Zbog masovne proizvodnje pametnih telefona bez 3.5 mm audio priključka, bežične Bluetooth slušalice za mnoge su postale glavni način slušanja glazbe i komunikacije u načinu rada sa slušalicama.
Proizvođači bežičnih uređaja ne pišu uvijek detaljne specifikacije proizvoda, a članci o Bluetooth zvuku na internetu su kontradiktorni, ponekad netočni, ne govore o svim značajkama i često kopiraju iste informacije koje ne odgovaraju stvarnosti.
Pokušajmo razumjeti protokol, mogućnosti Bluetooth OS skupova, slušalica i zvučnika, Bluetooth kodeke za glazbu i govor, saznajmo što utječe na kvalitetu emitiranog zvuka i latenciju, naučimo kako prikupiti i dekodirati informacije o podržanim kodecima i drugim uređajima mogućnostima.

TL; DR:

• SBC - normalni kodek
• Slušalice imaju svoj ekvilajzer i postprocesiranje za svaki kodek posebno
• aptX nije tako dobar kao što se reklamira
• LDAC je marketinško sranje
• Kvaliteta poziva i dalje je loša
• Možete ugraditi C audio kodere u svoj preglednik tako što ćete ih kompajlirati u WebAssembly putem emscriptena, i oni neće puno usporiti.

Glazba putem Bluetootha

Funkcionalna komponenta Bluetootha određena je profilima - specifikacijama specifičnih funkcija. Bluetooth strujanje glazbe koristi visokokvalitetni A2DP profil jednosmjernog prijenosa zvuka. A2DP standard usvojen je 2003. godine i od tada se nije značajno mijenjao.
Unutar profila standardiziran je 1 obvezni kodek niske računalne složenosti SBC, kreiran posebno za Bluetooth, te 3 dodatna. Također je moguće koristiti nedokumentirane kodeke vlastite implementacije.

Od lipnja 2019. jesmo u stripu xkcd sa 14 A2DP kodeka:

• SBC ← standardizirano u A2DP, podržano na svim uređajima
• MPEG-1/2 Layer 1/2/3 ← standardizirano u A2DP: dobro poznato MP3, koristi se u digitalnoj televiziji MP2, i nepoznato MP1
• MPEG-2/4 AAC ← standardizirano u A2DP
• PRIVLAČITI ← stari kodek tvrtke Sony, standardiziran u A2DP
• LDAC ← novi kodek tvrtke Sony
• aptX ← kodek iz 1988
• aptX-HD ← isto kao aptX, samo s različitim opcijama kodiranja
• aptX Niska latencija ← potpuno drugačiji kodek, bez implementacije softvera
• aptX Prilagodljiv ← još jedan kodek tvrtke Qualcomm
• FastStream ← pseudo kodek, dvosmjerna SBC modifikacija
• HWA LHDC ← novi kodek tvrtke Huawei
• Samsung HD ← podržavaju 2 uređaja
• Samsung Scalable ← podržavaju 2 uređaja
• Samsung UHQ-BT ← podržavaju 3 uređaja

Zašto su nam uopće potrebni kodeci, pitate se, kada Bluetooth ima EDR koji omogućuje prijenos podataka brzinama od 2 i 3 Mbit/s, a za nekomprimirani dvokanalni 16-bitni PCM dovoljno je 1.4 Mbit/s?

Prijenos podataka putem Bluetootha

Postoje dvije vrste prijenosa podataka u Bluetoothu: Asynchronous Connection Less (ACL) za asinkroni prijenos bez uspostavljanja veze i Synchronous Connection Oriented (SCO), za sinkroni prijenos s preliminarnim pregovorima o vezi.
Prijenos se provodi pomoću sheme vremenske podjele i odabirom kanala prijenosa za svaki paket posebno (Frequency-Hop/Time-Division-Duplex, FH/TDD), za koje se vrijeme dijeli na intervale od 625 mikrosekundi koji se nazivaju slotovi. Jedan od uređaja odašilje u utorima s parnim brojevima, a drugi u utorima s neparnim brojevima. Odaslani paket može zauzeti 1, 3 ili 5 slotova, ovisno o veličini podataka i postavljenoj vrsti prijenosa, u ovom slučaju se prijenos od strane jednog uređaja vrši u parnim i neparnim slotovima do kraja prijenosa. Ukupno se može primiti i poslati do 1600 paketa u sekundi, ako svaki od njih zauzima 1 slot, a oba uređaja šalju i primaju nešto bez prestanka.

2 i 3 Mbit/s za EDR, koje možete pronaći u najavama i na Bluetooth web stranici, maksimalne su kanalne brzine prijenosa svih podataka ukupno (uključujući tehnička zaglavlja svih protokola u kojima se podaci moraju enkapsulirati), u dva smjera istovremeno. Stvarna brzina prijenosa podataka uvelike će varirati.

Za prijenos glazbe koristi se asinkrona metoda, gotovo uvijek koristeći pakete poput 2-DH5 i 3-DH5, koji prenose maksimalnu količinu podataka u EDR modu od 2 Mbit/s odnosno 3 Mbit/s, i zauzimaju 5 vremena - dijeljenje mjesta.

Shematski prikaz prijenosa pomoću 5 utora na jednom uređaju i 1 utora na drugom (DH5/DH1):


Zbog principa vremenske podjele etera, nakon odašiljanja paketa prisiljeni smo čekati vremenski odsječak od 625 mikrosekundi ako nam drugi uređaj ne odašilje ništa ili odašilje mali paket, a više vremena ako drugi uređaj odašilje u velikim paketima. Ako je na telefon spojeno više od jednog uređaja (na primjer, slušalice, satovi i narukvica za fitness), tada se vrijeme prijenosa dijeli između svih njih.

Potreba za enkapsulacijom zvuka u posebne transportne protokole L2CAP i AVDTP uzima 16 bajtova od moguće maksimalne količine prenesenog audio tereta.

Vrsta paketa
Broj utora
Maks. broj bajtova u paketu
Maks. broj bajtova A2DP korisnog opterećenja
Maks. A2DP brzina prijenosa

2-DH3
3
367
351
936 kbps

3-DH3
3
552
536
1429 kbps

2-DH5
5
679
663
1414 kbps

3-DH5
5
1021
1005
2143 kbps

1414 i 1429 kbps definitivno nisu dovoljni za prijenos nekomprimiranog zvuka u stvarnim uvjetima, uz šumni raspon od 2.4 GHz i potrebu za prijenosom servisnih podataka. EDR 3 Mbit/s zahtijeva snagu prijenosa i buku u eteru, stoga je čak iu 3-DH5 načinu rada udoban PCM prijenos nemoguć, uvijek će biti kratkotrajnih prekida i sve će raditi samo na udaljenosti od par metara.
U praksi je čak i audio tok od 990 kbit/s (LDAC 990 kbit/s) teško prenijeti.

Vratimo se kodecima.

SBC

Kodek potreban za sve uređaje koji podržavaju A2DP standard. Najbolji i najgori kodek u isto vrijeme.

Stopa uzorkovanja
Dubina bita
Bitrate
Podrška za kodiranje
Podrška za dekodiranje

16, 32, 44.1, 48 kHz
16 bit
10-1500 kbps
Svi uređaji
Svi uređaji

SBC je jednostavan i računalno brz kodek, s primitivnim psihoakustičkim modelom (primjenjuje se samo maskiranje tihih zvukova), koristeći adaptivnu pulsno kodnu modulaciju (APCM).
A2DP specifikacija preporučuje dva profila za upotrebu: srednje kvalitete i visoke kvalitete.


Kodek ima mnogo postavki koje vam omogućuju kontrolu algoritamske odgode, broja uzoraka u bloku, algoritma distribucije bitova, ali gotovo svugdje se koriste isti parametri preporučeni u specifikaciji: Joint Stereo, 8 frekvencijskih pojaseva, 16 blokova u audio okvir, metoda distribucije bitova glasnoće.
SBC podržava dinamičku promjenu parametra Bitpool, što izravno utječe na bitrate. Ako su zračni valovi začepljeni, paketi su izgubljeni ili su uređaji smješteni na velikim udaljenostima, izvor zvuka može smanjiti Bitpool dok se komunikacija ne vrati u normalu.

Većina proizvođača slušalica postavlja maksimalnu Bitpool vrijednost na 53, što ograničava brzinu prijenosa na 328 kilobita u sekundi kada se koristi preporučeni profil.
Čak i ako je proizvođač slušalica postavio maksimalnu Bitpool vrijednost iznad 53 (takvi modeli se nalaze, na primjer: Beats Solo³, JBL Everest Elite 750NC, Apple AirPods, također se nalaze na nekim prijemnicima i glavnim jedinicama automobila), tada većina OS-a neće dopustiti korištenje povećanih brzina prijenosa zbog postavljenog internog ograničenja vrijednosti u Bluetooth skupovima.
Osim toga, neki proizvođači postavljaju maksimalnu Bitpool vrijednost na nisku za neke uređaje. Na primjer, za Bluedio T je 39, za Samsung Gear IconX je 37, što daje lošu kvalitetu zvuka.

Umjetna ograničenja od strane programera Bluetooth skupova najvjerojatnije su nastala zbog nekompatibilnosti nekih uređaja s velikim Bitpool vrijednostima ili atipičnim profilima, čak i ako su prijavili podršku za njih, te nedovoljnog testiranja tijekom certifikacije. Autorima Bluetooth skupova bilo je lakše ograničiti se na dogovor oko preporučenog profila, umjesto stvaranja baza podataka neispravnih uređaja (iako sada to čine za druge neispravne funkcije).

SBC dinamički dodjeljuje kvantizacijske bitove frekvencijskim pojasima na bazi od niskog do visokog, s različitim težinama. Ako je sva brzina prijenosa bila korištena za niske i srednje frekvencije, visoke frekvencije će biti "odsječene" (umjesto toga bit će tišina).

Primjer SBC 328 kbps. Na vrhu je izvornik, na dnu je SBC, povremeno se prebacujući između zapisa. Zvuk u videodatoteci koristi FLAC kompresijski kodek bez gubitaka. Korištenje FLAC-a u mp4 spremniku nije službeno standardizirano, tako da nije zajamčeno da će ga vaš preglednik reproducirati, ali trebao bi raditi u najnovijim verzijama stolnog Chromea i Firefoxa. Ako nemate zvuk, možete preuzeti datoteku i otvoriti je u punom video playeru.
ZZ Top - Oštro odjeven muškarac

Spektrogram pokazuje trenutak prebacivanja: SBC povremeno reže tihe zvukove iznad 17.5 kHz i uopće ne dodjeljuje bitove za pojas iznad 20 kHz. Puni spektrogram dostupan je klikom (1.7 MB).

Ne čujem nikakvu razliku između originala i SBC-a na ovoj stazi.

Uzmimo nešto novije i simulirajmo zvuk koji bi se dobio korištenjem Samsung Gear IconX slušalica s Bitpool 37 (gore - originalni signal, ispod - SBC 239 kbps, zvuk u FLAC-u).
Bezumno samozadovoljavanje - svjedok

U visokim frekvencijama vokala čujem pucketanje, slabiji stereo efekt i neugodno "zveckanje".

Iako je SBC vrlo fleksibilan kodek, može se konfigurirati za nisku latenciju, pruža izvrsnu kvalitetu zvuka pri visokim brzinama prijenosa (452+ kbps) i prilično je dobar za većinu ljudi pri standardnoj visokoj kvaliteti (328 kbps), zbog činjenice da standard A2DP ne specificira fiksne profile (već samo daje preporuke), programeri skupa postavili su umjetna ograničenja za Bitpool, parametri prenesenog zvuka nisu prikazani u korisničkom sučelju, a proizvođači slušalica mogu slobodno postavljati vlastite postavke i nikada navedite Bitpool vrijednost u tehničkim specifikacijama proizvoda, kodek je postao poznat po niskoj kvaliteti zvuka, iako to nije problem kodeka kao takvog.
Parametar Bitpool izravno utječe na bitrate samo unutar jednog profila. Ista Bitpool 53 vrijednost može dati i bitrate od 328 kbps s preporučenim profilom visoke kvalitete i 1212 kbps s Dual Channel i 4 frekvencijska pojasa, zbog čega su autori OS-a, osim ograničenja za Bitpool, postavili ograničenje i na Bitrate. Kako vidim, ova situacija je nastala zbog greške u standardu A2DP: bilo je potrebno pregovarati o bitrateu, a ne o Bitpoolu.

Tablica podrške za SBC mogućnosti u različitim OS-ima:

operativni sustav
Podržane stope uzorkovanja
Ograničenje maks. Bitpool
Ograničenje maks. Bitrate
Tipična brzina prijenosa
Bitpool dinamička prilagodba

Windows 10
44.1 kGc
53
512 kbps
328 kbps
✓*

Linux (BlueZ + PulseAudio)
16, 32, 44.1, 48 kHz
64 (za dolazne veze), 53 (za odlazne veze)
Nema ograničenja
328 kbps
✓*

MacOS Visoka Sierra
44.1 kGc
64, zadano 53***
nepoznat
328 kbps
✗

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

Android 4.1-4.3.1
44.1, 48 kHz**
53
229 kbps
229 kbps
✗

BlackBerry OS 10
48 kGc
53
Nema ograničenja
328 kbps
✗

* Bitpool se samo smanjuje, ali ne povećava automatski, ako se uvjeti prijenosa poboljšaju. Za vraćanje Bitpoola trebate zaustaviti reprodukciju, pričekati nekoliko sekundi i ponovno pokrenuti zvuk.
** Zadana vrijednost ovisi o postavkama hrpe navedenih prilikom kompajliranja firmvera. U Androidu 8/8.1 frekvencija je samo 44.1 kHz ili 48 kHz, ovisno o postavkama tijekom kompilacije, u drugim verzijama 44.1 kHz i 48 kHz podržani su istovremeno.
*** Bitpool vrijednost može se povećati u programu Bluetooth Explorer.

aptX i aptX HD

aptX je jednostavan i računalno brz kodek, bez psihoakustike, koji koristi adaptivnu diferencijalnu pulsno kodnu modulaciju (ADPCM). Pojavilo se oko 1988. (datum podnošenja patent od veljače 1988.), prije Bluetootha, koristio se prvenstveno u profesionalnoj bežičnoj audio opremi. Trenutačno u vlasništvu Qualcomma, zahtijeva licenciranje i tantijeme. Od 2014.: 6000 1 USD jednokratno i ≈ 10000 USD po uređaju, za serije do XNUMX XNUMX uređaja (izvor, str. 16).
aptX i aptX HD su isti kodek, s različitim profilima kodiranja.

Kodek ima samo jedan parametar - odabir frekvencije uzorkovanja. Postoji, međutim, izbor broja/načina kanala, ali u svim meni poznatim uređajima (70+ komada) podržan je samo Stereo.

kodek
Stopa uzorkovanja
Dubina bita
Bitrate
Podrška za kodiranje
Podrška za dekodiranje

aptX
16, 32, 44.1, 48 kHz
16 bit
128 / 256 / 352 / 384 kbps (ovisno o brzini uzorkovanja)
Windows 10 (stolno i mobilno računalo), macOS, Android 4.4+/7*, Blackberry OS 10
Širok izbor audio uređaja (hardver)

* Verzije do 7 zahtijevaju modifikaciju Bluetooth skupa. Kodek je podržan samo ako je proizvođač Android uređaja licencirao kodek od Qualcomma (ako OS ima biblioteke za kodiranje).

aptX dijeli audio u 4 frekvencijska pojasa i stalno ih kvantizira s istim brojem bitova: 8 bita za 0-5.5 kHz, 4 bita za 5.5-11 kHz, 2 bita za 11-16.5 kHz, 2 bita za 16.5-22 kHz ( brojke za brzinu uzorkovanja 44.1 kHz).

Primjer aptX zvuka (na vrhu - originalni signal, na dnu - aptX, spektrogrami samo lijevih kanala, zvuk u FLAC):

Visoki su postali malo crveniji, ali se nije mogla čuti razlika.

Zbog fiksne distribucije kvantizacijskih bitova, kodek ne može "pomaknuti bitove" na frekvencije koje ih najviše trebaju. Za razliku od SBC-a, aptX neće "rezati" frekvencije, već će im dodati šum kvantizacije, smanjujući dinamički raspon zvuka.

Ne treba pretpostaviti da korištenje, na primjer, 2 bita po pojasu smanjuje dinamički raspon na 12 dB: ADPCM dopušta do 96 dB dinamičkog raspona čak i kada se koriste 2 bita kvantizacije, ali samo za određeni signal.
ADPCM pohranjuje numeričku razliku između trenutnog uzorka i sljedećeg uzorka, umjesto pohranjivanja apsolutne vrijednosti kao u PCM-u. To vam omogućuje smanjenje zahtjeva za brojem bitova potrebnih za pohranjivanje istih (bez gubitka) ili gotovo istih (s relativno malom pogreškom zaokruživanja) informacija. Kako bi se smanjile pogreške zaokruživanja, koriste se tablice koeficijenata.
Prilikom izrade kodeka, autori su izračunali ADPCM koeficijente na skupu glazbenih audio datoteka. Što je audio signal bliži skupu glazbe na temelju kojeg su tablice izgrađene, aptX stvara manje grešaka kvantizacije (šuma).

Zbog toga će sintetički testovi uvijek dati lošije rezultate od glazbe. Napravio sam poseban sintetički primjer u kojem aptX pokazuje loše rezultate - sinusni val s frekvencijom od 12.4 kHz (iznad - originalni signal, ispod - aptX. Audio u FLAC-u. Smanjite glasnoću!):

Grafikon spektra:


Zvukovi se jasno čuju.

Međutim, ako generirate sinusni val s manjom amplitudom tako da bude tiši, buka će također postati tiša, što ukazuje na širok dinamički raspon:

Da biste čuli razliku između originalnog glazbenog zapisa i komprimiranog, možete obrnuti jedan od signala i dodati zapise kanal po kanal. Ovaj je pristup općenito neispravan i ne bi dao razumne rezultate sa složenijim kodecima, ali posebno za ADPCM sasvim je prikladan.
Razlika između originala i aptX-a
Prosječna kvadratna razlika signala je na razini -37.4 dB, što nije puno za tako komprimiranu glazbu.

aptX-HD

aptX HD nije samostalni kodek - to je poboljšani profil kodiranja kodeka aptX. Promjene su utjecale na broj bitova dodijeljenih za frekvencijske raspone kodiranja: 10 bita za 0-5.5 kHz, 6 bita za 5.5-11 kHz, 4 bita za 11-16.5 kHz, 4 bita za 16.5-22 kHz (znamenke za 44.1 kHz) .

kodek
Stopa uzorkovanja
Dubina bita
Bitrate
Podrška za kodiranje
Podrška za dekodiranje

aptX-HD
16, 32, 44.1, 48 kHz
24 bita
192 / 384 / 529 / 576 kbps (ovisno o brzini uzorkovanja)
Android 8+*
Neki audio uređaji (hardver)

* Verzije do 7 zahtijevaju modifikaciju Bluetooth skupa. Kodek je podržan samo ako je proizvođač Android uređaja licencirao kodek od Qualcomma (ako OS ima biblioteke za kodiranje).

Manje uobičajeno od aptX-a: očito zahtijeva zasebno licenciranje od Qualcomma i zasebne naknade za licencu.

Ponovimo primjer sa sinusnim valom na 12.4 kHz:


Puno bolji od aptX-a, ali još uvijek pomalo bučan.

aptX Niska latencija

Kodek iz Qualcomma koji nema ništa zajedničko sa standardnim aptX i aptX HD, sudeći prema ograničenim informacijama ljudi koji su uključeni u njegov razvoj. Dizajniran za interaktivni prijenos zvuka niske latencije (filmovi, igre), gdje se kašnjenje zvuka ne može prilagoditi softverom. Ne postoje poznate softverske implementacije enkodera i dekodera; podržavaju ih isključivo odašiljači, prijamnici, slušalice i zvučnici, ali ne i pametni telefoni i računala.

Stopa uzorkovanja
Bitrate
Podrška za kodiranje
Podrška za dekodiranje

44.1 kGc
276/420 kbps
Neki odašiljači (hardver)
Neki audio uređaji (hardver)

AAC

AAC ili Advanced Audio Coding računalno je složen kodek s ozbiljnim psihoakustičkim modelom. Često se koristi za audio na Internetu, drugi po popularnosti nakon MP3-a. Zahtijeva licenciranje i tantijeme: 15000 USD jednokratno (ili 1000 USD za tvrtke s manje od 15 zaposlenika) + 0.98 USD za prvih 500000 uređaja (izvor).
Kodek je standardiziran unutar specifikacija MPEG-2 i MPEG-4 i, suprotno uvriježenom pogrešnom mišljenju, ne pripada Appleu.

Stopa uzorkovanja
Bitrate
Podrška za kodiranje
Podrška za dekodiranje

8 - 96 kHz
8 - 576 kbps (za stereo), 256 - 320 kbps (tipično za Bluetooth)
macOS, Android 7+*, iOS
Širok izbor audio uređaja (hardver)

* samo na uređajima čiji su proizvođači platili naknade za licenciranje

iOS i macOS koriste trenutno najbolji Appleov AAC koder za isporuku najviše moguće kvalitete zvuka. Android koristi drugi po kvaliteti Fraunhofer FDK AAC koder, ali može koristiti različit hardver ugrađen u platformu (SoC) s nepoznatom kvalitetom kodiranja. Prema nedavnim testovima na web stranici SoundGuys, kvaliteta AAC kodiranja različitih Android telefona uvelike varira:

Većina bežičnih audio uređaja ima najveću brzinu prijenosa od 320 kbps za AAC, neki podržavaju samo 256 kbps. Ostale brzine prijenosa su iznimno rijetke.
AAC pruža izvrsnu kvalitetu pri brzini prijenosa od 320 i 256 kbps, ali podliježe gubitak sekvencijalnog kodiranja već komprimiranog sadržaja, međutim, teško je čuti bilo kakve razlike u odnosu na izvornik na iOS-u pri brzini prijenosa od 256 kbps čak i s nekoliko sekvencijalnih kodiranja; kod jednog kodiranja, na primjer, MP3 320 kbps do AAC 256 kbps, gubici se mogu zanemariti.
Kao i kod drugih Bluetooth kodeka, svaka se glazba prvo dekodira, a zatim kodekom. Kada slušate glazbu u AAC formatu, operativni sustav je prvo dekodira, zatim ponovno kodira u AAC za prijenos putem Bluetootha. Ovo je neophodno za miješanje više audio tokova, kao što su glazba i obavijesti o novim porukama. iOS nije iznimka. Na internetu možete pronaći mnoge izjave da se na iOS-u glazba u AAC formatu ne transkodira kada se prenosi putem Bluetootha, što nije točno.

MP1/2/3

Kodeci obitelji MPEG-1/2 Part 3 sastoje se od dobro poznatog i naširoko korištenog MP3, manje uobičajenog MP2 (koji se uglavnom koristi u digitalnoj TV i radiju) i potpuno nepoznatog MP1.

Stari MP1 i MP2 kodeci uopće nisu podržani: nisam mogao pronaći slušalice ili Bluetooth skup koji bi ih kodirao ili dekodirao.
MP3 dekodiranje podržavaju neke slušalice, ali kodiranje nije podržano ni na jednom modernom operativnom sustavu. Čini se da BlueSoleil stack treće strane za Windows može kodirati u MP3 ako ručno promijenite konfiguracijsku datoteku, ali za mene njegova instalacija dovodi do BSoD-a na Windows 10. Zaključak - kodek se zapravo ne može koristiti za Bluetooth audio.
Prethodno, 2006.-2008., prije širenja A2DP standarda u uređajima, ljudi su slušali MP3 glazbu na Nokia BH-501 slušalicama putem programa MSI BluePlayer, koji je bio dostupan na Symbianu i Windows Mobileu. U to je vrijeme OS arhitektura pametnih telefona dopuštala pristup mnogim funkcijama niske razine, a na Windows Mobile čak je bilo moguće instalirati Bluetooth skupove trećih strana.

Posljednji patent MP3 kodeka je istekao; korištenje kodeka ne zahtijeva naknade za licenciranje od 23. travnja 2017.

Ako se kao mjera uzme najdugovječniji patent spomenut u gore navedenim referencama, onda je MP3 tehnologija postala bez patenata u Sjedinjenim Državama 16. travnja 2017. kada je američki patent 6,009,399, čiji je vlasnik i kojim upravlja Technicolor, istekao.

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

Stopa uzorkovanja
Bitrate
Podrška za kodiranje
Podrška za dekodiranje

16 - 48 kHz
8 - 320 kbps
Nigdje nije podržano
Neki audio uređaji (hardver)

LDAC

Novi i aktivno promovirani "Hi-Res" kodek tvrtke Sony, podržava brzine uzorkovanja do 96 kHz i 24-bita, s brzinama prijenosa do 990 kbps. Reklamira se kao audiofilski kodek, kao zamjena za postojeće Bluetooth kodeke. Ima funkciju adaptivne prilagodbe brzine prijenosa, ovisno o uvjetima radijskog emitiranja.

LDAC koder (libldac) uključen je u standardni Android paket, tako da je kodiranje podržano na bilo kojem Android pametnom telefonu počevši od OS verzije 8. Ne postoje besplatno dostupni softverski dekoderi, specifikacija kodeka nije dostupna široj javnosti, međutim, na prvi pogled na koder, unutarnja struktura kodeka je slična ATRAC9 - Sonyjev kodek koji se koristi u PlayStationu 4 i Viti: oba rade u frekvencijskoj domeni, koriste modificiranu diskretnu kosinusnu transformaciju (MDCT) i kompresiju pomoću Huffmanovog algoritma.

LDAC podršku pružaju gotovo isključivo Sony slušalice. Mogućnost dekodiranja LDAC-a ponekad se nalazi na slušalicama i DAC-ovima drugih proizvođača, ali vrlo rijetko.

Stopa uzorkovanja
Bitrate
Podrška za kodiranje
Podrška za dekodiranje

44.1 - 96 kHz
303/606/909 kbit/s (za 44.1 i 88.2 kHz), 330/660/990 kbit/s (za 48 i 96 kHz)
Android 8 +
Neke Sony slušalice i neki uređaji drugih proizvođača (hardver)

Oglašavanje LDAC-a kao Hi-Res kodeka šteti njegovoj tehničkoj komponenti: glupo je trošiti bitrate na prijenos frekvencija nečujnih ljudskom uhu i povećanje dubine bita, a nije dovoljno za prijenos CD kvalitete (44.1/16) bez gubitaka . Srećom, kodek ima dva načina rada: CD audio prijenos i Hi-Res audio prijenos. U prvom slučaju samo 44.1 kHz/16 bita se prenosi putem zraka.

Budući da softverski LDAC dekoder nije slobodno dostupan, nemoguće je testirati kodek bez dodatnih uređaja koji dekodiraju LDAC. Prema rezultatima LDAC testa na DAC-u sa svojom podrškom, koji su inženjeri SoundGuys.com spojili preko digitalnog izlaza i snimili izlazni zvuk na testne signale, LDAC 660 i 990 kbps u načinu rada CD-kvalitete pruža signal-to- omjer šuma nešto bolji od onog kod aptX HD.

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

LDAC također podržava dinamičke bitrate izvan utvrđenih profila - od 138 kbps do 990 kbps, ali koliko ja mogu reći, Android koristi samo standardizirane profile 303/606/909 i 330/660/990 kbps.

Ostali kodeci

Drugi A2DP kodeci nisu široko korišteni. Njihova podrška je ili gotovo potpuno odsutna ili je dostupna samo na određenim modelima slušalica i pametnih telefona.
ATRAC kodek standardiziran u A2DP nikada nije korišten kao Bluetooth kodek čak ni od strane samog Sonya, Samsung HD, Samsung Scalable i Samsung UHQ-BT kodeci imaju vrlo ograničenu podršku od uređaja za odašiljanje i prijam, a HWA LHDC je previše nov i podržava samo tri (?) uređaji.

Podrška za kodek za audio uređaje

Ne objavljuju svi proizvođači točne informacije o kodecima koje podržavaju određene bežične slušalice, zvučnici, prijemnici ili odašiljači. Ponekad se dogodi da je podrška za određeni kodek samo za prijenos, ali ne i za prijem (relevantno za kombinirane odašiljače-prijemnike), iako proizvođač jednostavno deklarira "podršku", bez napomena (pretpostavljam da je odvojeno licenciranje kodera i dekodera nekih kodeci su krivi za to). U najjeftinijim uređajima možda uopće nećete pronaći deklariranu aptX podršku.

Nažalost, sučelja većine operativnih sustava nigdje ne prikazuju korišteni kodek. Informacije o tome dostupne su samo u Androidu, počevši od verzije 8, i macOS-u. Međutim, čak iu tim operativnim sustavima bit će prikazani samo oni kodeci koje podržavaju i telefon/računalo i slušalice.

Kako možete saznati koje kodeke vaš uređaj podržava? Snimite i analizirajte izmet prometa s A2DP pregovaračkim parametrima!
To se može učiniti na Linuxu, macOS-u i Androidu. Na Linuxu možete koristiti Wireshark ili hcidump, na macOS-u možete koristiti Bluetooth Explorer, a na Androidu možete koristiti standardnu ​​Bluetooth HCI funkciju spremanja dumpa, koja je dostupna u alatima za razvojne programere. Dobit ćete ispis u btsnoop formatu koji se može učitati u Wireshark analizator.
Imajte na umu: ispravan dump možete dobiti samo spajanjem telefona/računala na slušalice/zvučnike (ma koliko to smiješno zvučalo)! Slušalice mogu samostalno uspostaviti vezu s telefonom, pri čemu će od telefona tražiti popis kodeka, a ne obrnuto. Kako biste bili sigurni da je ispravan ispis snimljen, prvo rasparite uređaj, a zatim uparite telefon sa slušalicama dok snimate ispis.

Upotrijebite sljedeći filtar prikaza za filtriranje nevažnog prometa:

btavdtp.signal_id

Kao rezultat, trebali biste vidjeti nešto slično ovome:

Možete kliknuti svaku stavku u naredbi GetCapabilities da biste vidjeli detaljne karakteristike kodeka.

Wireshark ne poznaje sve identifikatore kodeka, tako da će se neki kodeci morati dešifrirati ručno, gledajući tablicu identifikatora u nastavku:

Mandatory:
0x00 - SBC

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

Vendor specific:
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 - The CSR True Wireless Stereo v3 Codec ID for AAC
0xFF 0x000A 0x0105 - The CSR True Wireless Stereo v3 Codec ID for MP3
0xFF 0x000A 0x0106 - The CSR True Wireless Stereo v3 Codec ID for aptX

Kako ne bih analizirao dumpove ručno, napravio sam servis koji će sve analizirati automatski: btcodecs.valdikss.org.ru

Usporedba kodeka. Koji kodek je bolji?

Svaki kodek ima svoje prednosti i nedostatke.
aptX i aptX HD koriste tvrdo kodirane profile koji se ne mogu promijeniti bez izmjene kodera i dekodera. Ni proizvođač telefona ni proizvođač slušalica ne mogu promijeniti bitrate ili aptX faktore kodiranja. Vlasnik kodeka, Qualcomm, daje referentni koder u obliku biblioteke. Ove činjenice su snaga aptX-a - unaprijed znate kakvu ćete kvalitetu zvuka dobiti, bez ikakvih "ali".

SBC, nasuprot tome, ima mnogo konfigurabilnih parametara, dinamičku brzinu prijenosa (koder može smanjiti parametar bitpoola ako su eterični valovi zauzeti) i nema tvrdo kodirane profile, samo preporučene "srednje kvalitete" i "visoke kvalitete" koji su bili dodan A2DP specifikaciji 2003. godine. "Visoka kvaliteta" više nije tako visoka prema današnjim standardima, a većina Bluetooth skupova ne dopušta vam da koristite parametre bolje od profila "visoke kvalitete", iako za to nema tehničkih ograničenja.
Bluetooth SIG nema referentni SBC koder kao biblioteku, a proizvođači ga implementiraju sami.
To su slabosti SBC-a – nikad nije unaprijed jasno kakvu kvalitetu zvuka očekivati ​​od pojedinog uređaja. SBC može proizvoditi zvuk niske i vrlo visoke kvalitete, ali potonji je nedostižan bez onemogućavanja ili zaobilaženja umjetnih ograničenja Bluetooth skupova.

Situacija s AAC-om je dvosmislena: s jedne strane, teoretski bi kodek trebao proizvesti kvalitetu koja se ne razlikuje od izvornika, ali u praksi, sudeći prema testovima laboratorija SoundGuys na različitim Android uređajima, to nije potvrđeno. Najvjerojatnije, greška leži u hardverskim audio koderima niske kvalitete ugrađenim u različite telefonske čipsetove. AAC ima smisla koristiti samo na Apple uređajima, a na Androidu ograničiti ga na aptX i LDAC.

Hardver koji podržava alternativne kodeke obično je više kvalitete, jednostavno zato što za vrlo jeftine uređaje niske kvalitete nema smisla plaćati naknade za licenciranje za korištenje tih kodeka. U mojim testovima, SBC zvuči vrlo dobro na kvalitetnoj opremi.

Napravio sam web uslugu koja kodira zvuk u SBC, aptX i aptX HD u stvarnom vremenu, izravno u pregledniku. Pomoću njega možete testirati ove audio kodeke bez stvarnog prijenosa zvuka putem Bluetootha, na bilo kojim žičanim slušalicama, zvučnicima i vašoj omiljenoj glazbi, a također možete promijeniti parametre kodiranja izravno tijekom reprodukcije zvuka:
btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-encoder
Usluga koristi biblioteke za kodiranje SBC iz projekta BlueZ i libopenaptx iz ffmpeg, koje su kompilirane u WebAssembly i JavaScript iz C-a, putem emscriptena, za izvođenje u pregledniku. Tko bi mogao sanjati takvu budućnost!

Evo kako izgleda:

Primijetite kako se razina šuma mijenja nakon 20 kHz za različite kodeke. Izvorna MP3 datoteka ne sadrži frekvencije iznad 20 kHz.

Pokušajte promijeniti kodeke i provjerite čujete li razliku između originala, SBC 53 Joint Stereo (standardni i najčešći profil) i aptX/aptX HD.

Mogu čuti razliku između kodeka u slušalicama!

Ljudi koji ne čuju razliku između kodeka tijekom testiranja putem web servisa tvrde da je čuju kada slušaju glazbu na bežičnim slušalicama. Jao, ovo nije šala ili placebo efekt: razlika se stvarno čuje, ali nije uzrokovana razlikama kodeci.

Velika većina Bluetooth audio čipseta koji se koriste u bežičnim prijemnim uređajima opremljena je procesorom digitalnog signala (DSP), koji implementira ekvilizator, kompander, stereo ekspander i druge stvari dizajnirane za poboljšanje (ili promjenu) zvuka. Proizvođači Bluetooth opreme mogu konfigurirati DSP za svaki kodek posebno, a pri prelasku između kodeka slušatelj će misliti da čuje razliku u radu kodeka, dok u stvarnosti sluša različite DSP postavke.

Cjevovod za obradu zvuka DSP Kalimba u čipovima koje proizvodi CSR/Qualcomm

Aktivirajte različite DSP funkcije za svaki kodek i izlaz zasebno

Neki premium uređaji dolaze sa softverom koji vam omogućuje prilagodbu DSP postavki, ali većina jeftinijih slušalica to ne čini i korisnici ne mogu ručno isključiti naknadnu obradu zvuka.

Funkcionalne značajke uređaja

Moderna verzija A2DP standarda ima funkcija “apsolutne kontrole glasnoće”. — upravljanje glasnoćom uređaja pomoću posebnih naredbi AVRCP protokola, koji regulira pojačanje izlaznog stupnja, umjesto programskog smanjenja glasnoće audio toka. Ako kada promijenite glasnoću na slušalicama, promjena se ne sinkronizira s glasnoćom na vašem telefonu, tada vaše slušalice ili telefon ne podržavaju ovu značajku. U ovom slučaju ima smisla uvijek slušati glazbu s maksimalnom glasnoćom na telefonu, podešavajući stvarnu glasnoću tipkama slušalica - u tom će slučaju omjer signala i šuma biti bolji, a kvaliteta zvuka mora biti više.
U stvarnosti postoje tužne situacije. Na mojim RealForce OverDrive D1 slušalicama za SBC uključen je jak compander, a povećanje glasnoće dovodi do povećanja razine tihih zvukova, dok se glasnoća glasnih zvukova ne mijenja (signal je komprimiran). Zbog toga morate podesiti glasnoću na računalu na otprilike polovicu, u kojem slučaju praktički nema učinka kompresije.
Prema mojim zapažanjima, sve slušalice s dodatnim kodecima podržavaju funkciju apsolutne kontrole glasnoće, očito je to jedan od zahtjeva za certifikaciju kodeka.

Neke slušalice podržavaju povezivanje dva uređaja u isto vrijeme. To vam omogućuje, na primjer, slušanje glazbe s računala i primanje poziva s telefona. Međutim, trebali biste znati da su u ovom načinu rada alternativni kodeci onemogućeni i da se koristi samo SBC.

AVDTP 1.3 Funkcija izvješćivanja o kašnjenju omogućuje slušalicama da priopće kašnjenje odašiljačkom uređaju na kojem se zvuk zapravo reproducira. To vam omogućuje podešavanje sinkronizacije zvuka i slike tijekom gledanja video datoteka: ako postoje problemi s radijskim prijenosom, zvuk neće zaostajati za videom, već naprotiv, video će biti usporen od strane video playera dok se ne pojavi audio i video se ponovno sinkroniziraju.
Funkciju podržavaju mnoge slušalice, Android 9+ i Linux s PulseAudio 12.0+. Nije mi poznato da postoji podrška za ovu značajku na drugim platformama.

Dvosmjerna komunikacija putem Bluetootha. Prijenos glasa.

Za prijenos glasa u Bluetooth-u koristi se Synchronous Connection Oriented (SCO) - sinkroni prijenos s preliminarnim pregovorima o vezi. Način vam omogućuje prijenos zvuka i glasa strogo po redu, sa simetričnim brzinama slanja i primanja, bez čekanja na potvrdu prijenosa i ponovnog slanja paketa. To smanjuje ukupnu odgodu prijenosa zvuka preko radijskog kanala, ali nameće ozbiljna ograničenja na količinu podataka koji se prenose po jedinici vremena i negativno utječe na kvalitetu.
Kada se koristi ovaj način rada, i glas i zvuk prenose se s istom kvalitetom.
Nažalost, od 2019., kvaliteta glasa putem Bluetootha još uvijek je loša i nejasno je zašto Bluetooth SIG ne poduzima ništa po tom pitanju.

CVSD

Osnovni glasovni kodek CVSD standardiziran je 2002. godine i podržavaju ga svi dvosmjerni Bluetooth komunikacijski uređaji. Omogućuje prijenos zvuka s frekvencijom uzorkovanja od 8 kHz, što odgovara kvaliteti konvencionalne žične telefonije.

Primjer snimke u ovom kodeku.

mSBC

Dodatni kodek mSBC standardiziran je 2009., a 2010. već su se pojavili čipovi koji ga koriste za prijenos glasa. mSBC je široko podržan od raznih uređaja.
Ovo nije neovisni kodek, već obični SBC iz A2DP standarda, s fiksnim profilom kodiranja: 16 kHz, mono, bitpool 26.

Primjer snimke u ovom kodeku.

Nije briljantan, ali mnogo bolji od CVSD-a, ali ga je još uvijek neugodno koristiti za online komunikaciju, pogotovo kada koristite slušalice za komunikaciju u igri - zvuk igre također će se prenositi brzinom uzorkovanja od 16 kHz.

Tvrtka FastStreamCSR odlučila je razviti ideju korištenja SBC-a. Kako bi zaobišli ograničenja SCO protokola i koristili veće bitrate, CSR je krenuo drugim putem - uveli su podršku za dvosmjerni SBC audio u A2DP standard za jednosmjerni audio prijenos, standardizirali profile kodiranja i nazvali ga "FastStream".

FastStream prenosi stereo audio na 44.1 ili 48 kHz s bitrateom od 212 kbps do zvučnika, a mono, 16 kHz, s bitrateom od 72 kbps (malo bolji od mSBC) koristi se za prijenos zvuka iz mikrofona. Takvi parametri mnogo su prikladniji za komunikaciju u online igrama - zvuk igre i sugovornika bit će visoke kvalitete.

Primjer snimke u ovom kodeku (+ zvuk iz mikrofona, isto kao mSBC).

Tvrtka je smislila zanimljivu štaku, ali zbog činjenice da je u suprotnosti sa standardom A2DP, podržana je samo u nekim od tvrtkinih odašiljača (koji rade kao USB audio kartica, a ne Bluetooth uređaj), ali ne dobiti podršku u Bluetooth stackovima, iako broj slušalica s podrškom za FastStream nije tako mali.

Trenutačno postoji samo podrška za FastStream u OS-u kao zakrpa za Linux PulseAudio od programera Pali Rohár, koji nije uključen u glavnu granu programa.

aptX Niska latencija

Na vaše veliko iznenađenje, aptX Low Latency također podržava dvosmjerni zvuk, implementirajući isti princip kao FastStream.
Ovu značajku kodeka nije moguće koristiti nigdje - ne postoji podrška za dekodiranje niske latencije ni u jednom OS-u ili u bilo kojem meni poznatom Bluetooth skupu.

Bluetooth 5, klasični i niskoenergetski

Došlo je do velike zbrke oko Bluetooth specifikacija i verzija zbog prisutnosti dvaju nekompatibilnih standarda pod istom robnom markom, a oba se naširoko koriste u različite svrhe.

Postoje dva različita, nekompatibilna Bluetooth protokola: Bluetooth Classic i Bluetooth Low Energy (LE, poznat i kao Bluetooth Smart). Postoji i treći protokol, Bluetooth High Speed, ali on nije raširen i ne koristi se u kućanskim uređajima.

Počevši od Bluetootha 4.0, promjene u specifikaciji odnosile su se uglavnom na Bluetooth Low Energy, a Classic verzija je dobila samo manja poboljšanja.

Popis promjena između Bluetootha 4.2 i Bluetootha 5:

9 PROMJENA S v4.2 NA 5.0

9.1 NOVE ZNAČAJKE

Nekoliko novih značajki predstavljeno je u Bluetooth Core Specification 5.0 Release. Glavna područja poboljšanja su:
• Maska dostupnosti utora (SAM)
• 2 Msym/s PHY za LE
•LE dugog dometa
• Oglašavanje bez povezivanja s visokim radnim ciklusom
• LE Advertising Extensions
• Algoritam odabira LE kanala #2
9.1.1 Značajke dodane u CSA5 - integrirane u v5.0
• Veća izlazna snaga

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

Samo je jedna promjena utjecala na klasičnu verziju u okviru Bluetooth 5 specifikacije: dodana je podrška za Slot Availability Mask (SAM) tehnologiju, osmišljenu za poboljšanje odvajanja radio emitiranja. Sve ostale promjene utječu samo na Bluetooth LE (i na veću izlaznu snagu).

sve Audio uređaji koriste samo Bluetooth Classic. Nemoguće je spojiti slušalice i zvučnike putem Bluetooth Low Energy: ne postoji standard za prijenos zvuka pomoću LE. A2DP standard, koji se koristi za prijenos visokokvalitetnog zvuka, radi samo putem Bluetooth Classic, au LE nema analoga.

Zaključak - kupnja audio uređaja s Bluetooth 5 samo zbog nove verzije protokola je besmislena. Bluetooth 4.0/4.1/4.2 u kontekstu audio prijenosa radit će potpuno isto.
Ako se u najavi novih slušalica spominje udvostručen radni domet i smanjena potrošnja energije zahvaljujući Bluetoothu 5, onda znajte da oni to sami ne razumiju ili vas obmanjuju. Nije ni čudo jer se čak i proizvođači Bluetooth čipova u svojim najavama zbunjuju oko razlika između nove verzije standarda, a neki Bluetooth 5 čipovi podržavaju petu verziju samo za LE, a koriste 4.2 za Classic.

Kašnjenje audio prijenosa

Količina kašnjenja (kašnjenja) u zvuku ovisi o mnogim čimbenicima: veličini međuspremnika u audio stogu, u Bluetooth stogu i u samom bežičnom uređaju za reprodukciju i algoritamskom kašnjenju kodeka.

Latencija jednostavnih kodeka poput SBC, aptX i aptX HD je vrlo mala, 3-6 ms, što se može zanemariti, ali složeni kodeci poput AAC i LDAC mogu uzrokovati primjetno kašnjenje. AAC algoritamska latencija za 44.1 kHz je 60 ms. LDAC - oko 30 ms (na temelju grube analize izvornog koda. Možda griješim, ali ne puno.)

Rezultirajuća latencija uvelike ovisi o uređaju za reprodukciju, njegovom čipsetu i međuspremniku. Tijekom testiranja dobio sam raspon od 150 do 250 ms na različitim uređajima (sa SBC kodekom). Ako pretpostavimo da uređaji koji podržavaju dodatne kodeke aptX, AAC i LDAC koriste komponente visoke kvalitete i malu veličinu međuspremnika, dobivamo sljedeće tipične latencije:

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

Da vas podsjetim: aptX Low Latency nije podržan u operativnim sustavima, zbog čega se niža latencija može postići samo kombinacijom odašiljač+prijemnik ili odašiljač+slušalice/zvučnik, a svi uređaji moraju podržavati ovaj kodek.

Problemi s Bluetooth uređajem, certifikacijom i logotipom

Kako razlikovati visokokvalitetni audio uređaj od jeftinog zanata? Izgledom, prije svega!

Za jeftine kineske slušalice, zvučnike i prijemnike:

1. Na kutiji i uređaju nedostaje riječ “Bluetooth”, najčešće se koriste “Wireless” i “BT”
2. Nedostaje Bluetooth logo na kutiji ili uređaju
3. Nema plavog treptanja LED-a

Nedostatak ovih elemenata ukazuje na to da uređaj nije certificiran, što znači da je potencijalno nekvalitetan i problematičan. Na primjer, Bluedio slušalice nemaju Bluetooth certifikat i nisu u potpunosti u skladu s A2DP specifikacijom. Ne bi prošli certifikaciju.

Razmotrimo nekoliko uređaja i kutija iz njih:

Sve su to necertificirani uređaji. Upute mogu sadržavati logo i naziv Bluetooth tehnologije, ali najvažnije je da se nalaze na kutiji i/ili samom uređaju.

Ako vaše slušalice ili zvučnik kažu "Ze bluetooth dewise je uspješno povezan", to također ne ukazuje na njihovu kvalitetu:

Zaključak

Može li Bluetooth u potpunosti zamijeniti žičane slušalice i naglavne slušalice? Sposoban je, ali po cijenu loše kvalitete poziva, povećane latencije zvuka koja može biti neugodna u igrama i mnoštva vlasničkih kodeka koji zahtijevaju naknade za licenciranje i povećavaju konačnu cijenu i pametnih telefona i slušalica.

Marketing alternativnih kodeka je vrlo jak: aptX i LDAC se predstavljaju kao dugo očekivana zamjena za “zastarjeli i loš” SBC, koji nije ni približno tako loš kao što ljudi misle.

Kako se pokazalo, umjetna ograničenja Bluetooth skupova na SBC bitrate mogu se zaobići, tako da SBC neće biti inferioran u odnosu na aptX HD. Preuzeo sam inicijativu u svoje ruke i napravio zakrpu za LineageOS firmware: Modificiramo Bluetooth skup kako bismo poboljšali zvuk na slušalicama bez AAC, aptX i LDAC kodeka

Više informacija možete pronaći na web stranicama Sound Guys и SoundExpert.

bonus: SBC referentni koder, A2DP bitstream informacije i testne datoteke. Ova je datoteka bila javno objavljena na Bluetooth web stranici, ali sada je dostupna samo članovima Bluetooth SIG-a.

Izvor: www.habr.com