Avec la sortie massive de smartphones sans prise audio de 3,5 mm, les écouteurs Bluetooth sans fil sont devenus pour beaucoup le moyen principal d'écouter de la musique et de communiquer en mode kit mains libres.
Les fabricants d'appareils sans fil ne fournissent pas toujours des spécifications détaillées des produits, et les articles sur l'audio Bluetooth sur Internet sont souvent contradictoires, parfois incorrects, ne couvrent pas toutes les caractéristiques, et se contentent souvent de copier la même information erronée.
Essayons de comprendre le protocole, les capacités des piles Bluetooth des systèmes d'exploitation, des écouteurs et des haut-parleurs, des codecs Bluetooth pour la musique et la parole, découvrons ce qui influence la qualité du son transmis et la latence, et apprenons à rassembler et décoder des informations sur les codecs supportés et d'autres fonctionnalités des appareils.

TL;DR:

• SBC — un codec standard
• Les écouteurs ont leur propre égaliseur et un post-traitement pour chaque codec séparément
• aptX n'est pas aussi bon que ce que les annonces publicitaires laissent entendre
• LDAC — une pure invention marketing
• La qualité sonore en mode conversation reste encore faible
• Des encodeurs audio peuvent être intégrés dans le navigateur en utilisant C, compilés en WebAssembly via emscripten, et ils ne ralentiront pas vraiment.

Musique via Bluetooth

L'aspect fonctionnel de Bluetooth est déterminé par des profils — des spécifications pour des fonctions spécifiques. La transmission de musique en Bluetooth se fait à l'aide du profil A2DP pour l'audio de haute qualité unidirectionnelle. La norme A2DP a été acceptée en 2003 et n'a pas beaucoup changé depuis.
Dans le cadre du profil, un codec de faible complexité de calcul, SBC, est standardisé et obligatoire, créé spécifiquement pour Bluetooth, ainsi que 3 codecs supplémentaires. L'utilisation de codecs non documentés à mise en œuvre propriétaire est également autorisée.

Au mois de juin 2019, nous trouvons dans la bande dessinée xkcd avec 14 codecs A2DP :

• SBC ← standardisé dans A2DP, pris en charge par tous les appareils
• MPEG-1/2 Layer 1/2/3 ← standardisés dans A2DP : le bien connu MP3, utilisé dans la télévision numérique MP2, et inconnu MP1
• MPEG-2/4 AAC ← standardisé dans A2DP
• ATRAC ← ancien codec de Sony, standardisé dans A2DP
• LDAC ← nouveau codec de Sony
• aptX ← codec datant de 1988
• aptX HD ← identique à aptX, mais avec des paramètres d'encodage différents
• aptX Low Latency ← codec complètement différent, sans mise en œuvre logicielle
• aptX Adaptive ← un autre codec de Qualcomm
• FastStream ← pseudo-codec, modification bidirectionnelle de SBC
• HWA LHDC ← nouveau codec de Huawei
• Samsung HD ← supporté par 2 appareils
• Samsung Scalable ← supporté par 2 appareils
• Samsung UHQ-BT ← supporté par 3 appareils

Vous vous demandez pourquoi les codecs sont nécessaires, alors qu'Bluetooth dispose de l'EDR, permettant de transmettre des données à des vitesses de 2 et 3 Mbit/s, alors qu'un PCM stéréo non compressé de 16 bits nécessite seulement 1,4 Mbit/s ?

Transmission de données via Bluetooth

Il existe deux types de transmission de données via Bluetooth : Asynchronous Connection Less (ACL) pour la transmission asynchrone sans connexion, et Synchronous Connection Oriented (SCO) pour la transmission synchrone avec négociation préalable de la connexion.
La transmission s'effectue selon un schéma de répartition du temps et de sélection de canal pour chaque paquet séparément (Frequency-Hop/Time-Division-Duplex, FH/TDD), où le temps est divisé en intervalles de 625 microsecondes appelés slots. Un des appareils transmet dans les numéros de slots pairs, l’autre dans les numéros impairs. Le paquet transmis peut occuper 1, 3 ou 5 slots, en fonction de la taille des données et du type de transmission défini, dans ce cas, la transmission par un appareil se fait dans les slots pairs et impairs jusqu'à la fin de la transmission. Au total, jusqu'à 1600 paquets peuvent être émis et reçus par seconde, si chacun occupe 1 slot, et les deux appareils transmettent et reçoivent sans interruption.

2 et 3 Mbit/s pour l’EDR, que vous pouvez rencontrer dans les annonces et sur le site de Bluetooth, représentent la vitesse canal maximale de transmission de toutes les données cumulées (y compris les en-têtes techniques de tous les protocoles dans lesquels les données doivent être encapsulées), dans les deux directions simultanément. La vitesse réelle de transmission des données variera fortement.

Pour la transmission de musique, une méthode asynchrone est utilisée, presque toujours avec des paquets de type 2-DH5 et 3-DH5, qui transportent le maximum de données en mode EDR à 2 Mbit/s et 3 Mbit/s respectivement, et occupent 5 slots de partage de temps.

Représentation schématique de la transmission utilisant 5 slots par un appareil et 1 slot par un autre (DH5/DH1) :


En raison du principe de séparation de fréquence par le temps, nous devons attendre un créneau de 625 microsecondes après la transmission d'un paquet, si le deuxième appareil ne transmet rien ou envoie un petit paquet, et plus de temps si le deuxième appareil transmet de gros paquets. Si plusieurs appareils sont connectés au téléphone (par exemple, des écouteurs, une montre et un bracelet de fitness), le temps de transmission est partagé entre tous.

La nécessité d'encapsuler l'audio dans des protocoles de transport spéciaux L2CAP et AVDTP prend 16 octets du maximum de la charge utile audio transmissible.

Type de paquet
Nombre de créneaux
Max. nombre d'octets par paquet
Max. nombre d'octets de charge utile A2DP
Max. débit binaire de charge utile 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 et 1429 kbit/s ne sont clairement pas suffisants pour transmettre un son non compressé dans des conditions réelles, avec un spectre bruyant de 2,4 GHz et la nécessité de transmettre des données de contrôle. EDR 3 Mbit/s est exigeant en termes de puissance d'émission et de bruit dans l'air, donc même en mode 3-DH5, une transmission confortable de PCM n'est pas possible, il y aura constamment des interruptions de courte durée, et tout ne fonctionnera qu'à une distance de quelques mètres.
En pratique, même un flux audio à 990 kbit/s (LDAC 990 kbit/s) est difficile à transmettre.

Revenons aux codecs.

SBC

Codec obligatoire pour tous les appareils prenant en charge la norme A2DP. Meilleur et pire codec à la fois.

Fréquence d'échantillonnage
Largeur
Débit binaire
Prise en charge de l'encodage
Prise en charge du décodage

16, 32, 44.1, 48 kHz
16 bits
10-1500 kbit/s
Par tous les appareils
Par tous les appareils

SBC est un codec simple et rapide en calcul, avec un modèle psychoacoustique primitif (ne fait que masquer les sons faibles), utilisant une modulation par impulsion adaptative (APCM).
La spécification A2DP recommande d'utiliser deux profils : Qualité Moyenne et Haute Qualité.


Le codec a de nombreux réglages permettant de contrôler la latence algorithmique, le nombre d'échantillons par bloc, l'algorithme de distribution des bits, mais presque partout, les mêmes paramètres recommandés dans la spécification sont utilisés : Stéréo Joint, 8 bandes de fréquences, 16 blocs dans une trame audio, méthode de distribution des bits Loudness.
SBC prend en charge le changement dynamique du paramètre Bitpool, qui influence directement le débit binaire. Si la diffusion radio est encombrée, les paquets sont perdus ou si les appareils sont éloignés, la source audio peut réduire le Bitpool jusqu'à ce que la connexion se normalise.

Les fabricants de la plupart des écouteurs fixent la valeur maximale du paramètre Bitpool à 53, ce qui limite le débit binaire à 328 kilobits par seconde lors de l'utilisation du profil recommandé.
Même si le fabricant des écouteurs a fixé la valeur maximale du Bitpool au-delà de 53 (des modèles tels que : Beats Solo³, JBL Everest Elite 750NC, Apple AirPods, et aussi présents sur certains récepteurs et systèmes audio de voiture), la plupart des systèmes d'exploitation ne permettront pas l'utilisation de débits binaires plus élevés en raison d'une limitation interne des valeurs dans les piles Bluetooth.
De plus, certains fabricants définissent une valeur maximale basse du Bitpool pour certains dispositifs. Par exemple, elle est de 39 pour Bluedio T, de 37 pour Samsung Gear IconX, ce qui entraîne une mauvaise qualité sonore.

Les limitations artificielles imposées par les développeurs de piles Bluetooth ont probablement surgi à cause de l'incompatibilité de certains appareils avec de grandes valeurs de Bitpool ou des profils atypiques, même s'ils ont signalé leur prise en charge, ainsi que d'un nombre insuffisant de tests lors de la certification. Il était plus simple pour les auteurs de piles Bluetooth de se limiter à la conformité avec le profil recommandé plutôt que de créer des bases de données d'appareils défectueux (bien que cela soit fait maintenant pour d'autres fonctions qui ne fonctionnent pas correctement).

SBC attribue dynamiquement des bits de quantification aux bandes de fréquences, en procédant des basses vers les hautes, avec des coefficients de pondération différents. Si tout le débit binaire est utilisé pour les basses et moyennes fréquences, les hautes fréquences seront « coupées » (il y aura du silence à la place).

Exemple SBC 328 kbit/s. En haut – l'original, en bas – SBC, il y a des commutations périodiques entre les pistes. Pour l'audio dans le fichier vidéo, un codec de compression sans perte FLAC est utilisé. L'utilisation de FLAC dans un conteneur mp4 n'est pas officiellement normalisée, il n'est donc pas certain que votre navigateur le lise, mais cela devrait fonctionner dans les dernières versions de Chrome et Firefox sur desktop. Si vous n'entendez pas de son, vous pouvez télécharger le fichier et l'ouvrir dans un lecteur vidéo complet.
ZZ Top — Sharp Dressed Man

Le moment de changement est visible sur le spectrogramme : SBC coupe périodiquement les sons faibles au-dessus de 17,5 kHz et ne dédie pas du tout de bits pour la bande au-dessus de 20 kHz. Le spectrogramme complet est disponible en cliquant (1,7 Mo).

Je n'entends pas de différence entre l'original et SBC sur ce morceau.

Prenons quelque chose de plus récent, et simulons l'audio qui résulterait de l'utilisation des écouteurs Samsung Gear IconX avec Bitpool 37 (en haut — signal d'origine, en bas — SBC 239 kbit/s, son en FLAC).
Mindless Self Indulgence — Witness

J'entends des grésillements, un effet stéréo réduit et un « claquement » désagréable des voix dans les hautes fréquences.

Bien que SBC soit un codec très flexible, il peut être configuré pour de faibles latences, offrant une excellente qualité audio à des débits élevés (452+ kbit/s) et tout à fait acceptable pour la plupart des gens en qualité standard (328 kbit/s), parce que la norme A2DP ne définit pas des profils fixes (mais donne seulement des recommandations), les développeurs de stacks ont mis en place des limitations artificielles sur Bitpool, et les paramètres audio transmis ne s'affichent pas dans l'interface utilisateur, tandis que les fabricants d'écouteurs sont libres de définir leurs propres réglages et n'indiquent jamais la valeur de Bitpool dans les spécifications techniques du produit, le codec s'est fait connaître pour sa faible qualité sonore, bien que ce ne soit pas un problème du codec en lui-même.
Le paramètre Bitpool influence directement le bitrate seulement à l'intérieur d'un même profil. La même valeur de Bitpool 53 peut donner soit un bitrate de 328 kbit/s avec le profil recommandé High Quality, soit 1212 kbit/s avec Dual Channel et 4 bandes de fréquences, ce qui fait que les auteurs d'OS, en plus des limitations sur Bitpool, imposent également une limitation sur le bitrate. Il me semble que cette situation a surgi à cause d'un défaut de la norme A2DP : il aurait fallu accorder le bitrate, et non pas Bitpool.

Tableau de compatibilité des fonctionnalités SBC dans différents OS :

OS
Fréquences d'échantillonnage prises en charge
Limitation max. Bitpool
Limitation max. Bitrate
Bitrate typique
Ajustement dynamique du Bitpool

Windows 10
44,1 kHz
53
512 kbit/s
328 kbit/s
✓*

Linux (BlueZ + PulseAudio)
16, 32, 44.1, 48 kHz
64 (pour la connexion entrante), 53 (pour la connexion sortante)
Pas de limitation
328 kbit/s
✓*

macOS High Sierra
44,1 kHz
64, par défaut 53***
Inconnu
328 kbit/s
✗

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

Android 4.1-4.3.1
44.1, 48 kHz**
53
229 kbit/s
229 kbit/s
✗

Blackberry OS 10
48 kHz
53
Pas de limitation
328 kbit/s
✗

* Le Bitpool ne diminue que, mais ne s'augmente pas automatiquement en cas d'amélioration des conditions de transmission. Pour restaurer le Bitpool, il faut arrêter la lecture, attendre quelques secondes et relancer l'audio.
** La valeur par défaut dépend des paramètres de la pile spécifiés lors de la compilation du firmware. Sur Android 8/8.1, la fréquence est soit de 44.1 kHz, soit de 48 kHz, en fonction des paramètres de compilation, tandis que sur les autres versions, 44.1 kHz et 48 kHz sont prises en charge simultanément.
*** La valeur du Bitpool peut être augmentée dans le programme Bluetooth Explorer.

aptX et aptX HD

aptX est un codec simple et computationnellement rapide, sans psycho-acoustique, utilisant la modulation par impulsion codée différentielle adaptative (ADPCM). Apparue vers 1988 (la date de dépôt du brevet est datée de février 1988), il était principalement utilisé dans des équipements audio sans fil professionnels avant Bluetooth. Actuellement, il appartient à Qualcomm, nécessite une licence et des redevances de licence. En 2014, les frais étaient de 6000 $ en une fois et environ 1 $ pour chaque appareil, pour des lots allant jusqu'à 10 000 appareils (source, p. 16).
aptX et aptX HD sont le même codec, avec différents profils de codage.

Le codec a seulement un seul paramètre : le choix de la fréquence d'échantillonnage. Il existe aussi un choix quant au nombre / mode de canaux, mais dans tous les dispositifs que je connais (plus de 70), seul le mode stéréo est pris en charge.

Codec
Fréquence d'échantillonnage
Largeur
Débit binaire
Prise en charge de l'encodage
Prise en charge du décodage

aptX
16, 32, 44.1, 48 kHz
16 bits
128 / 256 / 352 / 384 kbps (selon la fréquence d'échantillonnage)
Windows 10 (de bureau et mobile), macOS, Android 4.4+/7*, Blackberry OS 10
Un large éventail d'appareils audio (matériellement)

* Les versions antérieures à 7 nécessitent une modification de la pile Bluetooth. Le codec est pris en charge uniquement si le fabricant de l'appareil Android a licencié l'utilisation du codec auprès de Qualcomm (si des bibliothèques de codage sont présentes dans le système d'exploitation).

Le codec aptX divise l'audio en 4 bandes de fréquences et les quantifie avec le même nombre de bits de manière constante : 8 bits pour 0-5.5 kHz, 4 bits pour 5.5-11 kHz, 2 bits pour 11-16.5 kHz, 2 bits pour 16.5-22 kHz (les chiffres pour une fréquence d'échantillonnage de 44.1 kHz).

Exemple audio aptX (en haut — signal d'origine, en bas — aptX, spectrogrammes des canaux gauche uniquement, son en FLAC) :

Les hautes fréquences sont devenues un peu plus rouges, mais la différence n'est pas perceptible.

En raison de la répartition fixe des bits de quantification, le codec ne peut pas « déplacer les bits » vers les fréquences qui en ont le plus besoin. Contrairement à SBC, aptX ne va pas « couper » les fréquences, mais ajoutera des bruits de quantification, réduisant la plage dynamique de l'audio.

Il ne faut pas considérer que l'utilisation de 2 bits pour la bande réduit la plage dynamique à 12 dB : l'ADPCM permet d'utiliser jusqu'à 96 dB de plage dynamique même avec 2 bits de quantification, mais uniquement avec un certain signal.
L'ADPCM conserve la différence de représentation numérique entre l'échantillon actuel et le suivant, au lieu d'enregistrer la valeur absolute, comme dans PCM. Cela permet de réduire les exigences en matière de bits nécessaires pour stocker une information similaire (sans perte) ou pratiquement similaire (avec une erreur d'arrondi relativement faible). Des tables de coefficients sont utilisées pour réduire les erreurs d'arrondi.
Lors de la création du codec, les auteurs ont calculé les coefficients de l'ADPCM sur un ensemble de fichiers audio musicaux. Plus le signal audio est proche de cet ensemble de musique sur lequel les tables sont basées, moins il y a d'erreurs de quantification (bruits) produites par aptX.

En raison de cela, les tests syntétiques donneront toujours des résultats moins bons que la musique. J'ai créé un exemple synthétique particulier où aptX montre de mauvais résultats : une sinusoïde à 12,4 kHz (en haut — le signal d'origine, en bas — aptX. Son en FLAC. Réduisez le volume !):

Graphique du spectre :


Les bruits sont clairement audibles.

Cependant, si l'on génère une sinusoïde avec une amplitude plus faible pour la rendre plus silencieuse, les bruits deviendront également plus silencieux, ce qui indique une large plage dynamique :

Pour entendre la différence entre la piste musicale originale et la version compressée, on peut inverser l'un des signaux et additionner les pistes canal par canal. Cette approche, en règle générale, est incorrecte et ne donnerait pas de résultats valables avec des codecs plus complexes, mais est parfaitement adaptée pour l'ADPCM.
Différence entre l'original et aptX
La moyenne quadratique de la différence des signaux est à -37,4 dB, ce qui n'est pas beaucoup pour une musique aussi compressée.

aptX HD

aptX HD n'est pas un codec autonome — c'est un profil de codage amélioré du codec aptX. Les modifications concernent le nombre de bits alloués à l'encodage des plages de fréquence : 10 bits pour 0-5.5 kHz, 6 bits pour 5.5-11 kHz, 4 bits pour 11-16.5 kHz, 4 bits pour 16.5-22 kHz (chiffres pour 44.1 kHz).

Codec
Fréquence d'échantillonnage
Largeur
Débit binaire
Prise en charge de l'encodage
Prise en charge du décodage

aptX HD
16, 32, 44.1, 48 kHz
24 bits
192 / 384 / 529 / 576 kbit/s (selon la fréquence d'échantillonnage)
Android 8+*
Certains appareils audio (matériellement)

* Les versions antérieures à 7 nécessitent une modification de la pile Bluetooth. Le codec est pris en charge uniquement si le fabricant de l'appareil Android a licencié l'utilisation du codec auprès de Qualcomm (si des bibliothèques de codage sont présentes dans le système d'exploitation).

Moins courant qu'aptX : il semble nécessiter une licence distincte de Qualcomm, et des redevances de licence séparées.

Reprenons l'exemple d'une sinusoïde à 12.4 kHz :


Bien meilleur qu'avec aptX, mais reste bruyant.

aptX Low Latency

Codec de Qualcomm, ne partageant rien avec les standards aptX et aptX HD, selon les rares informations d'individus impliqués dans son développement. Conçu pour la transmission audio interactive à faible latence (films, jeux), où la latence audio ne peut pas être ajustée par logiciel. Les implémentations logicielles d'encodeurs et de décodeurs connus sont absentes, il est pris en charge uniquement par des transmetteurs, récepteurs, écouteurs et enceintes, mais pas par des smartphones et des ordinateurs.

Fréquence d'échantillonnage
Débit binaire
Prise en charge de l'encodage
Prise en charge du décodage

44,1 kHz
276/420 kbit/s
Certains transmetteurs (matériellement)
Certains appareils audio (matériellement)

AAC

AAC, ou Advanced Audio Coding — un codec computationnellement complexe, avec un modèle psychoacoustique sérieux. Il a connu une large diffusion pour l'audio sur internet, devenant le deuxième codec le plus populaire après MP3. Nécessite une licence et des royalties : 15000 $ en une seule fois (ou 1000 $ pour les entreprises de moins de 15 employés) + 0.98 $ pour les 500000 premiers appareils (source).
Le codec est standardisé dans le cadre des spécifications MPEG-2 et MPEG-4, et contrairement à une idée reçue, ne appartient pas à Apple.

Fréquence d'échantillonnage
Débit binaire
Prise en charge de l'encodage
Prise en charge du décodage

8 — 96 kHz
8 — 576 kbit/s (pour le stéréo), 256 — 320 kbit/s (typique pour Bluetooth)
macOS, Android 7+*, iOS
Un large éventail d'appareils audio (matériellement)

* uniquement sur les dispositifs dont les fabricants ont payé des redevances de licence

Dans iOS et macOS, le meilleur encodeur AAC d'Apple est utilisé, offrant la meilleure qualité audio possible. Dans Android, le second encodeur en termes de qualité, le Fraunhofer FDK AAC, est utilisé, mais divers encodeurs matériels intégrés à la plateforme (SoC) peuvent être utilisés sans garantie de qualité d'encodage. Selon des tests récents sur le site SoundGuys, la qualité d'encodage AAC varie fortement entre différents téléphones Android :

La plupart des appareils audio sans fil pour AAC ont un débit binaire maximal de 320 kbit/s, certains ne prenant en charge que 256 kbit/s. Les autres débits binaires sont extrêmement rares.
AAC offre une excellente qualité à des débits binaires de 320 et 256 kbit/s, mais il est sujet à des pertes dues au codage successif d'un contenu déjà compressé., néanmoins, il est difficile de percevoir des différences avec l'original sur iOS à un débit de 256 kbit/s même après plusieurs codages successifs ; avec un codage unique, par exemple, MP3 320 kbit/s en AAC 256 kbit/s, les pertes peuvent être négligées.
Comme pour d'autres codecs Bluetooth, toute musique est d'abord décodée, puis recodée par le codec. Lors de l'écoute de musique au format AAC, elle est d'abord décodée par le système d'exploitation, puis recodée en AAC encore une fois, pour être transmise via Bluetooth. Cela est nécessaire pour mixer plusieurs flux audio, comme la musique et les notifications de nouveaux messages. iOS n'est pas une exception. On trouve de nombreuses affirmations sur Internet disant que la musique au format AAC n'est pas transcodée lors de la transmission via Bluetooth, ce qui est faux.

MP1/2/3

Les codecs de la famille MPEG-1/2 Partie 3 comprennent le fameux et largement utilisé MP3, le moins courant MP2 (principalement utilisé dans la télévision et la radio numériques) et le complètement inconnu MP1.

Les vieux codecs MP1 et MP2 ne sont absolument pas pris en charge : je n'ai trouvé aucun casque ni aucun stack Bluetooth qui les encode ou les décode.
Le décodage MP3 est pris en charge par certains casques, mais l'encodage n'est pris en charge par aucun stack des systèmes d'exploitation modernes. Il semble que le stack tiers BlueSoleil pour Windows puisse encoder en MP3 si le fichier de configuration est modifié manuellement, mais son installation entraîne un BSoD sur Windows 10. En conclusion, le codec ne peut en fait pas être utilisé pour l'audio Bluetooth.
Autrefois, entre 2006 et 2008, avant la généralisation de la norme A2DP dans les dispositifs, les gens écoutaient de la musique MP3 sur le casque Nokia BH-501 via le logiciel MSI BluePlayer, qui était disponible sur Symbian et Windows Mobile. À l'époque, l'architecture des systèmes d'exploitation des smartphones permettait d'accéder à de nombreuses fonctions de bas niveau, et sur Windows Mobile, il était même possible d'installer des stacks Bluetooth tiers.

Le dernier brevet du codec MP3 a expiré, l'utilisation du codec n'exige plus de redevances depuis le 23 avril 2017.

Si le brevet le plus ancien mentionné dans les références ci-dessus est pris comme mesure, alors la technologie MP3 est devenue libre de droits aux États-Unis le 16 avril 2017 lorsque le brevet américain 6,009,399, détenu et administré par Technicolor, a expiré.

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

Fréquence d'échantillonnage
Débit binaire
Prise en charge de l'encodage
Prise en charge du décodage

16 — 48 kHz
8 — 320 kbit/s
Nulle part soutenu
Certains appareils audio (matériellement)

LDAC

Nouveau codec « Hi-Res » de Sony, promu activement, qui prend en charge des fréquences d'échantillonnage allant jusqu'à 96 kHz et une profondeur de 24 bits, avec un débit allant jusqu'à 990 kbit/s. Il est commercialisé comme codec audiophile, comme alternative aux codecs Bluetooth existants. Il dispose d'une fonction d'ajustement adaptatif du débit binaire, en fonction des conditions de la transmission radio.

Encodeur LDAC (libldac) est inclus dans la version standard d'Android, donc l'encodage est supporté sur n'importe quel smartphone Android à partir de la version 8 de l'OS. Les décodeurs logiciels ne sont pas disponibles dans le domaine public, la spécification du codec n'est pas accessible au grand public, mais à première vue de l'encodeur, la conception interne du codec ressemble à ATRAC9 — le codec de Sony utilisé dans la PlayStation 4 et Vita : les deux fonctionnent dans la gamme de fréquences, utilisent la transformation en cosinus discrète modifiée (MDCT) et une compression utilisant l'algorithme de Huffman.

Le support de LDAC est presque uniquement représenté par les écouteurs de Sony. La possibilité de décoder LDAC se rencontre parfois sur des écouteurs et des DAC d'autres fabricants, mais très rarement.

Fréquence d'échantillonnage
Débit binaire
Prise en charge de l'encodage
Prise en charge du décodage

44.1 — 96 kHz
303/606/909 kbit/s (pour 44.1 et 88.2 kHz), 330/660/990 kbit/s (pour 48 et 96 kHz)
Android 8+
Par certains écouteurs Sony et quelques dispositifs d'autres fabricants (matériel)

Le marketing de LDAC en tant que codec Hi-Res nuit à sa composante technique : il est insensé de gaspiller le débit binaire pour transmettre des fréquences non audibles à l'oreille humaine et une profondeur accrue, alors qu'il n'est pas suffisant pour transmettre une qualité CD (44.1/16) sans perte. Heureusement, le codec a deux modes de fonctionnement : transmission audio CD et transmission audio Hi-Res. Dans le premier cas, seule une fréquence de 44.1 kHz/16 bits est transmise sans fil.

Étant donné qu'il n'y a pas de décodeur LDAC disponible dans le domaine public, il est impossible de tester le codec sans des dispositifs supplémentaires décodant LDAC. Selon les résultats des tests de LDAC sur un DAC prenant en charge LDAC, auquel les ingénieurs du site SoundGuys.com se sont connectés via une sortie numérique et ont enregistré le son produit sur des signaux de test, LDAC à 660 et 990 kbit/s en mode qualité CD offre un rapport signal/bruit légèrement meilleur que celui d'aptX HD.

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

LDAC prend également en charge un débit binaire dynamique en dehors des profils définis — de 138 kbit/s à 990 kbit/s, mais, à ma connaissance, seuls les profils standardisés 303/606/909 et 330/660/990 kbit/s sont utilisés sur Android.

Autres codecs

D'autres codecs A2DP n'ont pas été largement adoptés. Leur prise en charge est soit pratiquement absente, soit limitée à certains modèles de casques et de smartphones.
Le codec ATRAC standardisé dans A2DP n'a jamais été utilisé comme codec Bluetooth même par Sony, les codecs Samsung HD, Samsung Scalable et Samsung UHQ-BT ont un support très limité de la part des appareils émetteurs et récepteurs, et HWA LHDC est trop nouveau, n'étant pris en charge que par trois(?) appareils.

Prise en charge des codecs par les appareils audio

Tous les fabricants ne publient pas d'informations précises sur les codecs pris en charge par certains casques, haut-parleurs, récepteurs ou émetteurs sans fil. Il arrive que la prise en charge d'un codec donné soit uniquement disponible pour l'émission, mais pas pour la réception (ce qui est pertinent pour les émetteurs-récepteurs combinés), bien que le fabricant se contente d'indiquer simplement 'prise en charge', sans remarques (je suppose que cela est dû à la séparation des licences des encodeurs et décodeurs de certains codecs). Dans les appareils les moins chers, il se peut même que la prise en charge de l'aptX annoncée ne soit pas trouvée.

Malheureusement, les interfaces de la plupart des systèmes d'exploitation ne montrent nulle part le codec utilisé. Cette information n'est disponible que sur Android, à partir de la version 8, et macOS. Toutefois, même dans ces systèmes d'exploitation, seuls les codecs pris en charge à la fois par le téléphone/ordinateur et par les écouteurs seront affichés.

Comment savoir quels codecs un appareil prend en charge ? Enregistrer et analyser le trafic A2DP !
Cela peut être fait sur Linux, macOS et Android. Sur Linux, vous pouvez utiliser Wireshark ou hcidump, sur macOS — Bluetooth Explorer, et sur Android — la fonction intégrée de sauvegarde du dump HCI Bluetooth, qui est disponible dans les outils de développement. Vous obtiendrez un dump au format btsnoop, qui peut être téléchargé dans l'analyseur Wireshark.
Veuillez noter: un dump correct ne peut être obtenu qu'en se connectant avec un téléphone / ordinateur à des écouteurs / enceintes (aussi curieux que cela puisse paraître) ! Les écouteurs peuvent établir une connexion avec le téléphone de leur propre chef, et dans ce cas, ils demanderont la liste des codecs au téléphone, et non l'inverse. Pour garantir un dump correct, déconnectez d'abord l'appareil, puis pendant l'enregistrement du dump, appairez le téléphone avec les écouteurs.

Utilisez le filtre d'affichage suivant pour filtrer le trafic non pertinent :

btavdtp.signal_id

En conséquence, vous devriez voir quelque chose de semblable :

Vous pouvez cliquer sur chaque point de la commande GetCapabilities et consulter les caractéristiques détaillées du codec.

Wireshark ne connaît pas tous les identifiants de codecs, donc certains codecs devront être déchiffrés manuellement en consultant le tableau des identifiants ci-dessous :

Obligatoire :
0x00 - SBC

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

Spécifique au fournisseur :
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 - L'identifiant de codec CSR True Wireless Stereo v3 pour AAC
0xFF 0x000A 0x0105 - L'identifiant de codec CSR True Wireless Stereo v3 pour MP3
0xFF 0x000A 0x0106 - L'identifiant de codec CSR True Wireless Stereo v3 pour aptX

Pour ne pas analyser les dumps manuellement, j'ai créé un service qui analysera tout automatiquement : btcodecs.valdikss.org.ru

Comparaison des codecs. Quel codec est le meilleur ?

Chaque codec a ses avantages et ses inconvénients.
aptX et aptX HD utilisent des profils rigides qui ne peuvent pas être modifiés sans modifier l'encodeur et le décodeur. Ni le fabricant du téléphone, ni le fabricant des écouteurs ne peuvent modifier le débit binaire ou les coefficients de codage aptX. Le détenteur du codec, Qualcomm, fournit un encodeur de référence sous forme de bibliothèque. Ces faits — point fort de l'aptX — vous savez à l'avance quelle qualité sonore vous obtiendrez, sans aucun « mais ».

SBC, en revanche, possède de nombreux paramètres configurables, un bitrate dynamique (le codec peut réduire le paramètre bitpool si la diffusion radio est chargée), et n'a pas de profils fixes, seulement des « qualité moyenne » et « haute qualité » recommandés, ajoutés à la spécification A2DP en 2003. La « haute qualité » n'est déjà plus si élevée selon les normes modernes, et la plupart des piles Bluetooth ne permettent pas d'utiliser des options meilleures que celles du profil « haute qualité », bien qu'il n'y ait pas de restrictions techniques à cela.
Bluetooth SIG n'a pas d'encodeur de référence SBC sous forme de bibliothèque, et les fabricants le mettent en œuvre eux-mêmes.
Ce sont les faiblesses de SBC : il n'est jamais clair à l'avance quelle qualité sonore attendre d'un appareil particulier. SBC peut fournir une qualité sonore basse ou très élevée, mais cette dernière est inaccessibile sans désactiver ou contourner les limites artificielles des piles Bluetooth.

La situation avec AAC est ambiguë : d'un côté, le codec devrait théoriquement offrir une qualité indiscernable de l'original, mais la pratique, selon les tests du laboratoire SoundGuys sur différents appareils Android, ne le confirme pas. Il est fort probable que la faute revienne aux encodeurs audio matériels de faible qualité intégrés à divers chipsets de téléphones. Il vaut la peine d'utiliser AAC uniquement sur des appareils Apple, et sur Android, de se limiter à aptX et LDAC.

Les appareils prenant en charge des codecs alternatifs sont généralement de meilleure qualité, simplement parce qu'il n'est pas judicieux de payer des redevances de licence pour l'utilisation de ces codecs pour des appareils bon marché de très faible qualité. D'après mes tests, SBC sonne très bien sur du matériel de qualité.

J'ai créé un service web qui code l'audio en SBC, aptX et aptX HD en temps réel, directement dans le navigateur. Avec celui-ci, vous pourrez tester ces codecs audio sans transmettre réellement l'audio via Bluetooth, sur n'importe quel casque ou enceinte filaire, avec votre musique préférée, et modifier les paramètres de codage en temps réel pendant la lecture de l'audio :
btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-encoder
Le service utilise les bibliothèques de codage SBC du projet BlueZ et libopenaptx de ffmpeg, qui ont été compilées en WebAssembly et JavaScript à partir de C, via emscripten, pour fonctionner dans le navigateur. Qui aurait pu rêver d'un tel avenir !

Voici à quoi cela ressemble :

Observez comment le niveau de bruit varie au-delà de 20 kHz avec différents codecs. Les fréquences supérieures à 20 kHz sont absentes dans le fichier MP3 d'origine.

Essayez de changer les codecs et évaluez si vous entendez une différence entre l'original, SBC 53 Joint Stereo (le profil standard et le plus répandu), et aptX/aptX HD.

J'entends la différence entre les codecs dans les écouteurs!

Les personnes qui n'entendent pas de différence entre les codecs lors des tests via le service web affirment qu'elles l'entendent en écoutant de la musique avec des écouteurs sans fil. Malheureusement, ce n'est pas une blague ou un effet placebo : la différence est réellement audible, mais elle n'est pas causée par des distinctions codecs.

La grande majorité des chipsets audio Bluetooth utilisés dans les dispositifs sans fil récepteurs sont équipés d'un processeur de signal numérique (Digital Signal Processor, DSP), qui intègre un égaliseur, un compresseur, un élargisseur stéréo et d'autres éléments visant à améliorer (ou modifier) le son. Les fabricants d'équipements Bluetooth peuvent configurer le DSP pour chaque codec séparément, et lors du passage entre les codecs, l'auditeur a l'impression d'entendre une différence de fonctionnement des codecs, alors qu'en réalité, il écoute différentes configurations du DSP.

Le pipeline de traitement audio DSP Kalimba dans les chips produits par CSR/Qualcomm

Activation de différentes fonctions DSP pour chaque codec et sortie séparément

Certains dispositifs de haut de gamme sont livrés avec un logiciel permettant de régler les paramètres du DSP, mais la plupart des écouteurs moins chers ne disposent pas de cette possibilité, et les utilisateurs ne peuvent pas désactiver le post-traitement audio par des moyens standards.

Caractéristiques fonctionnelles des dispositifs

La version moderne de la norme A2DP a la fonction de « réglage absolu du volume » — contrôle du volume de l'appareil via des commandes spécifiques du protocole AVRCP, qui régule le gain de l'amplificateur de sortie, plutôt que de réduire le volume du flux audio par voie logicielle. Si lors du changement de volume sur les écouteurs, l'ajustement n'est pas synchronisé avec le volume du téléphone, cela signifie que vos écouteurs ou votre téléphone ne prennent pas en charge cette fonction. Dans ce cas, il est recommandé d'écouter de la musique avec le volume maximum sur le téléphone, en ajustant le volume réel avec les boutons des écouteurs — dans ce cas, le rapport signal/bruit sera meilleur, et la qualité audio. cela devrait être ci-dessus.
Dans la réalité, il existe des situations tristes. Sur mes écouteurs RealForce OverDrive D1 pour SBC, un fort compresseur est activé, et augmenter le volume augmente le niveau des sons faibles, tandis que le volume des sons forts ne change pas (compression du signal). En conséquence, je dois régler le volume de l'ordinateur à environ la moitié ; dans ce cas, l'effet de compression est pratiquement absent.
D'après mes observations, tous les écouteurs avec des codecs supplémentaires prennent en charge la fonction de réglage de volume absolu ; c'est apparemment l'une des exigences pour la certification des codecs.

Certains écouteurs prennent en charge la connexion de deux appareils simultanément. Cela permet, par exemple, d'écouter de la musique depuis un ordinateur tout en prenant des appels sur un téléphone. Cependant, il faut savoir qu'en mode double connexion, les codecs alternatifs sont désactivés et seul le SBC est utilisé.

La fonction AVDTP 1.3 Delay Reporting permet aux écouteurs de communiquer le retard à l'appareil émetteur, avec lequel le son est effectivement reproduit. Cela permet d'ajuster la synchronisation audio avec la vidéo lors de la lecture de fichiers vidéo : en cas de problèmes de transmission par voie radio, l'audio ne sera pas en retard par rapport à la vidéo, mais plutôt, la vidéo sera ralentie par le lecteur vidéo jusqu'à ce que l'audio et la vidéo soient de nouveau synchronisés.
La fonction est prise en charge par de nombreux écouteurs, Android 9+ et Linux avec PulseAudio 12.0+. Je ne sais pas si la fonction est prise en charge sur d'autres plates-formes.

Communication bidirectionnelle via Bluetooth. Transmission de la voix.

Pour la transmission de la voix par Bluetooth, le Synchronous Connection Oriented (SCO) est utilisé — une transmission synchrone avec pré-accord de la connexion. Le mode permet de transmettre le son et la voix strictement dans l'ordre, avec une vitesse d'envoi et de réception symétrique, sans attendre la confirmation de transmission ou la retransmission des paquets. Cela réduit la latence générale de transmission de l'audio par voie radio, mais impose de sérieuses limitations sur la quantité de données transmises par unité de temps, ce qui a un impact négatif sur la qualité.
Quand ce mode est utilisé, la voix et l'audio sont transmis avec la même qualité.
Malheureusement, en 2019, la qualité de transmission de la voix par Bluetooth reste encore faible, et on ne comprend pas pourquoi le Bluetooth SIG ne fait rien à ce sujet.

CVSD

Le codec de transmission vocale de base CVSD a été standardisé en 2002 et est pris en charge par tous les dispositifs de communication bidirectionnelle via Bluetooth. Il permet la transmission audio avec une fréquence d'échantillonnage de 8 kHz, ce qui correspond à la qualité de la téléphonie filaire classique.

Exemple d'enregistrement dans ce codec.

mSBC

Le codec supplémentaire mSBC a été standardisé en 2009, et en 2010, des puces utilisant ce codec pour la transmission vocale ont fait leur apparition. Le mSBC est largement pris en charge par divers dispositifs.
Ce n'est pas un codec indépendant, mais un SBC classique du standard A2DP, avec un profil d'encodage fixe : 16 kHz, mono, bitpool 26.

Exemple d'enregistrement dans ce codec.

Ce n'est pas parfait, mais c'est bien meilleur que le CVSD, cependant, il reste désagréable de l'utiliser pour communiquer sur Internet, surtout lorsque vous utilisez des écouteurs pour discuter dans un jeu — le son du jeu sera également transmis avec une fréquence d'échantillonnage de 16 kHz.

FastStream La société CSR a décidé de développer l'idée de réutilisation du SBC. Pour contourner les limitations du protocole SCO et utiliser des débits binaires plus élevés, CSR a choisi une autre approche : ils ont intégré la prise en charge audio SBC bidirectionnelle dans le standard de transmission audio unidirectionnel A2DP, ont standardisé les profils d'encodage et l'ont appelé « FastStream ».

FastStream transmet de l'audio stéréo aux haut-parleurs à 44,1 ou 48 kHz avec un débit de 212 kbit/s, tandis que pour la transmission audio à partir d'un microphone, il utilise du mono, 16 kHz, avec un débit de 72 kbit/s (un peu mieux que le mSBC). Ces paramètres conviennent beaucoup mieux pour communiquer dans les jeux en ligne — le son des jeux et des interlocuteurs sera de bonne qualité.

Exemple d'enregistrement dans ce codec (+ audio du microphone, identique à celui du mSBC).

L'entreprise a trouvé une solution intéressante, mais comme elle contredit le standard A2DP, sa prise en charge n'existe que dans certains transmetteurs de l'entreprise (qui fonctionnent comme une carte audio USB, et non comme un dispositif Bluetooth), mais elle n'a pas été intégrée dans les piles Bluetooth, bien que le nombre d'écouteurs prenant en charge FastStream ne soit pas négligeable.

À l'heure actuelle, la prise en charge de FastStream dans les systèmes d'exploitation n'existe que sous la forme d'un patch pour PulseAudio de Linux développé par Pali Rohár, qui n'est pas inclus dans la branche principale du programme.

aptX Low Latency

À ma grande surprise, aptX Low Latency prend également en charge l'audio bidirectionnel, en réalisant le même principe que FastStream.
Il n'est pas possible d'utiliser cette fonctionnalité du codec nulle part — la prise en charge du décodage Low Latency n'existe dans aucun système d'exploitation ni dans aucune pile Bluetooth connue de moi.

Bluetooth 5, Classic et Low Energy

Il y a eu une grande confusion autour des spécifications et des versions de Bluetooth en raison de l'existence de deux normes incompatibles sous une même marque, toutes deux largement utilisées à des fins différentes.

Il existe deux protocoles Bluetooth différents et incompatibles : Bluetooth Classic et Bluetooth Low Energy (LE, également connu sous le nom de Bluetooth Smart). Il y a aussi un troisième protocole, Bluetooth High Speed, mais celui-ci n'est pas répandu et n'est pas utilisé dans les appareils domestiques.

Depuis Bluetooth 4.0, les modifications des spécifications concernent principalement Bluetooth Low Energy, tandis que la version Classic n'a reçu que des améliorations mineures.

Liste des changements entre Bluetooth 4.2 et Bluetooth 5 :

9 CHANGEMENTS DE v4.2 À 5.0

9.1 NOUVELLES FONCTIONNALITÉS

Plusieurs nouvelles fonctionnalités sont introduites dans la Spécification de Base Bluetooth 5.0. Les principaux domaines d'amélioration sont :
• Masque de Disponibilité de Créneaux (SAM)
• PHY à 2 Msym/s pour LE
• Longue Portée LE
• Publicité Non Connectable à Haute Durée de Fonctionnement
• Extensions de Publicité LE
• Algorithme de Sélection de Canal LE n°2
9.1.1 Fonctionnalités Ajoutées dans CSA5 — Intégrées dans v5.0
• Puissance de Sortie Accrue

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

Une seule modification concerne la version Classic dans la spécification Bluetooth 5 : elle a ajouté le support de la technologie Masque de Disponibilité de Créneaux (SAM) destinée à améliorer la gestion du spectre radio. Tous les autres changements ne concernent que Bluetooth LE (et la Puissance de Sortie Accrue aussi).

Tous Les appareils audio n'utilisent que Bluetooth Classic. Il est impossible de connecter des écouteurs ou des enceintes via Bluetooth Low Energy : il n'existe pas de norme pour la transmission audio utilisant LE. La norme A2DP, utilisée pour le transfert audio haute qualité, fonctionne uniquement via Bluetooth Classic, et il n'existe pas d'équivalent dans LE.

Conclusion : acheter des appareils audio avec Bluetooth 5 uniquement à cause de la nouvelle version du protocole n'a pas de sens. Bluetooth 4.0/4.1/4.2 fonctionnera exactement de la même manière en ce qui concerne la transmission audio.
Si l'annonce de nouveaux écouteurs mentionne un double rayon d'action et une consommation d'énergie réduite grâce à Bluetooth 5, sachez qu'ils ne comprennent pas eux-mêmes ou qu'ils vous induisent en erreur. C'est compréhensible, car même les fabricants de puces Bluetooth se perdent dans les distinctions de la nouvelle version de la norme, et certaines puces Bluetooth 5 ne prennent en charge la cinquième version que pour LE, tout en utilisant 4.2 pour Classic.

Délai de transmission audio

Le délai de transmission audio dépend de nombreux facteurs : la taille du tampon dans la pile audio, dans la pile Bluetooth et dans le dispositif sans fil reproducteur lui-même, ainsi que le délai algorithmique du codec.

La latence des codecs simples, tels que SBC, aptX et aptX HD, est très faible, de l'ordre de 3 à 6 ms, ce qui peut être négligé, mais les codecs complexes, comme AAC et LDAC, peuvent entraîner un retard perceptible. La latence algorithmique d'AAC pour 44,1 kHz est de 60 ms. LDAC - environ 30 ms (selon une analyse brute du code source. Je peux me tromper, mais pas beaucoup.)

La latence finale dépend fortement de l'appareil de lecture, de son chipset et de son tampon. Pendant les tests, j'ai observé des variations de 150 à 250 ms sur différents appareils (avec le codec SBC). Si l'on suppose que les appareils prenant en charge des codecs supplémentaires comme aptX, AAC et LDAC utilisent des composants de qualité et une taille de tampon réduite, on obtient les latences typiques suivantes :

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

Je rappelle que l'aptX Low Latency n'est pas pris en charge par les systèmes d'exploitation, ce qui signifie qu'une latence réduite ne peut être obtenue qu'avec une combinaison émetteur+réccepteur ou émetteur+casque/enceinte, et tous les appareils doivent prendre en charge ce codec.

Problèmes d'appareils, de certification et de logos Bluetooth

Comment distinguer un bon appareil audio d'une contrefaçon bon marché ? Par son apparence, tout d'abord !

Pour les casques, enceintes et récepteurs chinois bon marché :

1. Le mot « Bluetooth » est absent de la boîte et de l'appareil, on utilise le plus souvent « Wireless » et « BT »
2. Absence du logo Bluetooth sur la boîte ou l'appareil
3. Pas de diode LED bleue clignotante

L'absence de ces éléments indique que l'appareil n'a pas été certifié, donc potentiellement de mauvaise qualité et problématique. Par exemple, les casques de la marque Bluedio ne sont pas certifiés Bluetooth et ne respectent pas pleinement la spécification A2DP. Ils n'auraient pas réussi la certification.

Examinons quelques appareils et leurs boîtes :

Tous ceux-ci sont des appareils non certifiés. Le manuel peut comporter le logo et le nom de la technologie Bluetooth, mais le plus important est qu'ils soient présents sur la boîte et/ou sur l'appareil lui-même.

Si vos écouteurs ou votre enceinte disent « Ze bluetooth dewise is connecteda successfulle », cela ne dit rien sur leur qualité :

Conclusion

Le Bluetooth peut-il complètement remplacer les écouteurs et casques filaires ? Oui, mais au prix d'une qualité sonore médiocre lors des appels, d'une latence sonore accrue qui peut être agaçante dans les jeux, et de nombreux codecs propriétaires nécessitant des paiements de redevances, ce qui augmente le coût final tant des smartphones que des écouteurs.

Le marketing des codecs alternatifs est très efficace : aptX et LDAC sont présentés comme la tant attendue alternative au SBC « obsolète et mauvais », qui n'est pas si mauvais que cela.

Il s'est avéré que les limitations artificielles des piles Bluetooth concernant le débit binaire du SBC peuvent être contournées, de sorte que le SBC ne sera pas inférieur à aptX HD. J'ai pris l'initiative et fait un patch pour le firmware de LineageOS : Nous modifions la pile Bluetooth pour améliorer le son des écouteurs sans codecs AAC, aptX et LDAC

Plus d'informations peuvent être trouvées sur les sites SoundGuys et SoundExpert.

Bonus : encodeur de référence SBC, informations sur le flux A2DP et fichiers de test. Ce fichier avait été publié sur le site de Bluetooth, mais il est maintenant uniquement accessible aux membres de Bluetooth SIG.

Source : habr.com