हम AAC, aptX और LDAC कोडेक्स के बिना हेडफ़ोन पर ध्वनि को बेहतर बनाने के लिए ब्लूटूथ स्टैक को संशोधित करते हैं

इस लेख को पढ़ने से पहले, यह अनुशंसा की जाती है कि आप पिछला लेख पढ़ें: ब्लूटूथ के माध्यम से ऑडियो: प्रोफाइल, कोडेक्स और डिवाइस के बारे में अधिकतम विवरण

कुछ वायरलेस हेडफ़ोन उपयोगकर्ता मानक एसबीसी ब्लूटूथ कोडेक का उपयोग करते समय खराब ध्वनि गुणवत्ता और उच्च आवृत्तियों की कमी की रिपोर्ट करते हैं, जो सभी ऑडियो उपकरणों द्वारा समर्थित है। ध्वनि में सुधार के लिए एक आम सिफारिश उन उपकरणों और हेडफ़ोन को खरीदना है जो एपीटीएक्स और एलडीएसी कोडेक्स का समर्थन करते हैं। इन कोडेक्स के लिए लाइसेंस शुल्क की आवश्यकता होती है, इसलिए इनका समर्थन करने वाले उपकरण अधिक महंगे होते हैं।

यह पता चला है कि एसबीसी की निम्न गुणवत्ता ब्लूटूथ स्टैक और हेडफ़ोन सेटिंग्स की कृत्रिम सीमाओं के कारण है, और इस सीमा को स्मार्टफोन या कंप्यूटर में सॉफ़्टवेयर परिवर्तन के माध्यम से किसी भी मौजूदा डिवाइस पर बाईपास किया जा सकता है।

कोडेक एसबीसी

एसबीसी कोडेक में कई अलग-अलग पैरामीटर हैं जिन पर कनेक्शन सेटअप चरण के दौरान बातचीत की जाती है। उनमें से:

• चैनलों की संख्या और प्रकार: संयुक्त स्टीरियो, स्टीरियो, डुअल चैनल, मोनो;
• आवृत्ति बैंड की संख्या: 4 या 8;
• पैकेज में ब्लॉकों की संख्या: 4, 8, 12, 16;
• परिमाणीकरण के दौरान बिट्स वितरित करने के लिए एल्गोरिदम: प्रबलता, एसएनआर;
• परिमाणीकरण (बिटपूल) के दौरान उपयोग किए जाने वाले बिट्स के पूल का अधिकतम और न्यूनतम मान: आमतौर पर 2 से 53 तक।

डिकोडिंग डिवाइस को इन मापदंडों के किसी भी संयोजन का समर्थन करना चाहिए। एनकोडर सब कुछ लागू नहीं कर सकता है।
मौजूदा ब्लूटूथ स्टैक आम तौर पर निम्नलिखित प्रोफ़ाइल पर सहमत होते हैं: संयुक्त स्टीरियो, 8 बैंड, 16 ब्लॉक, लाउडनेस, बिटपूल 2..53। यह प्रोफ़ाइल 44.1 केबीपीएस की बिटरेट पर 328 किलोहर्ट्ज़ ऑडियो को एनकोड करती है।
बिटपूल पैरामीटर सीधे एक प्रोफ़ाइल के भीतर बिटरेट को प्रभावित करता है: यह जितना अधिक होगा, बिटरेट उतना ही अधिक होगा, और इसलिए गुणवत्ता।
हालाँकि, बिटपूल पैरामीटर किसी विशिष्ट प्रोफ़ाइल से बंधा नहीं है; बिटरेट भी काफी हद तक अन्य मापदंडों से प्रभावित होता है: चैनलों का प्रकार, आवृत्ति बैंड की संख्या, ब्लॉक की संख्या। आप बिटपूल को बदले बिना, गैर-मानक प्रोफाइल पर सहमत होकर अप्रत्यक्ष रूप से बिटरेट बढ़ा सकते हैं।

एसबीसी बिटरेट की गणना के लिए सूत्र

उदाहरण के लिए, डुअल चैनल मोड प्रत्येक चैनल के लिए संपूर्ण बिटपूल का उपयोग करके चैनलों को अलग से एन्कोड करता है। डिवाइस को संयुक्त स्टीरियो के बजाय दोहरे चैनल का उपयोग करने के लिए मजबूर करने से, हमें समान अधिकतम बिटपूल मान के साथ लगभग दोगुना बिटरेट मिलता है: 617 केबीपीएस।
मेरी राय में, बातचीत के चरण में किसी प्रोफ़ाइल से बंधे हुए बिटपूल मान का उपयोग A2DP मानक में एक दोष है, जिसके कारण SBC गुणवत्ता की कृत्रिम सीमा उत्पन्न हुई। बिटपूल के बजाय बिटरेट पर बातचीत करना अधिक उचित होगा।

ये निश्चित बिटपूल और बिटरेट मान उच्च गुणवत्ता वाले ऑडियो के उपयोग के लिए अनुशंसित मानों वाली एक तालिका से आते हैं। लेकिन कोई सिफ़ारिश खुद को इन मूल्यों तक सीमित रखने का कारण नहीं है।

A2DP v1.2 विनिर्देश, जो 2007 से 2015 तक सक्रिय था, के लिए सभी डिकोडिंग उपकरणों को 512 केबीपीएस तक बिटरेट के साथ सही ढंग से काम करने की आवश्यकता होती है:

एसएनके का डिकोडर सभी संभावित बिटपूल मानों का समर्थन करेगा जिसके परिणामस्वरूप अधिकतम बिट दर से अधिक नहीं होगा। यह प्रोफ़ाइल उपलब्ध अधिकतम बिट दर को मोनो के लिए 320kb/s और दो-चैनल मोड के लिए 512kb/s तक सीमित करती है।

स्पेसिफिकेशन के नए वर्जन में बिटरेट की कोई सीमा नहीं है। यह अनुमान लगाया गया है कि 2015 के बाद जारी किए गए आधुनिक हेडफ़ोन जो ईडीआर का समर्थन करते हैं, ≈730 केबीपीएस तक बिट दर का समर्थन कर सकते हैं।

किसी कारण से, मेरे द्वारा परीक्षण किए गए लिनक्स (पल्सऑडियो), एंड्रॉइड, ब्लैकबेरी और मैकओएस ब्लूटूथ स्टैक में बिटपूल पैरामीटर के अधिकतम मूल्य पर कृत्रिम सीमाएं हैं, जो सीधे अधिकतम बिटरेट को प्रभावित करती हैं। लेकिन यह सबसे बड़ी समस्या नहीं है; लगभग सभी हेडफ़ोन अधिकतम बिटपूल मान को 53 तक सीमित करते हैं।
जैसा कि मैंने पहले ही देखा है, अधिकांश डिवाइस 551 केबीपीएस की बिटरेट के साथ संशोधित ब्लूटूथ स्टैक पर बिना किसी रुकावट या दरार के पूरी तरह से काम करते हैं। लेकिन ऐसी बिटरेट सामान्य परिस्थितियों में, नियमित ब्लूटूथ स्टैक पर कभी भी सुसंगत नहीं होगी।

ब्लूटूथ स्टैक को संशोधित करना

कोई भी ब्लूटूथ स्टैक जो A2DP मानक के साथ संगत है, उसमें डुअल चैनल मोड के लिए समर्थन है, लेकिन इंटरफ़ेस से इसे सक्रिय करना संभव नहीं है।

आइए इंटरफ़ेस में एक टॉगल जोड़ें! मैंने एंड्रॉइड 8.1 और एंड्रॉइड 9 के लिए पैच बनाए हैं जो स्टैक में पूर्ण डुअल चैनल समर्थन जोड़ते हैं, डेव टूल्स में मोड टॉगल मेनू में एक मोड जोड़ते हैं, और डुअल चैनल-सक्षम एसबीसी का इलाज करते हैं जैसे कि वे एपीटीएक्स जैसे अतिरिक्त कोडेक थे , एएसी, या एलडीएसी (एंड्रॉइड इसे एचडी ऑडियो कहता है) ब्लूटूथ डिवाइस सेटिंग्स में एक चेकमार्क जोड़कर। यह है जो ऐसा लग रहा है:

एंड्रॉइड 9 के लिए पैच
एंड्रॉइड 8.1 के लिए पैच

जब चेकबॉक्स सक्रिय होता है, तो ब्लूटूथ ऑडियो बिटरेट पर प्रसारित होना शुरू हो जाता है 551 केबीपीएस, यदि हेडफ़ोन 3 Mbit/s की कनेक्शन गति का समर्थन करता है, या 452 केबीपीएस, यदि हेडफ़ोन केवल 2 Mbit/s का समर्थन करता है।

यह पैच निम्नलिखित वैकल्पिक फर्मवेयर में शामिल है:

• LineageOS
• पुनरुत्थान रीमिक्स
• crDroid

551 और 452 kbit/s कहाँ से आये?

ब्लूटूथ एयर-शेयरिंग तकनीक को बड़े निश्चित आकार के पैकेटों को कुशलतापूर्वक प्रसारित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। डेटा ट्रांसफर स्लॉट में होता है, एक ट्रांसफर में भेजे गए स्लॉट की सबसे बड़ी संख्या 5 है। ऐसे ट्रांसफर मोड भी हैं जो 1 या 3 स्लॉट का उपयोग करते हैं, लेकिन 2 या 4 का नहीं। 5 स्लॉट में आप एक कनेक्शन गति से 679 बाइट्स तक ट्रांसफर कर सकते हैं 2 Mbit/s और 1021 Mbit/s की गति से 3 बाइट्स तक, और क्रमशः 3 - 367 और 552 बाइट्स तक।

यदि हम 679 या 1021 बाइट्स से कम डेटा ट्रांसफर करना चाहते हैं, लेकिन 367 या 552 बाइट्स से अधिक, ट्रांसफर में अभी भी 5 स्लॉट लगेंगे और डेटा एक ही समय में ट्रांसफर हो जाएगा, जिससे ट्रांसफर दक्षता कम हो जाती है।

दोहरे चैनल मोड में एसबीसी, बिटपूल 44100 मापदंडों के साथ 38 हर्ट्ज ऑडियो पर, प्रति फ्रेम 16 ब्लॉक, 8 आवृत्ति रेंज, 164 केबीपीएस की बिटरेट के साथ ऑडियो को 452 बाइट फ्रेम में एन्कोड करता है।
ऑडियो को L2CAP और AVDTP ट्रांसफर प्रोटोकॉल में समाहित किया जाना चाहिए, जो ऑडियो पेलोड से 16 बाइट्स लेते हैं।

इस प्रकार, 5 स्लॉट वाला एक ब्लूटूथ ट्रांसमिशन 4 ऑडियो फ्रेम को समायोजित कर सकता है:

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

हम भेजे जा रहे पैकेट में 11.7 एमएस ऑडियो डेटा फिट करते हैं, जिसे 3.75 एमएस में प्रसारित किया जाएगा, और हमारे पास पैकेट में 6 अप्रयुक्त बाइट्स बचे हैं।
यदि आप बिटपूल को थोड़ा बढ़ाते हैं, तो 4 ऑडियो फ़्रेमों को एक पैकेज में पैक करना संभव नहीं होगा। आपको एक समय में 3 फ़्रेम भेजने होंगे, जिससे ट्रांसमिशन दक्षता कम हो जाती है, प्रति भेजे गए ऑडियो की मात्रा कम हो जाती है, और खराब रेडियो स्थितियों में ऑडियो तेजी से रुक जाएगा।

उसी तरह, EDR 551 Mbit/s के लिए 3 kbit/s का बिटरेट चुना गया था: बिटपूल 47 के साथ, प्रति फ़्रेम 16 ब्लॉक, 8 फ़्रीक्वेंसी रेंज, फ़्रेम का आकार 200 बाइट्स है, 551 kbit/s के बिटरेट के साथ। एक पैकेज में 5 फ़्रेम या 14.6 एमएस संगीत होता है।

सभी एसबीसी मापदंडों की गणना के लिए एल्गोरिथ्म काफी जटिल है, यदि आप मैन्युअल रूप से गिनती करते हैं तो आप आसानी से भ्रमित हो सकते हैं, इसलिए मैंने रुचि रखने वालों की मदद के लिए एक इंटरैक्टिव कैलकुलेटर बनाया: btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-bitrate-calculator

यह सब क्यों आवश्यक है?

एपीटीएक्स कोडेक की ध्वनि गुणवत्ता के बारे में आम धारणा के विपरीत, कुछ फ़ाइलों पर यह 328 केबीपीएस के मानक बिटरेट के साथ एसबीसी से भी बदतर परिणाम दे सकता है।

एसबीसी गतिशील रूप से निम्न-से-उच्च आधार पर आवृत्ति बैंड को परिमाणीकरण बिट्स आवंटित करता है। यदि सभी बिटरेट का उपयोग निम्न और मध्य आवृत्तियों के लिए किया गया था, तो उच्च आवृत्तियों को "काट दिया जाएगा" (इसके बजाय वहां सन्नाटा होगा)।
एपीटीएक्स हर समय समान संख्या में बिट्स के साथ आवृत्ति बैंड की मात्रा निर्धारित करता है, यही कारण है कि इसमें एक स्थिर बिटरेट होता है: 352 किलोहर्ट्ज़ के लिए 44.1 केबीपीएस, 384 किलोहर्ट्ज़ के लिए 48 केबीपीएस, और यह उन आवृत्तियों पर "बिट-शिफ्ट" नहीं कर सकता है जिन्हें उनकी सबसे अधिक आवश्यकता है . एसबीसी के विपरीत, एपीटीएक्स आवृत्तियों को "काट" नहीं करेगा, लेकिन उनमें परिमाणीकरण शोर जोड़ देगा, ऑडियो की गतिशील रेंज को कम कर देगा, और कभी-कभी विशेषता क्रैकिंग शुरू कर देगा। एसबीसी "विवरण खाता है" - सबसे शांत क्षेत्रों को त्याग देता है।
औसतन, SBC 328k की तुलना में, aptX व्यापक आवृत्ति रेंज वाले संगीत में कम विरूपण पेश करता है, लेकिन संकीर्ण आवृत्ति रेंज और विस्तृत गतिशील रेंज वाले संगीत में, SBC 328k कभी-कभी जीत जाता है।

आइये एक विशेष मामले पर विचार करें. पियानो बजाने की रिकॉर्डिंग का स्पेक्ट्रोग्राम:

मुख्य ऊर्जा 0 से 4 kHz तक की आवृत्तियों में निहित होती है, और 10 kHz तक जारी रहती है।
एपीटीएक्स में संपीड़ित फ़ाइल का स्पेक्ट्रोग्राम इस तरह दिखता है:

और SBC 328k ऐसा दिखता है।

यह देखा जा सकता है कि SBC 328k समय-समय पर 16 kHz से ऊपर की रेंज को पूरी तरह से बंद कर देता है, और इस मान से नीचे की रेंज पर सभी उपलब्ध बिटरेट खर्च करता है। हालाँकि, एपीटीएक्स ने मानव कान के लिए श्रव्य आवृत्ति स्पेक्ट्रम में अधिक विकृति पेश की, जैसा कि एपीटीएक्स स्पेक्ट्रोग्राम से घटाए गए मूल स्पेक्ट्रोग्राम में देखा जा सकता है (जितनी अधिक चमक, उतनी अधिक विकृति):

जबकि SBC 328k ने 0 से 10 kHz की सीमा में सिग्नल को कम खराब किया, और बाकी को काट दिया:

SBC की 485k बिटरेट, बैंड को अक्षम किए बिना, संपूर्ण फ़्रीक्वेंसी रेंज को संरक्षित करने के लिए पर्याप्त थी।

SBC 485k 0-15 kHz रेंज में इस ट्रैक पर aptX से काफी आगे है, 15-22 kHz के छोटे लेकिन फिर भी ध्यान देने योग्य अंतर के साथ (जितना गहरा उतना कम विरूपण):

मूल ऑडियो, एसबीसी और एपीटीएक्स का पुरालेख.

उच्च-बिटरेट एसबीसी पर स्विच करने पर, आपको वह ऑडियो मिलेगा जो अक्सर किसी भी हेडफ़ोन पर एपीटीएक्स को मात देता है। 3 एमबीपीएस ईडीआर कनेक्टिविटी का समर्थन करने वाले हेडफ़ोन पर, 551 केबीपीएस का बिटरेट एपीटीएक्स एचडी के बराबर ध्वनि उत्पन्न करता है।

क्या आप और भी अधिक कर सकते हैं?

एंड्रॉइड पैच में 2 एमबीपीएस ईडीआर उपकरणों के लिए बिटरेट को और बढ़ाने का विकल्प भी शामिल है। आप कठिन रेडियो स्थितियों में ट्रांसमिशन स्थिरता को कम करने की कीमत पर बिटरेट को 452 kbit/s से 595 kbit/s तक बढ़ा सकते हैं।
यहpersist.bluetooth.sbc_hd_higher_bitrate वेरिएबल को 1 पर सेट करने के लिए पर्याप्त है:

# setprop persist.bluetooth.sbc_hd_higher_bitrate 1

चरम बिटरेट पैच को अब तक केवल LineageOS 15.1 में अपनाया गया है, लेकिन 16.0 में नहीं।

डिवाइस अनुकूलता

एसबीसी डुअल चैनल लगभग सभी हेडफ़ोन, स्पीकर और कार हेड इकाइयों द्वारा समर्थित है। यह कोई आश्चर्य की बात नहीं है - मानक को किसी भी डिकोडिंग डिवाइस में इसके समर्थन की आवश्यकता होती है। ऐसे बहुत कम संख्या में डिवाइस हैं जिन पर यह मोड समस्याएँ पैदा करता है, लेकिन ये अलग-अलग उदाहरण हैं।
संगत उपकरणों के बारे में अधिक विवरण यहां पाया जा सकता है w4bsitXNUMX-dns.com या XDA डेवलपर्स.

ध्वनि अंतर की तुलना

मैंने एक वेब सेवा बनाई जो वास्तविक समय में, सीधे ब्राउज़र में ऑडियो को एसबीसी (साथ ही एपीटीएक्स और एपीटीएक्स एचडी) में एन्कोड करती है। इसके साथ, आप किसी भी वायर्ड हेडफ़ोन, स्पीकर और अपने पसंदीदा संगीत पर ब्लूटूथ के माध्यम से ऑडियो प्रसारित किए बिना, विभिन्न एसबीसी प्रोफाइल और अन्य कोडेक्स की ध्वनि की तुलना कर सकते हैं, और ऑडियो चलाते समय सीधे एन्कोडिंग पैरामीटर भी बदल सकते हैं।
btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-encoder

Android डेवलपर्स से संपर्क करें

मैंने Google के कई ब्लूटूथ स्टैक डेवलपर्स को लिखा और उनसे मुख्य Android शाखा - AOSP में पैच शामिल करने पर विचार करने के लिए कहा, लेकिन एक भी प्रतिक्रिया नहीं मिली। मेरे पैच इन एंड्रॉइड के लिए गेरिट पैच सिस्टम इसमें शामिल किसी भी व्यक्ति की ओर से कोई टिप्पणी नहीं की गई।
मुझे खुशी होगी अगर मुझे Google के डेवलपर्स से संपर्क करने और एंड्रॉइड पर एसबीसी एचडी लाने में कुछ मदद मिल सके। गेरिट में पैच पहले से ही पुराना है (यह शुरुआती संशोधनों में से एक है), और यदि डेवलपर्स मेरे परिवर्तनों में रुचि रखते हैं तो मैं इसे अपडेट कर दूंगा (मेरे लिए इसे अपडेट करना आसान नहीं है, मेरे पास एंड्रॉइड क्यू के साथ संगत डिवाइस नहीं हैं) ).

निष्कर्ष

LineageOS, Resurrection Remix और crDroid फर्मवेयर वाले स्मार्टफोन के उपयोगकर्ता अभी बेहतर ध्वनि गुणवत्ता का आनंद ले सकते हैं, बस ब्लूटूथ डिवाइस सेटिंग्स में विकल्प को सक्रिय करें। लिनक्स उपयोगकर्ता इंस्टॉल करके बढ़ी हुई एसबीसी बिटरेट भी प्राप्त कर सकते हैं पाली रोहर से पैच, जो अन्य बातों के अलावा, एपीटीएक्स, एपीटीएक्स एचडी और फास्टस्ट्रीम कोडेक्स के लिए समर्थन जोड़ता है।

स्रोत: www.habr.com