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。

この記事を読む前に、前の記事を読むことをお勧めします。 Bluetooth 経由のオーディオ: プロファイル、コーデック、デバイスに関する可能な限りの詳細

一部のワイヤレス ヘッドフォン ユーザーは、すべてのオーディオ デバイスでサポートされている標準の SBC Bluetooth コーデックを使用すると、音質が悪く、高周波が足りないと報告しています。 サウンドを改善するための一般的な推奨事項は、aptX および LDAC コーデックをサポートするデバイスとヘッドフォンを購入することです。 これらのコーデックにはライセンス料が必要なため、それらをサポートするデバイスは高価になります。

SBC の低品質は、Bluetooth スタックとヘッドフォン設定の人為的な制限が原因であることが判明しました。この制限は、スマートフォンやコンピュータのソフトウェアを変更することで既存のデバイスで回避できることがわかりました。

コーデック SBC

SBC コーデックには、接続セットアップ フェーズ中にネゴシエートされるさまざまなパラメータが多数あります。 その中で：

• チャンネルの数と種類: ジョイント ステレオ、ステレオ、デュアル チャンネル、モノラル。
• 周波数帯域の数: 4 または 8;
• パッケージ内のブロック数: 4、8、12、16。
• 量子化中にビットを分配するためのアルゴリズム: ラウドネス、SNR。
• 量子化中に使用されるビット プール (ビットプール) の最大値と最小値: 通常は 2 ～ 53。

デコード デバイスは、これらのパラメータの任意の組み合わせをサポートする必要があります。 エンコーダはすべてを実装していない可能性があります。
既存の Bluetooth スタックは通常、ジョイント ステレオ、8 バンド、16 ブロック、ラウドネス、ビットプール 2..53 のプロファイルに同意します。 このプロファイルは、44.1 kHz オーディオを 328 kbps のビットレートでエンコードします。
bitpool パラメータは XNUMX つのプロファイル内のビットレートに直接影響します。値が高いほどビットレートが高くなり、したがって品質も高くなります。
ただし、bitpool パラメータは特定のプロファイルに関連付けられていません。 ビットレートは、チャネルの種類、周波数帯域の数、ブロックの数などの他のパラメータにも大きく影響されます。 ビットプールを変更せずに、非標準プロファイルに同意することで、間接的にビットレートを増やすことができます。

SBCビットレートの計算式

たとえば、デュアル チャネル モードでは、各チャネルのビットプール全体を使用して、チャネルを個別にエンコードします。 デバイスがジョイント ステレオではなくデュアル チャネルを使用するように強制すると、同じ最大ビットプール値でほぼ 617 倍のビットレート (XNUMX kbps) が得られます。
私の意見では、ネゴシエーション段階でプロファイルに関連付けられていないビットプール値の使用は、A2DP 標準の欠陥であり、SBC 品質の人為的な制限につながりました。 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方が合理的です。

これらの固定ビットプール値とビットレート値は、高品質オーディオに使用するための推奨値が記載された表に基づいています。 しかし、推奨はこれらの値に制限する理由にはなりません。

2 年から 1.2 年まで有効だった A2007DP v2015 仕様では、すべてのデコード デバイスが最大 512 kbps のビットレートで正しく動作することが求められます。

SNK のデコーダは、最大ビット レートを超えないすべての可能なビットプール値をサポートする必要があります。 このプロファイルでは、利用可能な最大ビット レートがモノラル モードの場合は 320kb/s、512 チャネル モードの場合は XNUMXkb/s に制限されます。

新しいバージョンの仕様では、ビットレートに制限はありません。 2015 年以降にリリースされた EDR をサポートする最新のヘッドフォンは、最大 730 kbps までのビット レートをサポートできると推定されています。

何らかの理由で、私がテストした Linux (PulseAudio)、Android、Blackberry、および macOS Bluetooth スタックには、ビットプール パラメーターの最大値に人為的な制限があり、最大ビットレートに直接影響します。 しかし、これが最大の問題ではなく、ほとんどすべてのヘッドフォンでも最大ビットプール値が 53 に制限されています。
すでに見てきたように、ほとんどのデバイスは、ビットレート 551 kbps の修正された Bluetooth スタック上で、中断やパチパチ音を立てることなく完全に動作します。 しかし、そのようなビットレートは、通常の Bluetooth スタック上の通常の条件下では決して一貫しません。

Bluetooth スタックの変更

A2DP 標準と互換性のある Bluetooth スタックはデュアル チャネル モードをサポートしていますが、インターフェイスからアクティブにすることはできません。

インターフェイスにトグルを追加しましょう。 Android 8.1 および Android 9 用のパッチを作成しました。これはスタックに完全なデュアル チャネル サポートを追加し、開発ツールのモード切り替えメニューにモードを追加し、デュアル チャネル対応 SBC を aptX のような追加のコーデックであるかのように扱います。 Bluetooth デバイスの設定にチェックマークを追加して、AAC、または LDAC (Android ではこれを HD オーディオと呼びます) を選択します。 これは次のようになります。

Android 9用パッチ
Android 8.1用パッチ

チェックボックスをオンにすると、Bluetooth オーディオが特定のビットレートで送信され始めます。 551kbps、ヘッドフォンが 3 Mbit/s の接続速度をサポートしている場合、または 452kbps、ヘッドフォンが 2 Mbit/s のみをサポートしている場合。

このパッチは、次の代替ファームウェアに含まれています。

• LineageOS
• 復活リミックス
• crドロイド

551 kbit/s と 452 kbit/s はどこから来たのでしょうか?

Bluetooth エア共有テクノロジーは、大きな固定サイズのパケットを効率的に送信するように設計されています。 データ転送はスロットで行われ、5 回の転送で送信されるスロットの最大数は 1 です。3 または 2 ではなく、4 または 5 スロットを使用する転送モードもあります。679 スロットでは、2 つの接続速度で最大 1021 バイトを転送できます。 3 Mbit/s の速度で 3 Mbit/s、最大 367 バイト、それぞれ 552 ～ XNUMX バイトと XNUMX バイト。

679 バイトまたは 1021 バイト未満で、367 バイトまたは 552 バイトを超えるデータを転送したい場合でも、転送には 5 スロットが必要となり、データは同時に転送されるため、転送効率が低下します。

デュアル チャネル モードの SBC、ビットプール 44100 パラメーター、フレームあたり 38 ブロック、16 つの周波数範囲を備えた 8 Hz オーディオで、オーディオをビットレート 164 kbps の 452 バイト フレームにエンコードします。
オーディオは L2CAP および AVDTP 転送プロトコルでカプセル化する必要があり、オーディオ ペイロードから 16 バイトを取得します。

したがって、5 つのスロットを持つ 4 つの Bluetooth 送信は、XNUMX つのオーディオ フレームに対応できます。

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

送信されるパケットには 11.7 ミリ秒の音声データが組み込まれ、3.75 ミリ秒で送信されます。パケットには 6 つの未使用バイトが残っています。
ビットプールを少し上げると、4 つのオーディオ フレームを 3 つのパッケージに詰めることができなくなります。 一度に XNUMX フレームを送信する必要があるため、伝送効率が低下し、フレームごとに送信される音声の量が減少し、電波状況が悪い場合には音声の途切れが早く発生します。

同様に、EDR 551 Mbit/s には 3 kbit/s のビットレートが選択されました。Bitpool 47 では、フレームあたり 16 ブロック、8 つの周波数範囲、フレーム サイズは 200 バイト、ビットレートは 551 kbit/s です。 5 つのパッケージには 14.6 フレームまたは XNUMX ミリ秒の音楽が含まれています。

すべての SBC パラメータを計算するアルゴリズムは非常に複雑で、手動で数えると簡単に混乱する可能性があるため、興味のある人を助けるために対話型の計算機を作成しました。 btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-bitrate-calculator

なぜこれだけが必要なのでしょうか?

aptX コーデックの音質に関する一般的な認識に反して、一部のファイルでは、標準ビットレート 328 kbps の SBC よりも悪い結果が生じる可能性があります。

SBC は、量子化ビットを低位から高位の順に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)。
aptX は周波数帯域を常に同じビット数で量子化するため、ビットレートが一定（352 kHz の場合は 44.1 kbps、384 kHz の場合は 48 kbps）になり、最も必要な周波数に「ビットシフト」することはできません。 。 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、場合によっては特有のパチパチ音を発生させます。 SBC は「詳細を考慮」し、最も静かなエリアを破棄します。
平均すると、SBC 328k と比較して、aptX は周波数範囲が広い音楽では歪みが少なくなりますが、周波数範囲が狭く、ダイナミック レンジが広い音楽では、SBC 328k が勝つ場合があります。

特殊な場合を考えてみましょう。 ピアノ演奏録音のスペクトログラム:

主なエネルギーは 0 ～ 4 kHz の周波数にあり、10 kHz まで続きます。
aptX で圧縮されたファイルのスペクトログラムは次のようになります。

そしてこれがSBC 328kの外観です。

SBC 328k は、16 kHz を超える範囲を定期的に完全にオフにし、この値を下回る範囲では利用可能なビットレートをすべて費やしていることがわかります。 ただし、aptX スペクトログラムから減算された元のスペクトログラムでわかるように、aptX は人間の耳に聞こえる周波数スペクトルにより多くの歪みを導入しました (明るいほど歪みが大きくなります)。

SBC 328k は 0 ～ 10 kHz の範囲で信号の劣化を少なくし、残りを遮断します。

SBC の 485k ビットレートは、帯域を無効にすることなく周波数範囲全体を維持するのに十分でした。

このトラックでは、SBC 485k が 0 ～ 15 kHz の範囲で aptX よりも大幅に優れており、15 ～ 22 kHz という小さいながらも顕著な差があります (暗いほど歪みが少なくなります)。

オリジナルオーディオ、SBC、aptXのアーカイブ.

高ビットレートの SBC に切り替えると、どのヘッドフォンでも aptX を超えるオーディオが得られます。 3 Mbps EDR 接続をサポートするヘッドフォンでは、551 kbps のビットレートで aptX HD に匹敵するサウンドが生成されます。

もっとできることはありますか？

Android パッチには、2 Mbps EDR デバイスのビットレートをさらに高めるオプションも含まれています。 ビットレートを 452 kbit/s から 595 kbit/s に増やすことができますが、その代わりに、困難な無線条件での伝送の安定性が低下します。
persist.bluetooth.sbc_hd_higher_bitrate 変数を 1 に設定するだけで十分です。

# setprop persist.bluetooth.sbc_hd_higher_bitrate 1

エクストリーム ビットレート パッチは、これまでのところ LineageOS 15.1 でのみ採用されており、16.0 では採用されていません。

デバイスの互換性

SBC デュアル チャネルは、ほぼすべてのヘッドフォン、スピーカー、車のヘッド ユニットでサポートされています。 これは不思議ではありません。この標準では、あらゆるデコード デバイスでのサポートが必要です。 このモードによって問題が発生するデバイスは少数ありますが、これらは分離されたインスタンスです。
互換性のあるデバイスの詳細については、次のサイトをご覧ください。 w4bsitXNUMX-dns.com または XDA-開発.

音の違いの比較

私はブラウザ内でリアルタイムにオーディオを SBC (および aptX および 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、さまざまな SBC プロファイルや他のコーデックのサウンドを比較したり、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

Android 開発者に連絡する

私は Google の多くの Bluetooth スタック開発者に、Android のメイン ブランチである AOSP にパッチを含めることを検討するよう手紙を書きましたが、返答は XNUMX つもありませんでした。 私のパッチが入っています Android 用 Gerrit パッチ システム 関係者からもコメントは得られなかった。
Google の開発者と連絡をとり、SBC HD を Android に導入するにあたって、何らかの支援ができれば幸いです。 gerrit のパッチはすでに期限切れになっています (これは初期のリビジョンの XNUMX つです)。開発者が私の変更に興味がある場合は更新します (更新するのは簡単ではありません。Android Q と互換性のあるデバイスを持っていないためです)。 ）。

まとめ

LineageOS、Resurrection Remix、crDroid ファームウェアを搭載したスマートフォンのユーザーは、Bluetooth デバイス設定でオプションを有効にするだけで、改善された音質を今すぐ楽しむことができます。 Linux ユーザーは、インストールすることで SBC ビットレートを向上させることもできます。 パリ・ロハールのパッチこれにより、特に、aptX、aptX HD、および FastStream コーデックのサポートが追加されます。

出所： habr.com