AAC, aptX 및 LDAC 코덱이 없는 헤드폰의 사운드를 개선하기 위해 Bluetooth 스택을 수정했습니다.

이 글을 읽기 전, 이전 글을 읽어보시길 권장합니다. Bluetooth를 통한 오디오: 프로필, 코덱 및 장치에 대한 최대 세부 정보

일부 무선 헤드폰 사용자는 모든 오디오 장치에서 지원되는 표준 SBC Bluetooth 코덱을 사용할 때 음질이 좋지 않고 고주파수가 부족하다고 보고합니다. 사운드 개선을 위한 일반적인 권장 사항은 aptX 및 LDAC 코덱을 지원하는 장치와 헤드폰을 구입하는 것입니다. 이러한 코덱에는 라이센스 비용이 필요하므로 이를 지원하는 장치의 가격이 더 비쌉니다.

SBC의 낮은 품질은 Bluetooth 스택 및 헤드폰 설정의 인위적인 제한으로 인한 것으로 밝혀졌으며 이러한 제한은 스마트폰이나 컴퓨터의 소프트웨어 변경을 통해 기존 장치에서 우회할 수 있습니다.

코덱 SBC

SBC 코덱에는 연결 설정 단계에서 협상되는 다양한 매개변수가 있습니다. 그 중에는:

• 채널 수 및 유형: 조인트 스테레오, 스테레오, 듀얼 채널, 모노;
• 주파수 대역 수: 4 또는 8;
• 패키지의 블록 수: 4, 8, 12, 16;
• 양자화 중에 비트를 분배하기 위한 알고리즘: 음량, SNR;
• 양자화 중에 사용되는 비트 풀의 최대값과 최소값(비트풀): 일반적으로 2~53입니다.

디코딩 장치는 이러한 매개변수의 모든 조합을 지원해야 합니다. 인코더가 모든 것을 구현하지 못할 수도 있습니다.
기존 Bluetooth 스택은 일반적으로 조인트 스테레오, 8밴드, 16블록, 음량, 비트풀 2..53과 같은 프로필에 동의합니다. 이 프로필은 44.1kbps의 비트 전송률로 328kHz 오디오를 인코딩합니다.
비트풀 매개변수는 하나의 프로필 내의 비트 전송률에 직접적인 영향을 미칩니다. 비트 전송률이 높을수록 비트 전송률도 높아지므로 품질도 높아집니다.
그러나 비트풀 매개변수는 특정 프로필에 연결되지 않습니다. 비트 전송률은 채널 유형, 주파수 대역 수, 블록 수 등 다른 매개변수의 영향을 크게 받습니다. 비트풀을 변경하지 않고 비표준 프로필에 동의하여 간접적으로 비트 전송률을 높일 수 있습니다.

SBC 비트레이트 계산 공식

예를 들어 듀얼 채널 모드는 각 채널의 전체 비트풀을 사용하여 채널을 별도로 인코딩합니다. 장치가 조인트 스테레오 대신 듀얼 채널을 사용하도록 강제하면 동일한 최대 비트풀 값인 617kbps로 거의 두 배의 비트 전송률을 얻을 수 있습니다.
제 생각에는 협상 단계에서 프로필에 연결되지 않은 비트풀 값을 사용하는 것은 A2DP 표준의 결함으로 인해 SBC 품질에 인위적인 제한이 발생하는 것입니다. 비트풀보다는 비트레이트를 협상하는 것이 더 합리적입니다.

이러한 고정 비트풀 및 비트 전송률 값은 고품질 오디오에 사용하기 위한 권장 값이 포함된 표에서 비롯됩니다. 그러나 권장 사항이 이러한 값으로 제한되는 이유는 아닙니다.

2년부터 1.2년까지 활성화된 A2007DP v2015 사양에서는 모든 디코딩 장치가 최대 512kbps의 비트 전송률로 올바르게 작동하도록 요구합니다.

SNK의 디코더는 최대 비트 전송률을 초과하지 않는 모든 가능한 비트풀 값을 지원해야 합니다. 이 프로필은 사용 가능한 최대 비트 전송률을 모노의 경우 320kb/s, 512채널 모드의 경우 XNUMXkb/s로 제한합니다.

새 버전의 사양에서는 비트 전송률에 제한이 없습니다. EDR을 지원하는 2015년 이후 출시된 최신 헤드폰은 최대 약 730kbps의 비트 전송률을 지원할 수 있는 것으로 추정됩니다.

어떤 이유로 테스트한 Linux(PulseAudio), Android, Blackberry 및 macOS Bluetooth 스택에는 최대 비트 전송률에 직접적인 영향을 미치는 비트풀 매개변수의 최대값에 대한 인위적인 제한이 있습니다. 그러나 이것이 가장 큰 문제는 아니며 거의 모든 헤드폰이 최대 비트풀 값을 53으로 제한합니다.
이미 본 것처럼 대부분의 장치는 수정된 Bluetooth 스택에서 551kbps의 비트 전송률로 중단이나 잡음 없이 완벽하게 작동합니다. 그러나 이러한 비트 전송률은 일반적인 Bluetooth 스택의 일반적인 조건에서는 결코 일관되지 않습니다.

Bluetooth 스택 수정

A2DP 표준과 호환되는 모든 Bluetooth 스택은 듀얼 채널 모드를 지원하지만 인터페이스에서 활성화할 수는 없습니다.

인터페이스에 토글을 추가해 봅시다! 저는 스택에 완전한 듀얼 채널 지원을 추가하고, 개발 도구의 모드 토글 메뉴에 모드를 추가하고, 듀얼 채널 지원 SBC를 aptX와 같은 추가 코덱인 것처럼 처리하는 Android 8.1 및 Android 9용 패치를 만들었습니다. , AAC 또는 LDAC(Android에서는 이를 HD 오디오라고 함)를 선택하세요. Bluetooth 장치 설정에 확인 표시를 추가하세요. 다음과 같습니다.

안드로이드 9용 패치
안드로이드 8.1용 패치

확인란이 활성화되면 Bluetooth 오디오가 비트 전송률로 전송되기 시작합니다. 551kbps, 헤드폰이 3 Mbit/s의 연결 속도를 지원하는 경우 또는 452kbps, 헤드폰이 2Mbit/s만 지원하는 경우.

이 패치는 다음 대체 펌웨어에 포함되어 있습니다.

• LineageOS
• 부활 리믹스
• crDroid

551 및 452kbit/s는 어디에서 왔습니까?

Bluetooth 공기 공유 기술은 대규모 고정 크기 패킷을 효율적으로 전송하도록 설계되었습니다. 데이터 전송은 슬롯에서 이루어지며, 한 번에 전송되는 최대 슬롯 수는 5개입니다. 슬롯 1개 또는 3개를 사용하지만 2개 또는 4개는 사용하지 않는 전송 모드도 있습니다. 5개 슬롯에서는 연결 속도로 최대 679바이트를 전송할 수 있습니다. 2Mbit/s의 속도에서는 1021Mbit/s, 최대 3바이트, 각각 3~367바이트 및 552바이트입니다.

679 또는 1021바이트보다 적은 데이터를 전송하고 367 또는 552바이트를 초과하는 경우 전송에는 여전히 5개의 슬롯이 필요하며 데이터는 동시에 전송되므로 전송 효율성이 떨어집니다.

듀얼 채널 모드의 SBC는 Bitpool 44100 매개변수, 프레임당 38블록, 16개 주파수 범위를 갖춘 8Hz 오디오에서 오디오를 164kbps의 비트 전송률로 452바이트 프레임으로 인코딩합니다.
오디오는 오디오 페이로드에서 2바이트를 사용하는 L16CAP 및 AVDTP 전송 프로토콜로 캡슐화되어야 합니다.

따라서 5개 슬롯이 있는 하나의 Bluetooth 전송은 4개의 오디오 프레임을 수용할 수 있습니다.

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

전송되는 패킷에 11.7ms의 오디오 데이터가 포함되어 있으며 3.75ms 내에 전송되며 패킷에는 사용되지 않은 6바이트가 남아 있습니다.
비트풀을 조금 높이면 더 이상 4개의 오디오 프레임을 하나의 패키지에 담는 것이 불가능해집니다. 한 번에 3개의 프레임을 전송해야 하므로 전송 효율성이 떨어지고 프레임당 전송되는 오디오 양이 줄어들며 열악한 무선 환경에서 오디오 끊김 현상이 더 빨리 발생합니다.

같은 방식으로 EDR 551 Mbit/s에 대해 3 kbit/s의 비트 전송률이 선택되었습니다. Bitpool 47의 경우 프레임당 16개 블록, 8개 주파수 범위, 프레임 크기는 200바이트, 비트 전송률은 551 kbit/s입니다. 하나의 패키지에는 5개의 프레임 또는 14.6ms의 음악이 포함되어 있습니다.

모든 SBC 매개변수를 계산하는 알고리즘은 매우 복잡하므로 수동으로 계산하면 쉽게 혼동될 수 있으므로 관심 있는 분들을 돕기 위해 대화형 계산기를 만들었습니다. btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-bitrate-calculator

이 모든 것이 왜 필요한가요?

aptX 코덱의 음질에 대한 대중의 믿음과는 달리 일부 파일에서는 표준 비트 전송률 328kbps를 사용하는 SBC보다 나쁜 결과를 생성할 수 있습니다.

SBC는 낮은 수준에서 높은 수준으로 주파수 대역에 양자화 비트를 동적으로 할당합니다. 낮은 주파수와 중간 주파수에 모든 비트 전송률이 사용된 경우 높은 주파수가 "차단"됩니다(대신 무음이 발생함).
aptX는 항상 동일한 수의 비트로 주파수 대역을 양자화하므로 일정한 비트 전송률(352kHz의 경우 44.1kbps, 384kHz의 경우 48kbps)을 가지며 가장 필요한 주파수로 "비트 이동"할 수 없습니다. . SBC와 달리 aptX는 주파수를 "절단"하지 않지만 주파수에 양자화 노이즈를 추가하여 오디오의 동적 범위를 줄이고 때로는 특유의 딱딱거리는 소리를 발생시킵니다. SBC는 "세부 사항을 먹습니다" - 가장 조용한 영역을 삭제합니다.
평균적으로 SBC 328k에 비해 aptX는 주파수 범위가 넓은 음악에서 왜곡이 적지만, 주파수 범위가 좁고 다이내믹 레인지가 넓은 음악에서는 SBC 328k가 때때로 승리합니다.

특별한 경우를 생각해 봅시다. 피아노 연주 녹음의 스펙트로그램:

주 에너지는 0~4kHz의 주파수에 있으며 최대 10kHz까지 지속됩니다.
aptX로 압축된 파일의 스펙트로그램은 다음과 같습니다.

이것이 SBC 328k의 모습입니다.

SBC 328k는 주기적으로 16kHz 이상의 범위를 완전히 끄고 이 값 미만의 범위에서 사용 가능한 모든 비트 전송률을 소비한 것을 볼 수 있습니다. 그러나 aptX 스펙트로그램에서 뺀 원래 스펙트로그램에서 볼 수 있듯이 aptX는 사람의 귀에 들을 수 있는 주파수 스펙트럼에 더 많은 왜곡을 도입했습니다(더 밝을수록 왜곡이 더 심함).

SBC 328k는 0~10kHz 범위에서 신호를 덜 손상시키고 나머지는 차단합니다.

SBC의 485k 비트 전송률은 대역을 비활성화하지 않고 전체 주파수 범위를 보존하기에 충분했습니다.

SBC 485k는 0~15kHz 범위에서 이 트랙의 aptX보다 훨씬 앞서 있으며, 15~22kHz의 작지만 여전히 눈에 띄는 차이가 있습니다(어두울수록 왜곡이 적음).

원본 오디오, SBC 및 aptX 아카이브.

높은 비트 전송률의 SBC로 전환하면 모든 헤드폰에서 종종 aptX보다 뛰어난 오디오를 얻을 수 있습니다. 3Mbps EDR 연결을 지원하는 헤드폰에서 551kbps의 비트 전송률은 aptX HD에 필적하는 사운드를 생성합니다.

더 많은 일을 할 수 있나요?

Android 패치에는 2Mbps EDR 장치의 비트 전송률을 추가로 높이는 옵션도 포함되어 있습니다. 어려운 무선 조건에서 전송 안정성을 낮추는 대신 비트 전송률을 452kbit/s에서 595kbit/s로 늘릴 수 있습니다.
persist.bluetooth.sbc_hd_higher_bitrate 변수를 1로 설정하면 충분합니다.

# setprop persist.bluetooth.sbc_hd_higher_bitrate 1

익스트림 비트레이트 패치는 지금까지 LineageOS 15.1에서만 채택되었고 16.0에서는 채택되지 않았습니다.

장치 호환성

SBC 듀얼 채널은 거의 모든 헤드폰, 스피커 및 자동차 헤드 유닛에서 지원됩니다. 이는 놀라운 일이 아닙니다. 표준은 모든 디코딩 장치에서 지원을 요구합니다. 이 모드에서 문제가 발생하는 소수의 장치가 있지만 이는 격리된 인스턴스입니다.
호환 장치에 대한 자세한 내용은 다음에서 확인할 수 있습니다. w4bsitXNUMX-dns.com 또는 XDA - 개발자.

소리의 차이 비교

브라우저에서 실시간으로 오디오를 SBC(aptX 및 aptX HD도 포함)로 인코딩하는 웹 서비스를 만들었습니다. 이를 사용하면 유선 헤드폰, 스피커 및 좋아하는 음악에서 실제로 Bluetooth를 통해 오디오를 전송하지 않고도 다양한 SBC 프로필 및 기타 코덱의 사운드를 비교할 수 있으며, 오디오를 재생하는 동안 인코딩 매개변수를 직접 변경할 수도 있습니다.
btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-encoder

Android 개발자에게 문의

나는 Google의 많은 Bluetooth 스택 개발자에게 주요 Android 브랜치인 AOSP에 패치를 포함하는 것을 고려해 달라고 요청했지만 단 한 번의 응답도 받지 못했습니다. 내 패치 Android용 Gerrit 패치 시스템 또한 관련된 누구의 의견도 없었습니다.
Google 개발자와 연락하여 SBC HD를 Android에 도입하는 데 도움을 받을 수 있다면 기쁠 것입니다. gerrit의 패치는 이미 오래되었으며(이것은 초기 개정 중 하나입니다) 개발자가 내 변경 사항에 관심이 있으면 업데이트하겠습니다(업데이트하기가 쉽지 않습니다. Android Q와 호환되는 장치가 없습니다. ).

결론

LineageOS, Resurrection Remix 및 crDroid 펌웨어가 설치된 스마트폰 사용자는 지금 바로 향상된 음질을 즐길 수 있습니다. Bluetooth 장치 설정에서 옵션을 활성화하기만 하면 됩니다. Linux 사용자는 다음을 설치하여 SBC 비트 전송률을 높일 수도 있습니다. Pali Rohar의 패치, 무엇보다도 aptX, aptX HD 및 FastStream 코덱에 대한 지원을 추가합니다.

출처 : habr.com