 6 неизползвани байта в посилката.
Ако малко увеличим bitpool, 4 аудиофрейма вече не могат да бъдат опаковани в една посилка. Ще се наложи да изпращаме по 3 фрейма наведнъж, което намалява ефективността на предаването, намалява количеството предавано аудио за една посилка и по-бързо ще доведе до заеквания на аудиото при лоши радиоусловия.

По същия начин беше избран битрейт 551 кбит/с за EDR 3 мбит/с: с Bitpool 47, 16 блока в кадър, 8 честотни диапазона, размерът на кадъра е 200 байта при битрейт 551 кбит/с. В една пакети се побират 5 кадъра или 14.6 мс музика.

Алгоритъмът за изчисляване на всички параметри на SBC е доста сложен, лесно можете да се объркате, ако смятате ръчно, затова направих интерактивен калкулатор в помощ на заинтересованите: btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-bitrate-calculator

Защо всичко това е нужно?

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

SBC динамично разпределя битовете за квантоване между честотните диапазони, следвайки принципа „от ниски към високи“. Ако целият битрейт бъде използван за ниски и средни честоти, високите честоти ще бъдат „отсечени“ (вместо тях ще има тишина).
aptX квантова честотните диапазони с постоянно количество битове, поради което има постоянен битрейт: 352 кбит/с за 44.1 кХц, 384 кбит/с за 48 кХц, и не може да „пренесе битове“ към честотите, които най-много се нуждаят от тях. За разлика от SBC, aptX няма да „отсечете“ честоти, а ще добавя шумове от квантоването, намалявайки динамичния диапазон на аудиото и понякога внасяйки характерни пуканки. SBC „изяжда детайлите“ – отстранява най-тихите участъци.
В средното, в сравнение с SBC 328k, aptX внася по-малко изкривявания в музиката с широк честотен диапазон, но на музика с тесен честотен диапазон и широк динамичен диапазон SBC 328k понякога печели.

Нека разгледаме конкретен случай. Спектрограма на запис на пиано:

Основната енергия попада в честотите от 0 до 4 кХц и продължава до 10 кХц.
Спектрограмата на файла, компресиран в aptX, изглежда по следния начин:

А ето как изглежда SBC 328k.

Ясно е, че SBC 328k периодично напълно е изключвал диапазона над 16 кХц и е изразходвал целия наличен битрейт за диапазоните под тази стойност. Въпреки това, aptX е внел повече изкривявания в спектъра на звуковите честоти, чуваеми от човешкото ухо, което може да се види на извадената оригинална спектрограма от спектрограмата aptX (колкото по-ярка, толкова повече изкривявания):

Докато SBC 328k по-малко е развалил сигнала в диапазона от 0 до 10 кХц, а останалото е отсечено:

Битрейт 485k SBC стига за да запази целия честотен диапазон, без да се нарушава.

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

Архив на оригиналното аудио, SBC и aptX.

С преминаването на високобитрейтен SBC, получавате звук, който много често надминава aptX, на всякакви слушалки. На слушалки, поддържащи свързване EDR 3 Mbps, битрейт 551 kbps дава звук, сравним с aptX HD.

Възможно ли е да се направи още повече?

В пача за Android също има опция за още по-висок битрейт за устройства EDR 2 Mbps. Битрейтът може да се повиши от 452 kbps на 595 kbps, цената е намаляване на стабилността на предаването при сложни радиоситуации.
Достатъчно е да зададете променливата persist.bluetooth.sbc_hd_higher_bitrate на значение 1:

# setprop persist.bluetooth.sbc_hd_higher_bitrate 1

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

Съвместимост с устройства

SBC Dual Channel се поддържа практически от всички слушалки, колонки и автомобильни головни устройства. Това не е изненадващо — стандартът предписва неговата поддръжка в всякакви декодиращи устройства. Има малък брой устройства, на които този режим предизвиква проблеми, но те са единични случаи.
По-подробно с съвместими устройства може да се запознаете на 4pda или xda-developers.

Сравнение на различията в звука

Създадох уеб-сервис, който кодира аудио в SBC (а също и aptX и aptX HD) в реално време, направо в браузъра. С него можете да сравнявате звука на различни профили SBC и други кодеци, без действителна предавка 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

Контакт с разработчиците на Android

Писах на много разработчици на Bluetooth стек от Google, с молба да разгледат включването на пачовете в основната ветка на Android — AOSP, но не получих нито един отговор. Моите пачове в системата за работа с пачове Gerrit за Android също останаха без коментари от страна на когото и да било, свързан с това.
Ще се радвам, ако успеете да се свържете с разработчиците от Google относно интегрирането на SBC HD в Android. Патчът в gerrit вече е остарял (това е една от ранните ревизии) и ще го актуализирам, ако разработчиците се заинтересуват от моите промени (не е лесно да го обновя, нямам устройства, съвместими с Android Q).

Заключение

Потребителите на смартфони с фърмуери LineageOS, Resurrection Remix и crDroid вече могат да се наслаждават на подобрено качество на звука – необходимо е просто да активират опцията в настройките на Bluetooth устройството. Потребителите на Linux също могат да получат повишен битрейт SBC, чрез инсталиране на патча от Pali Rohár, който, освен всичко друго, добавя поддръжка на кодеците aptX, aptX HD и FastStream.

Източник: habr.com