3.5 mm オーディオ ジャックのないスマートフォンが大量生産されているため、多くの人にとって、ワイヤレス Bluetooth ヘッドフォンがヘッドセット モードで音楽を聴いたり通信したりするための主な方法となっています。
ワイヤレス デバイスのメーカーは常に詳細な製品仕様を作成しているわけではありません。また、インターネット上の Bluetooth オーディオに関する記事は矛盾していたり​​、間違っている場合があり、すべての機能について言及しておらず、現実と一致しない同じ情報をコピーしていることがよくあります。
プロトコル、Bluetooth OS スタックの機能、ヘッドフォンとスピーカー、音楽と音声の Bluetooth コーデックを理解して、送信されるサウンドの品質と遅延に何が影響するかを調べ、サポートされているコーデックやその他のデバイスに関する情報を収集してデコードする方法を学びましょう。能力。

TL; DR:

• SBC - 通常のコーデック
• ヘッドフォンには、コーデックごとに個別に独自のイコライザーと後処理があります。
• aptX は宣伝されているほど優れていません
• LDACはでたらめをマーケティングしている
• 通話品質は依然として悪い
• C オーディオ エンコーダは、emscripten を介して WebAssembly にコンパイルすることでブラウザに埋め込むことができ、速度はそれほど低下しません。

Bluetooth 経由で音楽を聴く

Bluetooth の機能コンポーネントは、プロファイル、つまり特定の機能の仕様によって決まります。 Bluetooth 音楽ストリーミングでは、高品質の A2DP 単方向オーディオ伝送プロファイルが使用されます。 A2DP 標準は 2003 年に採用され、それ以来大きな変更はありません。
このプロファイル内では、Bluetooth 用に特別に作成された、計算複雑性の低い SBC の 1 つの必須コーデックと、追加の 3 つのコーデックが標準化されています。 文書化されていない独自の実装のコーデックを使用することも可能です。

2019年XNUMX月現在、私たちは XKCDコミックの中で 14 の A2DP コーデック:

• SBC ← A2DP で標準化され、すべてのデバイスでサポートされます
• MPEG-1/2 Layer 1/2/3 ← A2DP で標準化: よく知られています MP3、デジタル TV で使用される MP2、不明 MP1
• MPEG-2/4AAC ← A2DPで標準化
• アトラック ← ソニーの古いコーデック、A2DP で標準化
• LDAC ← ソニーの新しいコーデック
• APTX ← 1988 年のコーデック
• aptXHD ← エンコードオプションが異なるだけでaptXと同じ
• aptX低レイテンシ ← 完全に異なるコーデック、ソフトウェア実装なし
• aptXアダプティブ ← クアルコムの別のコーデック
• ファストストリーム ← 擬似コーデック、双方向 SBC 変更
• HWA LHDC ← Huaweiの新しいコーデック
• サムスンHD ← 2 つのデバイスでサポートされています
• サムスンのスケーラブルな ← 2 つのデバイスでサポートされています
• サムスン UHQ-BT ← 3 つのデバイスでサポートされています

Bluetooth には 2 および 3 Mbit/s の速度でデータを転送できる EDR があり、非圧縮 16 チャネル 1.4 ビット PCM の場合は XNUMX Mbit/s で十分であるのに、なぜコーデックが必要なのでしょうか?

Bluetooth経由でのデータ転送

Bluetooth のデータ転送には、接続を確立しない非同期転送の ACL (Asynchronous Connection Less) と、事前の接続ネゴシエーションを伴う同期転送の Synchronous Connection Oriented (SCO) の XNUMX 種類があります。
送信は時分割方式を使用して実行され、パケットごとに送信チャネルを個別に選択します (周波数ホップ/時分割二重、FH/TDD)。時間がスロットと呼ばれる 625 マイクロ秒の間隔に分割されます。 一方のデバイスは偶数番号のスロットで送信し、もう一方のデバイスは奇数番号のスロットで送信します。 送信されるパケットは、データのサイズと設定された送信タイプに応じて、1、3、または 5 スロットを占有することができます。この場合、1600 つのデバイスによる送信は、送信が終了するまで偶数スロットと奇数スロットで実行されます。 それぞれが 1 スロットを占有し、両方のデバイスが停止することなく何かを送受信した場合、合計で XNUMX 秒あたり最大 XNUMX パケットを送受信できます。

EDR の 2 および 3 Mbit/s は、アナウンスや Bluetooth Web サイトで確認できますが、合計の全データ (データをカプセル化する必要があるすべてのプロトコルの技術ヘッダーを含む) の双方向の最大チャネル転送速度です。同時に。 実際のデータ転送速度は大きく異なります。

音楽を送信するには、非同期方式が使用され、ほとんどの場合、2-DH5 や 3-DH5 などのパケットが使用されます。これらのパケットは、EDR モードでそれぞれ 2 Mbit/s と 3 Mbit/s の最大データ量を伝送し、5 時間を占有します。 -スロットを共有します。

5 つのデバイスで 1 スロット、別のデバイスで 5 スロットを使用する送信の概略図 (DH1/DHXNUMX):


放送波の時分割の原理により、625 番目のデバイスが何も送信しないか、小さなパケットを送信する場合は、パケットの送信後 XNUMX マイクロ秒のタイムスロットを待機する必要があり、XNUMX 番目のデバイスが送信する場合はさらに長い時間待機する必要があります。大きなパケットで。 複数のデバイス (ヘッドフォン、時計、フィットネス ブレスレットなど) が電話機に接続されている場合、転送時間はすべてのデバイス間で共有されます。

特殊なトランスポート プロトコル L2CAP および AVDTP でオーディオをカプセル化する必要があるため、送信可能な最大量のオーディオ ペイロードから 16 バイトが消費されます。

パッケージ型式
スロット数
最大。 パケット内のバイト数
最大。 A2DPペイロードのバイト数
最大。 A2DP ペイロード ビットレート

2-DH3
3
367
351
936kbps

3-DH3
3
552
536
1429kbps

2-DH5
5
679
663
1414kbps

3-DH5
5
1021
1005
2143kbps

1414 GHz の範囲にはノイズが多く、サービス データを送信する必要があるため、実際の状況で非圧縮オーディオを送信するには、1429 kbps と 2.4 kbps では明らかに十分ではありません。 EDR 3 Mbit/s は送信電力と空中ノイズを要求するため、3-DH5 モードであっても快適な PCM 送信は不可能で、常に短時間の中断が発生し、すべてが XNUMX m の距離でしか機能しません。数メートル。
実際には、990 kbit/s のオーディオ ストリーム (LDAC 990 kbit/s) でさえ送信するのは困難です。

コーデックの話に戻りましょう。

SBC

A2DP 標準をサポートするすべてのデバイスに必要なコーデック。 最良のコーデックと最悪のコーデックを同時に提供します。

Частотадискретизации
ビット深度
ビットレート
エンコーディングのサポート
デコードのサポート

16、32、44.1、48kHz
16ビット
10～1500kbps
すべてのデバイス
すべてのデバイス

SBC は、適応パルス符号変調 (APCM) を使用した、原始的な心理音響モデル (静かな音のマスキングのみが適用される) を備えたシンプルで計算速度の高いコーデックです。
A2DP 仕様では、中品質と高品質の XNUMX つのプロファイルの使用を推奨しています。


コーデックには、アルゴリズムの遅延、ブロック内のサンプル数、ビット分散アルゴリズムを制御できる多くの設定がありますが、ほとんどの場合、仕様で推奨されている同じパラメータが使用されます: ジョイント ステレオ、8 周波数バンド、16 ブロックオーディオフレーム、ラウドネスビット分配方式。
SBC は、ビットレートに直接影響する Bitpool パラメータの動的な変更をサポートしています。 放送波が詰まったり、パケットが失われたり、デバイスが遠くにある場合、通信が正常に戻るまで、音源によってビットプールが減少する可能性があります。

ほとんどのヘッドフォン メーカーは、ビットプールの最大値を 53 に設定しており、推奨プロファイルを使用する場合のビットレートは 328 キロビット/秒に制限されます。
ヘッドフォンのメーカーがビットプールの最大値を 53 より大きく設定している場合でも (そのようなモデルは、Beats Solo750、JBL Everest Elite XNUMXNC、Apple AirPods など、一部のレシーバーや車のヘッド ユニットにもあります)、ほとんどの OS では許可されません。 Bluetooth スタックの内部値制限の設定による増加したビットレートの使用。
さらに、メーカーによっては、一部のデバイスの最大ビットプール値を低く設定している場合があります。 たとえば、Bluedio T の場合は 39、Samsung Gear IconX の場合は 37 となり、音質が悪くなります。

Bluetooth スタックの開発者側の人為的な制限は、たとえサポートを報告したとしても、大きなビットプール値または非典型的なプロファイルを持つ一部のデバイスの非互換性と、認証中のテストが不十分なために発生した可能性が高くなります。 Bluetooth スタックの作成者にとって、間違ったデバイスのデータベースを作成するよりも、推奨プロファイルに同意することに限定するほうが簡単でした (ただし、現在は他の誤って動作する機能についてもこれを行っています)。

SBC は、量子化ビットを低位から高位の順に異なる重みで周波数帯域に動的に割り当てます。 すべてのビットレートが低域と中域の周波数に使用された場合、高域は「カットオフ」されます (代わりに無音になります)。

例: SBC 328 kbps。 上部はオリジナル、下部は SBC であり、定期的にトラックを切り替えます。 ビデオ ファイルのオーディオは FLAC ロスレス圧縮コーデックを使用します。 mp4 コンテナでの FLAC の使用は正式に標準化されていないため、ブラウザで再生できるかどうかは保証されませんが、デスクトップ Chrome および Firefox の最新バージョンでは動作するはずです。 音声がない場合は、ファイルをダウンロードして、本格的なビデオ プレーヤーで開くことができます。
ZZトップ - シャープな服を着た男

スペクトログラムは切り替えの瞬間を示しています。SBC は 17.5 kHz を超える静かな音を定期的にカットし、20 kHz を超える帯域にはビットをまったく割り当てません。 完全なスペクトログラムは、クリックすると入手できます (1.7 MB)。

この曲ではオリジナルとSBCの違いが分かりません。

もっと新しいものを取り上げ、Bitpool 37 を備えた Samsung Gear IconX ヘッドフォンを使用して得られるオーディオをシミュレートしてみましょう (上 - 元の信号、下 - SBC 239 kbps、FLAC のオーディオ)。
思慮のない自己耽溺 - 目撃者

ボーカルの高周波でパチパチ音が聞こえ、ステレオ効果が低下し、不快な「カタカタ」という音が聞こえます。

SBC は非常に柔軟なコーデックですが、低遅延に設定でき、高ビットレート (452+ kbps) で優れたオーディオ品質を提供し、標準の高品質 (328 kbps) でもほとんどの人にとって非常に優れています。 A2DP 標準では固定プロファイルが指定されておらず (ただし、推奨事項が示されているだけ)、スタック開発者はビットプールに人為的な制限を設定し、送信されたオーディオのパラメーターはユーザー インターフェイスには表示されず、ヘッドフォン メーカーは独自の設定を自由に設定できます。製品の技術仕様に Bitpool 値が記載されているため、コーデック自体に問題があるわけではありませんが、音質が低いことで有名になりました。
Bitpool パラメータは、53 つのプロファイル内でのみビットレートに直接影響します。 同じ Bitpool 328 値で、推奨される高品質プロファイルでは 1212 kbps のビットレート、デュアル チャネルと 4 つの周波数帯域では 2 kbps の両方を実現できます。そのため、OS の作成者は、Bitpool の制限に加えて、制限を設定しています。ビットレート。 私の見立てでは、この状況は AXNUMXDP 標準の欠陥によって生じました。つまり、ビットプールではなくビットレートをネゴシエートする必要があったのです。

さまざまな OS での SBC 機能のサポートの表:

ОС
サポートされているサンプリングレート
最大値を制限します。 ビットプール
最大値を制限します。 ビットレート
一般的なビットレート
ビットプールの動的調整

Windows 10
44.1кГц
53
512kbps
328kbps
✓*

Linux (BlueZ + PulseAudio)
16、32、44.1、48kHz
64 (受信接続用)、53 (送信接続用)
制限なし
328kbps
✓*

MacOSのハイシエラ
44.1кГц
64、デフォルトは 53***
不明
328kbps
✗

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

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

ブラックベリーOS 10
48кГц
53
制限なし
328kbps
✗

* 転送条件が改善された場合、ビットプールは減少するだけで、自動的には増加しません。 Bitpool を復元するには、再生を停止し、数秒待ってからオーディオを再度開始する必要があります。
** デフォルト値は、ファームウェアのコンパイル時に指定されたスタック設定によって異なります。 Android 8/8.1 では、周波数はコンパイル時の設定に応じて 44.1 kHz または 48 kHz のいずれかのみですが、他のバージョンでは 44.1 kHz と 48 kHz が同時にサポートされます。
*** Bitpool 値は Bluetooth Explorer プログラムで増やすことができます。

aptX と aptX HD

aptX は、適応型差動パルス符号変調を使用する、音響心理学を使用しない、シンプルで計算速度の高いコーデックです (ADPCM）。 1988年頃に登場（出願日） 特許 Bluetooth が登場する前は、主に業務用ワイヤレス オーディオ機器で使用されていました。 現在はクアルコムが所有しており、ライセンスとロイヤルティが必要です。 1988 年現在: 最大 2014 台のデバイスのバッチの場合、6000 回限り 1 ドル、デバイスあたり ≈ 10000 ドル (ソース、p。16）。
aptX と aptX HD は同じコーデックですが、エンコード プロファイルが異なります。

コーデックにはサンプリング周波数の選択というパラメータが 70 つだけあります。 ただし、チャネルの数/モードを選択できますが、私が知っているすべてのデバイス (XNUMX 以上) では、ステレオのみがサポートされています。

コーデック
Частотадискретизации
ビット深度
ビットレート
エンコーディングのサポート
デコードのサポート

APTX
16、32、44.1、48kHz
16ビット
128 / 256 / 352 / 384 kbps (サンプリングレートによる)
Windows 10 (デスクトップおよびモバイル)、macOS、Android 4.4+/7*、Blackberry OS 10
幅広いオーディオデバイス（ハードウェア）

* バージョン 7 までは Bluetooth スタックの変更が必要です。 コーデックは、Android デバイスの製造元が Qualcomm からコーデックのライセンスを取得している場合にのみサポートされます (OS にエンコード ライブラリがある場合)。

aptX はオーディオを 4 つの周波数帯域に分割し、常に同じビット数で量子化します。8 ～ 0 kHz は 5.5 ビット、4 ～ 5.5 kHz は 11 ビット、2 ～ 11 kHz は 16.5 ビット、2 ～ 16.5 kHz は 22 ビット (サンプリングレート44.1kHzの数値）。

aptX オーディオの例 (上部 - 元の信号、下部 - aptX、左チャンネルのみのスペクトログラム、FLAC でのサウンド):

高域は少し赤くなりましたが、違いはわかりませんでした。

量子化ビットの分布が固定されているため、コーデックはビットを最も必要とする周波数に「ビットをシフト」することができません。 SBC とは異なり、aptX は周波数を「カット」しませんが、周波数に量子化ノイズを追加して、オーディオのダイナミック レンジを減少させます。

たとえば、帯域ごとに 2 ビットを使用すると、ダイナミック レンジが 12 dB に減少すると想定しないでください。ADPCM では、96 量子化ビットを使用する場合でも、最大 2 dB のダイナミック レンジが許可されますが、これは特定の信号に対してのみです。
ADPCM は、PCM のように絶対値を保存するのではなく、現在のサンプルと次のサンプルの間の数値の差を保存します。 これにより、同じ (ロスレス) またはほぼ同じ (丸め誤差が比較的小さい) 情報を保存するために必要なビット数の要件を減らすことができます。 丸め誤差を減らすために、係数テーブルが使用されます。
コーデックを作成する際、作成者は一連の音楽オーディオ ファイルの ADPCM 係数を計算しました。 オーディオ信号がテーブルが構築された一連の音楽に近づくほど、aptX が生成する量子化エラー (ノイズ) は少なくなります。

このため、合成テストは常に音楽よりも悪い結果を生成します。 aptX が悪い結果を示す特別な合成例を作成しました - 周波数 12.4 kHz の正弦波 (上 - 元の信号、下 - aptX。FLAC のオーディオ。音量を下げてください!):

スペクトルグラフ:


ノイズがはっきりと聞こえます。

ただし、より静かになるようにより小さい振幅の正弦波を生成すると、ノイズもより静かになり、ダイナミック レンジが広いことがわかります。

オリジナルの音楽トラックと圧縮された音楽トラックの違いを聞くには、信号の XNUMX つを反転し、チャンネルごとにトラックを追加します。 一般に、このアプローチは不正確であり、より複雑なコーデックではまともな結果が得られませんが、特に ADPCM には非常に適しています。
オリジナルとaptXの違い
信号の二乗平均平方根差は -37.4 dB のレベルですが、これはこのような圧縮された音楽ではあまり大きくありません。

aptXHD

aptX HD はスタンドアロンのコーデックではなく、aptX コーデックのエンコーディング プロファイルを改良したものです。 この変更は、エンコード周波数範囲に割り当てられるビット数に影響を与えました: 10 ～ 0 kHz の場合は 5.5 ビット、6 ～ 5.5 kHz の場合は 11 ビット、4 ～ 11 kHz の場合は 16.5 ビット、4 ～ 16.5 kHz の場合は 22 ビット (44.1 kHz の場合は桁数) 。

コーデック
Частотадискретизации
ビット深度
ビットレート
エンコーディングのサポート
デコードのサポート

aptXHD
16、32、44.1、48kHz
24ビット
192 / 384 / 529 / 576 kbps (サンプリングレートによる)
Android 8+*
一部のオーディオ デバイス (ハードウェア)

* バージョン 7 までは Bluetooth スタックの変更が必要です。 コーデックは、Android デバイスの製造元が Qualcomm からコーデックのライセンスを取得している場合にのみサポートされます (OS にエンコード ライブラリがある場合)。

aptX よりも一般的ではありません。明らかに、Qualcomm からの別のライセンスと別のライセンス料金が必要です。

12.4 kHz の正弦波で例を繰り返してみましょう。


aptX よりもはるかに優れていますが、それでも少しノイズが多いです。

aptX低レイテンシ

Qualcomm のコーデックは、開発に携わった人々からの限られた情報から判断すると、標準の aptX および aptX HD と何の共通点もありません。 ソフトウェアで音声遅延を調整できない、インタラクティブな低遅延オーディオ送信 (映画、ゲーム) 向けに設計されています。 エンコーダとデコーダのソフトウェア実装は知られていません。エンコーダとデコーダは送信機、受信機、ヘッドフォン、スピーカーによってのみサポートされており、スマートフォンやコンピュータではサポートされていません。

Частотадискретизации
ビットレート
エンコーディングのサポート
デコードのサポート

44.1кГц
276/420kbps
一部の送信機（ハードウェア）
一部のオーディオ デバイス (ハードウェア)

AAC

AAC (Advanced Audiocoding) は、本格的な音響心理学モデルを備えた、計算が複雑なコーデックです。 インターネット上のオーディオに広く使用されており、MP3 に次いで 15000 番目に普及しています。 ライセンスとロイヤルティが必要: 1000 回限り 15 ドル (従業員が 0.98 人未満の企業の場合は 500000 ドル) + 最初の XNUMX 台のデバイスの場合は XNUMX ドル (ソース).
このコーデックは MPEG-2 および MPEG-4 仕様内で標準化されており、一般的な誤解に反して、Apple のものではありません。

Частотадискретизации
ビットレート
エンコーディングのサポート
デコードのサポート

8～96kHz
8 ～ 576 kbps (ステレオの場合)、256 ～ 320 kbps (Bluetooth の場合)
macOS、Android 7+*、iOS
幅広いオーディオデバイス（ハードウェア）

* メーカーがライセンス料を支払ったデバイスのみ

iOS と macOS は、Apple の現在最高の AAC エンコーダーを使用して、可能な限り最高のオーディオ品質を提供します。 Android は XNUMX 番目に品質の高い Fraunhofer FDK AAC エンコーダを使用しますが、エンコード品質が不明なプラットフォーム (SoC) に組み込まれたさまざまなハードウェアを使用する場合があります。 SoundGuys ウェブサイトでの最近のテストによると、Android スマートフォンごとに AAC エンコードの品質は大きく異なります。

ほとんどのワイヤレス オーディオ デバイスの AAC の最大ビットレートは 320 kbps ですが、256 kbps のみをサポートするものもあります。 他のビットレートは非常にまれです。
AAC は 320 kbps および 256 kbps ビットレートで優れた品質を提供しますが、 すでに圧縮されたコンテンツのシーケンシャルエンコーディングの損失ただし、ビットレート 256 kbps の iOS では、複数の連続エンコードを行っても、オリジナルとの違いを聞くのは困難です。たとえば、MP3 320 kbps から AAC 256 kbps への単一エンコードでは、損失は無視できます。
他の Bluetooth コーデックと同様に、音楽は最初にデコードされ、次にコーデックによってエンコードされます。 AAC 形式の音楽を聴く場合、最初に OS によってデコードされ、次に Bluetooth 経由で送信するために再度 AAC にエンコードされます。 これは、音楽や新しいメッセージの通知など、複数のオーディオ ストリームを混合するために必要です。 iOSも例外ではありません。 インターネット上では、iOS では AAC 形式の音楽が Bluetooth 経由で送信されるときにトランスコードされないという記述が数多く見つかりますが、これは真実ではありません。

MP1/2/3

MPEG-1/2 Part 3 ファミリのコーデックは、よく知られ広く使用されている MP3、それほど一般的ではない MP2 (主にデジタル テレビやラジオで使用されている)、およびまったく知られていない MP1 で構成されています。

古い MP1 および MP2 コーデックはまったくサポートされていません。それらをエンコードまたはデコードできるヘッドフォンや Bluetooth スタックが見つかりませんでした。
MP3 デコードは一部のヘッドフォンでサポートされていますが、エンコードは最新のオペレーティング システム スタックではサポートされていません。 Windows 用のサードパーティ製 BlueSoleil スタックは、設定ファイルを手動で変更すれば MP3 にエンコードできるようですが、私の場合、それをインストールすると Windows 10 で BSoD が発生します。 結論 - このコーデックは実際には Bluetooth オーディオには使用できません。
A2006DP 標準がデバイスに普及する前の 2008 年から 2 年にかけて、人々は Symbian および Windows Mobile で利用可能な MSI BluePlayer プログラムを介して Nokia BH-3 ヘッドセットで MP501 音楽を聴いていました。 当時、スマートフォンの OS アーキテクチャでは多くの低レベル機能へのアクセスが可能であり、Windows Mobile ではサードパーティの Bluetooth スタックをインストールすることも可能でした。

MP3 コーデックの最後の特許は失効し、23 年 2017 月 XNUMX 日以降、コーデックの使用にはライセンス料が必要なくなりました。

前述の参考文献に記載されている最長の特許を基準とすると、3 年 16 月 2017 日に、Technicolor が保有および管理していた米国特許 6,009,399 号の有効期限が切れ、MPXNUMX テクノロジは米国で特許フリーになりました。

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

Частотадискретизации
ビットレート
エンコーディングのサポート
デコードのサポート

16～48kHz
8～320kbps
どこでもサポートされていない
一部のオーディオ デバイス (ハードウェア)

LDAC

ソニーが積極的に推進している新しい「ハイレゾ」コーデックで、最大 96 kHz のサンプリング レートと最大 24 kbps の 990 ビット ビットレートをサポートします。 これは、既存の Bluetooth コーデックの代替として、オーディオファン向けのコーデックとして宣伝されています。 ラジオの放送状況に応じてビットレートを適応的に調整する機能を備えています。

LDAC エンコーダ (リブダック) は標準の Android パッケージに含まれているため、エンコードは OS バージョン 8 以降のすべての Android スマートフォンでサポートされています。 自由に利用できるソフトウェア デコーダはなく、コーデック仕様は一般公開されていません。ただし、エンコーダを一見しただけでは、コーデックの内部構造は次のようになります。 ATRAC9 - PlayStation 4 と Vita で使用されている Sony のコーデック: どちらも周波数領域で動作し、修正離散コサイン変換 (MDCT) とハフマン アルゴリズムを使用した圧縮を使用します。

LDAC サポートは、ほぼソニーのヘッドフォンによってのみ提供されます。 LDAC をデコードする機能は、他のメーカーのヘッドフォンや DAC にも搭載されていることがありますが、非常にまれです。

Частотадискретизации
ビットレート
エンコーディングのサポート
デコードのサポート

44.1～96kHz
303/606/909 kbit/s (44.1 および 88.2 kHz の場合)、330/660/990 kbit/s (48 および 96 kHz の場合)
アンドロイド8 +
一部の Sony ヘッドフォンおよび他のメーカーの一部のデバイス (ハードウェア)

LDAC をハイレゾ コーデックとしてマーケティングすると、その技術的要素が損なわれます。CD 品質 (44.1/16) を損失なく送信するには十分ではないにもかかわらず、人間の耳には聞こえない周波数の送信やビット深度の増加にビットレートを費やすのは愚かです。 。 幸いなことに、コーデックには CD オーディオ送信とハイレゾ オーディオ送信という 44.1 つの動作モードがあります。 最初のケースでは、16 kHz/XNUMX ビットのみが無線で送信されます。

ソフトウェア LDAC デコーダは無料で入手できないため、LDAC をデコードする追加デバイスがなければコーデックをテストすることはできません。 SoundGuys.com のエンジニアがデジタル出力経由で接続し、テスト信号で出力サウンドを録音したサポート付きの DAC での LDAC テストの結果によると、CD 品質モードの LDAC 660 および 990 kbps は信号からノイズ比はaptX HDよりわずかに優れています。

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

LDAC は、確立されたプロファイル外の動的ビットレート (138 kbps から 990 kbps まで) もサポートしますが、私の知る限り、Android は標準化されたプロファイル 303/606/909 および 330/660/990 kbps のみを使用します。

その他のコーデック

他の A2DP コーデックは広く使用されていません。 それらのサポートはほぼ完全に存在しないか、ヘッドフォンやスマートフォンの特定のモデルでのみ利用可能です。
A2DP で標準化された ATRAC コーデックは、ソニー自身でも Bluetooth コーデックとして使用されたことがありません。Samsung HD、Samsung Scalable、および Samsung UHQ-BT コーデックは、送受信デバイスからのサポートが非常に限られており、HWA LHDC は新しすぎて XNUMX つしかサポートされていません(?) デバイス。

オーディオデバイスのコーデックサポート

すべてのメーカーが、特定のワイヤレス ヘッドフォン、スピーカー、レシーバー、またはトランスミッターでサポートされているコーデックに関する正確な情報を公開しているわけではありません。 場合によっては、特定のコーデックのサポートが送信のみで受信にはサポートされていない場合があります (送信機と受信機の組み合わせに関連します)。ただし、メーカーは注釈なしで単に「サポート」を宣言します (一部のコーデックのエンコーダとデコーダのライセンスは個別に提供されていると思います)。これはコーデックのせいです）。 最も安価なデバイスでは、宣言された aptX サポートがまったく見つからない可能性があります。

残念ながら、ほとんどのオペレーティング システムのインターフェイスでは、使用されているコーデックがどこにも表示されません。 これに関する情報は、バージョン 8 以降の Android と macOS でのみ利用可能です。 ただし、これらの OS であっても、電話/コンピューターとヘッドフォンの両方でサポートされているコーデックのみが表示されます。

デバイスがサポートしているコーデックを確認するにはどうすればよいですか? A2DP ネゴシエーション パラメータを使用してトラフィック ダンプを記録および分析します。
これは、Linux、macOS、Android で実行できます。 Linux では Wireshark または hcidump を使用でき、macOS では Bluetooth Explorer を使用でき、Android では開発者ツールで利用できる標準の Bluetooth HCI ダンプ保存機能を使用できます。 btsnoop 形式でダンプを受け取り、Wireshark アナライザーにロードできます。
注意: 正しいダンプは、携帯電話/コンピュータからヘッドフォン/スピーカーに接続することによってのみ取得できます (それがどんなにおかしな音であっても)。 ヘッドフォンは独立して電話との接続を確立できます。この場合、ヘッドフォンは電話からコーデックのリストを要求しますが、その逆はありません。 正しいダンプが記録されていることを確認するには、まずデバイスのペアリングを解除してから、ダンプの記録中に電話とヘッドフォンをペアリングします。

無関係なトラフィックを除外するには、次の表示フィルタを使用します。

btavdtp.signal_id

その結果、次のような内容が表示されるはずです。

GetCapabilities コマンドの各項目をクリックすると、コーデックの詳細な特性を表示できます。

Wireshark はすべてのコーデック識別子を認識しているわけではないため、一部のコーデックは、以下の識別子テーブルを参照して手動で復号化する必要があります。

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

ダンプを手動で分析しないようにするために、すべてを自動的に分析するサービスを作成しました。 btcodecs.valdikss.org.ru

コーデックの比較。 どのコーデックが優れていますか?

各コーデックには独自の長所と短所があります。
aptX および aptX HD は、エンコーダーとデコーダーを変更しない限り変更できないハードコーディングされたプロファイルを使用します。 携帯電話のメーカーもヘッドフォンのメーカーも、ビットレートや aptX エンコード係数を変更することはできません。 コーデックの所有者である Qualcomm は、ライブラリの形式でリファレンス エンコーダを提供しています。 これらの事実が aptX の強みです。「しかし」を必要とせずに、どのような音質が得られるのかが事前にわかります。

対照的に、SBC には、多くの設定可能なパラメータ、動的ビットレート (無線がビジー状態の場合、エンコーダはビットプール パラメータを減らすことができます) があり、ハードコーディングされたプロファイルはなく、推奨される「中品質」と「高品質」のみが含まれています。 2 年に A2003DP 仕様に追加されました。 「高品質」は現代の標準ではそれほど高くなくなり、技術的な制限はありませんが、ほとんどの Bluetooth スタックでは「高品質」プロファイルよりも優れたパラメータを使用することはできません。
Bluetooth SIG にはリファレンス SBC エンコーダがライブラリとして存在せず、メーカーが独自に実装しています。
これらは SBC の弱点です。特定のデバイスにどのような音質が期待できるかは、事前には決して明確ではありません。 SBC は、低品質のオーディオと非常に高品質のオーディオの両方を生成できますが、後者は、Bluetooth スタックの人為的な制限を無効にするかバイパスすることなしには実現できません。

AAC の状況は曖昧です。理論的には、コーデックはオリジナルと区別できない品質を生成する必要がありますが、実際には、SoundGuys 研究所のさまざまな Android デバイスでのテストから判断すると、これは確認されていません。 おそらく、さまざまな電話チップセットに組み込まれている低品質のハードウェア オーディオ エンコーダが原因であると考えられます。 AAC を Apple デバイスでのみ使用し、Android では AAC を aptX と LDAC に制限するのが合理的です。

代替コーデックをサポートするハードウェアは高品質になる傾向があります。これは、非常に安価で低品質のデバイスの場合、それらのコーデックを使用するためにライセンス料を支払うのは意味がないからです。 私のテストでは、SBC は高品質の機器で非常に良く聞こえます。

ブラウザ内でリアルタイムにオーディオを SBC、aptX、aptX HD にエンコードする Web サービスを作成しました。 これを使用すると、実際に Bluetooth 経由でオーディオを送信せずに、有線ヘッドフォン、スピーカー、お気に入りの音楽でこれらのオーディオ コーデックをテストしたり、オーディオの再生中にエンコード パラメータを直接変更したりすることができます。
btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-encoder
このサービスは、BlueZ プロジェクトの SBC コーディング ライブラリと ffmpeg の libopenaptx を使用します。これらは、emscripten を介して C から WebAssembly と JavaScript にコンパイルされ、ブラウザで実行されます。 そんな未来を誰が夢見るだろうか！

これは次のようなものです。

さまざまなコーデックで 20 kHz 以降のノイズ レベルがどのように変化するかに注目してください。 元の MP3 ファイルには 20 kHz を超える周波数は含まれていません。

コーデックを切り替えてみて、オリジナル、SBC 53 Joint Stereo (標準で最も一般的なプロファイル)、aptX/aptX HD の違いが聞こえるかどうかを確認してください。

コーデックの違いが聞き取れる ヘッドフォン付き!

Web サービスによるテストではコーデック間の違いが聞こえなかった人でも、ワイヤレス ヘッドフォンで音楽を聴くとコーデックの違いが聞こえると主張します。 残念ながら、これは冗談やプラセボ効果ではありません。違いは実際に聞こえますが、違いによって引き起こされたものではありません。 コーデック.

ワイヤレス受信デバイスで使用される Bluetooth オーディオ チップセットの大部分には、デジタル シグナル プロセッサ (DSP) が搭載されており、イコライザー、コンパンダ、ステレオ エキスパンダー、およびサウンドを改善 (または変更) するために設計されたその他の機能が実装されています。 Bluetooth 機器のメーカーは DSP を構成できます コーデックごとに個別にコーデックを切り替えると、リスナーは実際には異なる DSP 設定を聞いているにもかかわらず、コーデックの動作の違いを聞いているように感じます。

CSR/Qualcomm 製チップの DSP Kalimba オーディオ処理パイプライン

コーデックごとに異なる DSP 機能を有効にして個別に出力

一部の高級デバイスには DSP 設定をカスタマイズできるソフトウェアが付属していますが、ほとんどの安価なヘッドフォンには付属しておらず、ユーザーはオーディオの後処理を手動でオフにすることができません。

デバイスの機能的特徴

最新バージョンの A2DP 標準には、 「絶対音量コントロール」機能 — AVRCP プロトコルの特別なコマンドを使用したデバイスの音量制御。プログラムでオーディオ ストリームの音量を下げるのではなく、出力段のゲインを調整します。 ヘッドフォンの音量を変更したときに、その変更が電話機の音量と同期しない場合は、ヘッドフォンまたは電話機がこの機能をサポートしていません。 この場合、常に電話機の最大音量で音楽を聴き、ヘッドフォンのボタンで実際の音量を調整することが合理的です。この場合、信号対雑音比が向上し、音質が向上します。 〜でなければならない 上記。
現実には悲しい状況があります。 私の SBC 用 RealForce OverDrive D1 ヘッドフォンでは、強力なコンパンダーがオンになっており、音量を上げると静かな音のレベルが上がりますが、大きな音の音量は変わりません (信号が圧縮されます)。 このため、コンピュータの音量を約半分に設定する必要があり、その場合、圧縮効果はほとんどありません。
私の観察によると、追加のコーデックを備えたすべてのヘッドフォンは絶対音量制御機能をサポートしており、これはコーデック認証の要件の XNUMX つであるようです。

一部のヘッドフォンのサポート XNUMX つのデバイスを同時に接続する。 これにより、たとえば、コンピュータから音楽を聴いたり、電話から電話を受けたりすることができます。 ただし、このモードでは代替コーデックが無効になり、SBC のみが使用されることに注意してください。

AVDTP 1.3 遅延レポート機能 これにより、ヘッドフォンは、音が実際に再生される遅延を送信デバイスに伝えることができます。 これにより、ビデオ ファイルの表示中にオーディオとビデオの同期を調整できます。無線送信に問題がある場合、オーディオがビデオに遅れることはありませんが、逆に、ビデオ プレーヤーによってビデオが再生されるまで速度が低下します。オーディオとビデオが再び同期されます。
この機能は、多くのヘッドフォン、Android 9 以降、および PulseAudio 12.0 以降を搭載した Linux でサポートされています。 他のプラットフォームでのこの機能のサポートについては知りません。

Bluetoothによる双方向通信。 音声送信。

Bluetooth での音声送信には、接続の事前ネゴシエーションを伴う同期送信である同期接続指向 (SCO) が使用されます。 このモードでは、送信の確認やパケットの再送信を待つことなく、対称的な送受信速度で音声と音声を厳密に順番に送信できます。 これにより、無線チャネルを介したオーディオ送信の全体的な遅延は減少しますが、単位時間あたりに送信されるデータ量に重大な制限が課せられ、品質に悪影響を及ぼします。
このモードを使用すると、音声とオーディオの両方が同じ品質で送信されます。
残念ながら、2019 年の時点で Bluetooth 経由の音声品質は依然として劣っており、Bluetooth SIG がなぜそれについて何も対策を講じていないのかは不明です。

CVSD

基本的な CVSD 音声コーデックは 2002 年に標準化され、すべての双方向 Bluetooth 通信デバイスでサポートされています。 従来の有線電話の品質に相当する 8 kHz のサンプリング周波数で音声伝送を実現します。

このコーデックでの録音例.

mSBC

追加の mSBC コーデックは 2009 年に標準化され、2010 年には音声伝送にそれを使用するチップがすでに登場しました。 mSBC はさまざまなデバイスで広くサポートされています。
これは独立したコーデックではなく、A2DP 標準の通常の SBC であり、固定エンコード プロファイル (16 kHz、モノラル、ビットプール 26) を備えています。

このコーデックでの録音例.

素晴らしいというわけではありませんが、CVSD よりははるかに優れていますが、オンライン通信に使用するのはまだ面倒です。特にゲーム内での通信にヘッドフォンを使用している場合は、ゲームのオーディオも 16 kHz のサンプリング レートで送信されます。

FastStreamCSR 社は、SBC を再利用するというアイデアを開発することにしました。 SCO プロトコルの制限を回避し、より高いビットレートを使用するために、CSR は別の道を進みました。A2DP 一方向オーディオ伝送規格に双方向 SBC オーディオのサポートを導入し、エンコード プロファイルを標準化し、それを「FastStream」と呼びました。

FastStream は、ビットレート 44.1 kbps の 48 kHz または 212 kHz のステレオ オーディオをスピーカーに送信し、ビットレート 16 kbps のモノラル 72 kHz を使用してマイクからオーディオを送信します (mSBC よりわずかに優れています)。 このようなパラメータは、オンライン ゲームでのコミュニケーションにはるかに適しています。ゲームの音や対話者のサウンドは高品質になります。

このコーデックでの録音例 (+ マイクからの音、mSBCと同じ).

同社は興味深い松葉杖を考案しましたが、A2DP 標準と矛盾するという事実により、同社のトランスミッターの一部 (Bluetooth デバイスではなく USB オーディオ カードとして機能する) でのみサポートされています。 Bluetooth スタックでサポートを受けていますが、FastStream をサポートするヘッドフォンの数はそれほど多くありません。

現時点では、OS での FastStream サポートは次のとおりです。 Linux PulseAudio のパッチとして プログラムのメイン ブランチには含まれていない開発者 Pali Rohár によるものです。

aptX低レイテンシ

驚いたことに、aptX Low Latency は双方向オーディオもサポートしており、FastStream と同じ原理を実装しています。
このコーデックの機能をどこでも使用することはできません。私が知っているどの OS や Bluetooth スタックでも、低遅延デコードはサポートされていません。

Bluetooth 5、クラシック、低エネルギー

同じブランドの下に互換性のない XNUMX つの規格が存在し、どちらも異なる目的で広く使用されているため、Bluetooth の仕様とバージョンに関して多くの混乱が生じています。

Bluetooth プロトコルには、Bluetooth クラシックと Bluetooth Low Energy (LE、Bluetooth Smart とも呼ばれます) という XNUMX つの異なる、互換性のないプロトコルがあります。 XNUMX 番目のプロトコルである Bluetooth High Speed もありますが、これは普及しておらず、家庭用デバイスでは使用されていません。

Bluetooth 4.0 以降、仕様の変更は主に Bluetooth Low Energy に関するものであり、クラシック バージョンには軽微な改良のみが加えられました。

Bluetooth 4.2 と Bluetooth 5 の間の変更点のリスト:

v9 から 4.2 への 5.0 つの変更点

9.1 新しい機能

Bluetooth コア仕様 5.0 リリースでは、いくつかの新機能が導入されています。 改善の主な領域は次のとおりです。
• スロット可用性マスク (SAM)
• LE の 2 Msym/秒 PHY
•LE長距離
• 高デューティ サイクルの接続不可能な広告
• LE 広告拡張機能
• LE チャネル選択アルゴリズム #2
9.1.1 CSA5 で追加された機能 - v5.0 に統合
•より高い出力電力

出所： www.bluetooth.org/docman/handlers/DownloadDoc.ashx?doc_id=421043 （291ページ）

Bluetooth 5 仕様の枠組み内でクラシック バージョンに影響を与えた変更は XNUMX つだけです。ラジオ ブロードキャストの分離を改善するために設計されたスロット アベイラビリティ マスク (SAM) テクノロジーのサポートが追加されました。 他のすべての変更は、Bluetooth LE (および高出力電力にも) にのみ影響します。

すべて オーディオ デバイスは Bluetooth クラシックのみを使用します。 Bluetooth Low Energy を介してヘッドフォンとスピーカーを接続することはできません。LE を使用してオーディオを送信するための規格はありません。 高品質オーディオの送信に使用される A2DP 規格は、Bluetooth クラシック経由でのみ機能し、LE にはアナログはありません。

結論 - プロトコルが新しいという理由だけで Bluetooth 5 を搭載したオーディオ デバイスを購入するのは意味がありません。 オーディオ送信のコンテキストにおける Bluetooth 4.0/4.1/4.2 はまったく同じように機能します。
新しいヘッドフォンの発表で、Bluetooth 5 のおかげで動作範囲が 5 倍になり、消費電力が削減されたと言及されている場合は、それ自体が理解していないか、誤解を招いているかのどちらかであることを知っておく必要があります。 それもそのはず、Bluetooth チップのメーカーでさえ、発表の中で標準の新しいバージョンの違いについて混乱しており、一部の Bluetooth 4.2 チップは LE のみ第 XNUMX バージョンをサポートし、クラシックには XNUMX を使用しています。

音声伝送遅延

オーディオの遅延 (ラグ) の量は、オーディオ スタック、Bluetooth スタック、ワイヤレス再生デバイス自体のバッファ サイズ、コーデックのアルゴリズム遅延など、多くの要因によって決まります。

SBC、aptX、aptX HD などの単純なコーデックの遅延は 3 ～ 6 ミリ秒と非常に小さいため無視できますが、AAC や LDAC などの複雑なコーデックでは顕著な遅延が発生する可能性があります。 44.1 kHz の AAC アルゴリズムの遅延は 60 ミリ秒です。 LDAC - 約 30 ミリ秒 (ソース コードの大まかな分析に基づいています。間違っている可能性がありますが、それほど長くはありません。)

結果として生じる遅延は、再生デバイス、そのチップセット、およびバッファーに大きく依存します。 テスト中、さまざまなデバイス (SBC コーデックを使用) で 150 ～ 250 ミリ秒の広がりを受信しました。 追加のコーデック aptX、AAC、LDAC をサポートするデバイスが高品質のコンポーネントと小さいバッファ サイズを使用すると仮定すると、次のような一般的な遅延が発生します。

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

念のため言っておきますが、aptX Low Latency はオペレーティング システムではサポートされていません。そのため、トランスミッターとレシーバー、またはトランスミッターとヘッドフォン/スピーカーの組み合わせでのみ低遅延を実現でき、すべてのデバイスがこのコーデックをサポートする必要があります。

Bluetooth デバイス、認証、およびロゴの問題

高品質のオーディオデバイスと安価な工芸品を見分けるにはどうすればよいでしょうか? まずは見た目から！

安価な中国製ヘッドフォン、スピーカー、レシーバーの場合:

1. 箱とデバイスには「Bluetooth」という単語がありません。「ワイヤレス」と「BT」が最もよく使用されています。
2. Bluetooth ロゴが表示されない 箱またはデバイスに
3. 青色のLEDが点滅しない

これらの要素が存在しない場合は、デバイスが認定されていないことを示しており、低品質で問題がある可能性があることを意味します。 たとえば、Bluedio ヘッドフォンは Bluetooth 認定を受けておらず、A2DP 仕様に完全には準拠していません。 彼らは認証に合格しなかったでしょう。

その中からいくつかのデバイスとボックスを検討してみましょう。

これらはすべて未認定のデバイスです。 説明書にはロゴや Bluetooth テクノロジーの名前が含まれている場合がありますが、最も重要なことは、説明書が箱やデバイス自体に記載されていることです。

ヘッドフォンまたはスピーカーに「Bluetooth dewise は正常に接続されました」というメッセージが表示される場合も、これはその品質を示すものではありません。

まとめ

Bluetooth は有線ヘッドフォンやヘッドセットを完全に置き換えることができますか? 機能はありますが、その代償として、通話品質の低下、ゲームで煩わしい可能性のある音声遅延の増大、ライセンス料が必要な独自のコーデックが多数あり、スマートフォンとヘッドフォンの両方の最終コストが増加します。

代替コーデックのマーケティングは非常に強力です。aptX と LDAC は、「時代遅れで悪い」SBC の待望の代替品として提示されていますが、SBC は人々が思っているほど悪くありません。

結局のところ、SBC ビットレートに対する Bluetooth スタックの人為的な制限は回避できるため、SBC は aptX HD よりも劣ることはありません。 私は自ら率先して LineageOS ファームウェアのパッチを作成しました。 Bluetooth スタックを変更して、AAC、aptX、LDAC コーデックを使用しないヘッドフォンのサウンドを改善します。

詳しい情報はウェブサイトでご覧いただけます サウンドガイ и サウンドエキスパート.

ボーナス： SBC リファレンス エンコーダ、A2DP ビットストリーム情報およびテスト ファイル。 このファイルは以前は Bluetooth Web サイトに公開されていましたが、現在は Bluetooth SIG のメンバーのみが利用できます。

出所： habr.com