אנו משנים את ערימת ה-Bluetooth כדי לשפר את הסאונד באוזניות ללא AAC, aptX ו-LDAC codec

לפני קריאת מאמר זה, מומלץ לקרוא את המאמר הקודם: אודיו באמצעות בלוטות': פרטים מקסימליים על פרופילים, קודקים ומכשירים

חלק ממשתמשי האוזניות האלחוטיות מדווחים על איכות צליל ירודה ועל היעדר תדרים גבוהים בעת שימוש בקודק SBC Bluetooth הסטנדרטי, הנתמך על ידי כל מכשירי האודיו. המלצה נפוצה לשיפור הסאונד היא לרכוש מכשירים ואוזניות התומכים ב-aptX ו-LDAC codec. קודקים אלה דורשים דמי רישוי, כך שמכשירים התומכים בהם יקרים יותר.

מסתבר שהאיכות הנמוכה של SBC נובעת ממגבלות מלאכותיות של ערימות בלוטות' והגדרות אוזניות, וניתן לעקוף מגבלה זו בכל מכשיר קיים באמצעות שינויי תוכנה לסמארטפון או מחשב.

Codec SBC

ל-Codec SBC יש הרבה פרמטרים שונים שנקבעו במהלך שלב התקנת החיבור. ביניהם:

• מספר וסוג הערוצים: Joint Stereo, Stereo, Dual Channel, Mono;
• מספר רצועות התדר: 4 או 8;
• מספר בלוקים בחבילה: 4, 8, 12, 16;
• אלגוריתם להפצת ביטים במהלך קוונטיזציה: Loudness, SNR;
• הערך המקסימלי והמינימלי של מאגר הביטים המשמש במהלך קוונטיזציה (ביטפול): בדרך כלל מ-2 עד 53.

התקן הפענוח חייב לתמוך בכל שילוב של פרמטרים אלה. ייתכן שהמקודד לא יישם הכל.
ערימות Bluetooth קיימות בדרך כלל מסכימות על הפרופיל הבא: Joint Stereo, 8 פסים, 16 בלוקים, Loudness, bitpool 2..53. פרופיל זה מקודד אודיו של 44.1 קילו-הרץ בקצב סיביות של 328 קילו-ביט לשנייה.
פרמטר ה-bitpool משפיע ישירות על קצב הסיביות בתוך פרופיל אחד: ככל שהוא גבוה יותר, קצב הסיביות גבוה יותר, ולכן האיכות.
עם זאת, פרמטר bitpool אינו קשור לפרופיל ספציפי; קצב הסיביות מושפע במידה רבה גם מפרמטרים אחרים: סוג הערוצים, מספר רצועות התדר, מספר בלוקים. אתה יכול להגדיל את קצב הסיביות בעקיפין, על ידי הסכמה על פרופילים לא סטנדרטיים, מבלי לשנות את ה-bitpool.

נוסחה לחישוב SBC bitrate

לדוגמה, מצב ערוץ כפול מקודד ערוצים בנפרד, תוך שימוש במאגר הסיביות כולו עבור כל ערוץ. על ידי אילוץ המכשיר להשתמש ב-Dual Channel במקום ב-Joint Stereo, אנו מקבלים כמעט כפל קצב סיביות עם אותו ערך ביטפול מרבי: 617 kbps.
לדעתי, השימוש בערך ביטפול שאינו קשור לפרופיל בשלב המשא ומתן הוא פגם בתקן A2DP, שהוביל להגבלה מלאכותית של איכות SBC. זה יהיה הגיוני יותר לנהל משא ומתן על bitrate ולא bitpool.

ערכי Bitpool ו- Bitrate הקבועים הללו מקורם בטבלה עם ערכים מומלצים לשימוש עבור שמע באיכות גבוהה. אבל המלצה היא לא סיבה להגביל את עצמך לערכים האלה.

מפרט A2DP v1.2, שהיה פעיל משנת 2007 עד 2015, מחייב את כל מכשירי הפענוח לעבוד נכון עם קצבי סיביות של עד 512 kbps:

המפענח של ה-SNK יתמוך בכל ערכי ה-bitpool האפשריים שלא יביאו לחריגה מקצב הסיביות המרבי. פרופיל זה מגביל את קצב הסיביות המקסימלי הזמין ל-320kb/s עבור מונו, ו-512kb/s עבור מצבים דו-ערוציים.

בגרסה החדשה של המפרט אין הגבלה על קצב הסיביות. ההערכה היא שאוזניות מודרניות שיצאו לאחר 2015 התומכות ב-EDR יכולות לתמוך בקצבי סיביות של עד ≈730 kbps.

מסיבה כלשהי, בערימות ה-Linux (PulseAudio), Android, Blackberry ו-macOS Bluetooth שבדקתי יש מגבלות מלאכותיות על הערך המרבי של פרמטר ה-bitpool, שמשפיע ישירות על קצב הסיביות המקסימלי. אבל זו לא הבעיה הגדולה ביותר; כמעט כל האוזניות גם מגבילות את ערך ה-bitpool המקסימלי ל-53.
כפי שכבר ראיתי, רוב המכשירים עובדים בצורה מושלמת על ערימת בלוטות' שונה עם קצב סיביות של 551 kbps, ללא הפרעות או פצפוצים. אבל קצב סיביות כזה לעולם לא יהיה עקבי בתנאים רגילים, בערימות בלוטות' רגילות.

שינוי ערימת ה-Bluetooth

לכל מחסנית בלוטות' שתואמת לתקן A2DP יש תמיכה במצב Dual Channel, אך לא ניתן להפעיל אותה מהממשק.

בואו נוסיף בורר לממשק! הכנתי תיקונים עבור אנדרואיד 8.1 ו-Android 9 שמוסיפים תמיכה מלאה בערוץ כפול לערימה, מוסיפים מצב לתפריט החלפת מצב בכלי הפיתוח ומתייחסים ל-SBC עם ערוץ כפול כאילו הם קודקים נוספים כמו aptX , AAC או LDAC (אנדרואיד קורא לזה HD Audio) על ידי הוספת סימן ביקורת להגדרות מכשיר ה-Bluetooth. כך זה נראה:

תיקון עבור אנדרואיד 9
תיקון עבור אנדרואיד 8.1

כאשר תיבת הסימון מופעלת, שמע Bluetooth מתחיל להיות משודר בקצב סיביות 551 קילוביט לשנייה, אם האוזניות תומכות במהירות חיבור של 3 Mbit/s, או 452 קילוביט לשנייה, אם האוזניות תומכות רק ב-2 Mbit/s.

תיקון זה כלול בקושחות החלופיות הבאות:

• LineageOS
• תחיית המתים
• crDroid

מאיפה הגיעו 551 ו-452 kbit/s?

טכנולוגיית שיתוף האוויר של Bluetooth נועדה לשדר ביעילות מנות גדולות בגודל קבוע. העברת נתונים מתרחשת בחריצים, המספר הגדול ביותר של חריצים שנשלחים בהעברה אחת הוא 5. ישנם גם מצבי העברה המשתמשים ב-1 או 3 חריצים, אך לא ב-2 או 4. ב-5 חריצים ניתן להעביר עד 679 בתים במהירות חיבור של 2 Mbit/s ועד 1021 בתים במהירות של 3 Mbit/s, וב-3 - 367 ו-552 בתים, בהתאמה.

אם נרצה להעביר פחות נתונים מ-679 או 1021 בתים, אך יותר מ-367 או 552 בתים, ההעברה עדיין תיקח 5 משבצות והנתונים יועברו באותו זמן, מה שמפחית את יעילות ההעברה.

SBC במצב Dual Channel, ב-44100 הרץ אודיו עם Bitpool 38 פרמטרים, 16 בלוקים לכל מסגרת, 8 טווחי תדרים, מקודד אודיו ל-164 בייט פריימים, עם קצב סיביות של 452 kbps.
האודיו חייב להיות מוקף בפרוטוקולי העברה של L2CAP ו-AVDTP, אשר לוקחים 16 בתים ממטען האודיו.

לפיכך, שידור Bluetooth אחד עם 5 חריצים יכול להכיל 4 מסגרות שמע:

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

אנו מתאימים 11.7 אלפיות השנייה של נתוני אודיו לחבילה הנשלחת, אשר ישודרו תוך 3.75 אלפיות השנייה, ונשארו לנו 6 בתים שאינם בשימוש בחבילה.
אם תגבירו מעט את הביטפול, לא ניתן יהיה יותר לארוז 4 מסגרות שמע בחבילה אחת. תצטרך לשלוח 3 פריימים בכל פעם, מה שמפחית את יעילות השידור, מפחית את כמות האודיו המשודרת לכל פריים, ויוביל מהר יותר לגמגום אודיו בתנאי רדיו גרועים.

באותו אופן נבחר קצב סיביות של 551 kbit/s עבור EDR 3 Mbit/s: עם Bitpool 47, 16 בלוקים לכל מסגרת, 8 טווחי תדרים, גודל המסגרת הוא 200 בתים, עם קצב סיביות של 551 kbit/s. חבילה אחת מכילה 5 פריימים או 14.6 אלפיות השנייה של מוזיקה.

האלגוריתם לחישוב כל פרמטרי SBC הוא די מורכב, אתה יכול בקלות להתבלבל אם אתה סופר ידנית, אז הכנתי מחשבון אינטראקטיבי כדי לעזור למעוניינים: btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-bitrate-calculator

למה כל זה נחוץ?

בניגוד לדעה הרווחת לגבי איכות הצליל של aptX codec, בקבצים מסוימים הוא יכול להפיק תוצאות גרועות יותר מ-SBC עם קצב סיביות סטנדרטי של 328 kbps.

ה-SBC מקצה באופן דינמי סיביות קוונטיזציה לרצועות תדרים על בסיס נמוך עד גבוה. אם נעשה שימוש בכל קצב הסיביות עבור התדרים הנמוכים והבינוניים, התדרים הגבוהים "יופסקו" (תהיה שקט במקום זאת).
aptX מכמת פסי תדרים עם אותו מספר ביטים כל הזמן, וזו הסיבה שיש לו קצב סיביות קבוע: 352 kbps עבור 44.1 קילו-הרץ, 384 קילו-ביט לשנייה עבור 48 קילו-הרץ, והוא לא יכול "להזיז סיביות" לתדרים שהכי זקוקים להם. . בניגוד ל-SBC, aptX לא "חתוך" תדרים, אלא יוסיף להם רעשי קוונטיזציה, יקטין את הטווח הדינמי של האודיו, ולעיתים יציג פצפוץ אופייני. SBC "אוכל פרטים" - משליך את האזורים השקטים ביותר.
בממוצע, בהשוואה ל-SBC 328k, aptX מציג פחות עיוות במוזיקה עם טווח תדרים רחב, אבל במוזיקה עם טווח תדרים צר וטווח דינמי רחב, ה-SBC 328k לפעמים מנצח.

בואו נבחן מקרה מיוחד. ספקטרוגרמה של הקלטת מנגן בפסנתר:

האנרגיה העיקרית נמצאת בתדרים מ-0 עד 4 קילו-הרץ, וממשיכה עד 10 קילו-הרץ.
הספקטרוגרמה של קובץ דחוס ב-aptX נראית כך:

וכך נראה SBC 328k.

ניתן לראות שה-SBC 328k כיבה באופן תקופתי לחלוטין את הטווח שמעל 16 קילו-הרץ, והוציא את כל קצב הסיביות הזמין בטווחים מתחת לערך זה. עם זאת, aptX הכניס יותר עיוות לתוך ספקטרום התדרים הנשמע לאוזן האנושית, כפי שניתן לראות בספקטרוגרמה המקורית המופחתת מהספקטרוגרמה aptX (ככל שהבהירות יותר, כך העיוותים יותר):

בעוד שה-SBC 328k קלקל את האות פחות בטווח שבין 0 ל-10 קילו-הרץ, וניתק את השאר:

קצב הסיביות של 485k של ה-SBC הספיק כדי לשמר את כל טווח התדרים, מבלי להשבית את הרצועות.

ה-SBC 485k מקדים משמעותית את aptX במסלול זה בטווח של 0-15 קילו-הרץ, עם הבדל קטן יותר אך עדיין מורגש של 15-22 קילו-הרץ (ככל שהוא כהה יותר כך פחות עיוותים):

ארכיון של אודיו מקורי, SBC ו-aptX.

על ידי מעבר ל-SBC בקצב סיביות גבוה, תקבל אודיו שלעתים קרובות מנצח את aptX בכל אוזניות. באוזניות התומכות בקישוריות EDR של 3 Mbps, קצב סיביות של 551 kbps מפיק צליל הדומה ל-aptX HD.

אתה יכול לעשות אפילו יותר?

תיקון האנדרואיד כולל גם אפשרות להגביר עוד יותר את קצב הסיביות עבור מכשירי EDR של 2 Mbps. ניתן להגדיל את קצב הסיביות מ-452 kbit/s ל-595 kbit/s, במחיר של הפחתת יציבות השידור בתנאי רדיו קשים.
זה מספיק כדי להגדיר את המשתנה persist.bluetooth.sbc_hd_higher_bitrate ל-1:

# setprop persist.bluetooth.sbc_hd_higher_bitrate 1

תיקון קצב הסיביות הקיצוני אומץ עד כה רק ב-LineageOS 15.1, אך לא ב-16.0.

תאימות מכשיר

SBC Dual Channel נתמך כמעט על ידי כל האוזניות, הרמקולים ויחידות הראש לרכב. אין זה פלא - התקן דורש את תמיכתו בכל מכשירי הפענוח. יש מספר קטן של מכשירים שבהם מצב זה גורם לבעיות, אך אלו הם מקרים בודדים.
פרטים נוספים על מכשירים תואמים ניתן למצוא בכתובת 4pda או xda-developers.

השוואה של הבדלי סאונד

הכנתי שירות אינטרנט שמקודד אודיו ל-SBC (כמו גם aptX ו-aptX HD) בזמן אמת, ישירות בדפדפן. בעזרתו תוכלו להשוות את הסאונד של פרופילי SBC שונים וקודקים אחרים, מבלי ממש להעביר אודיו באמצעות בלוטות', באוזניות חוטיות, ברמקולים ובמוזיקה האהובה עליכם, וגם לשנות פרמטרי קידוד ישירות תוך כדי השמעת אודיו.
btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-encoder

צור קשר עם מפתחי אנדרואיד

כתבתי למפתחי ערימת בלוטות' רבים בגוגל וביקשתי מהם לשקול לכלול תיקונים בסניף האנדרואיד הראשי - AOSP, אך לא קיבלתי אף תגובה. הטלאים שלי נכנסים מערכת תיקון Gerrit לאנדרואיד גם נותר ללא תגובה מאף אחד מהמעורבים.
אשמח אם אוכל לקבל קצת עזרה ביצירת קשר עם המפתחים בגוגל והבאת SBC HD לאנדרואיד. התיקון ב-gerrit כבר מיושן (זה אחד מהגרסאות המוקדמות), ואני אעדכן אותו אם המפתחים יתעניינו בשינויים שלי (לא קל לי לעדכן אותו, אין לי מכשירים תואמים לאנדרואיד Q ).

מסקנה

משתמשי סמארטפונים עם LineageOS, Resurrection Remix ו-crDroid קושחה יכולים ליהנות מאיכות סאונד משופרת כבר עכשיו, פשוט הפעל את האפשרות בהגדרות מכשיר ה-Bluetooth. משתמשי לינוקס יכולים גם לקבל קצב סיביות מוגבר של SBC על ידי התקנה תיקון מפאלי רוהר, אשר, בין היתר, מוסיף תמיכה עבור aptX, aptX HD ו-FastStream codec.

מקור: www.habr.com