Го менуваме стек Bluetooth за да го подобриме звукот на слушалките без AAC, aptX и LDAC кодеци

Пред да ја прочитате оваа статија, се препорачува да ја прочитате претходната статија: Аудио преку Bluetooth: максимални детали за профили, кодеци и уреди

Некои корисници на безжични слушалки пријавуваат лош квалитет на звукот и недостаток на високи фреквенции кога го користат стандардниот SBC Bluetooth кодек, кој е поддржан од сите аудио уреди. Вообичаена препорака за подобрување на звукот е да купите уреди и слушалки што поддржуваат aptX и LDAC кодеци. Овие кодеци бараат такси за лиценцирање, така што уредите што ги поддржуваат се поскапи.

Излегува дека нискиот квалитет на SBC се должи на вештачките ограничувања на куповите Bluetooth и поставките за слушалки, а ова ограничување може да се заобиколи на сите постоечки уреди преку софтверски промени на паметен телефон или компјутер.

Кодек SBC

Кодекот SBC има многу различни параметри за кои се преговара за време на фазата на поставување на врската. Меѓу нив:

• Број и тип на канали: Заеднички стерео, стерео, двоканален, моно;
• Број на фреквенциски опсези: 4 или 8;
• Број на блокови во пакетот: 4, 8, 12, 16;
• Алгоритам за дистрибуција на битови при квантизација: гласност, SNR;
• Максималната и минималната вредност на базенот на битови што се користат при квантизација (битпул): обично од 2 до 53.

Уредот за декодирање мора да поддржува каква било комбинација од овие параметри. Кодерот можеби нема да имплементира сè.
Постојните купишта Bluetooth обично се согласуваат на следниот профил: Заеднички стерео, 8 бендови, 16 блокови, гласност, битпул 2..53. Овој профил шифрира аудио од 44.1 kHz со брзина на битови од 328 kbps.
Параметарот bitpool директно влијае на бит-стапката во еден профил: колку е поголема, толку е поголема брзината на битови, а со тоа и квалитетот.
Сепак, параметарот bitpool не е врзан за одреден профил; Брзината на битови е исто така под големо влијание и од други параметри: тип на канали, број на фреквенциски опсези, број на блокови. Можете да ја зголемите брзината на битови индиректно, со договор за нестандардни профили, без да го менувате битпулот.

Формула за пресметување на бит-стапка на SBC

На пример, режимот Dual Channel ги кодира каналите одделно, користејќи го целиот битпул за секој канал. Со принудување на уредот да користи Dual Channel наместо Joint Stereo, добиваме речиси двојно поголема брзина на битови со иста максимална вредност на битпул: 617 kbps.
Според мое мислење, употребата на битпул вредност што не е поврзана со профил во фазата на преговори е пропуст во стандардот A2DP, што доведе до вештачко ограничување на квалитетот на SBC. Би имало повеќе смисла да се преговара за бит-стапки наместо за битпул.

Овие фиксни вредности на Bitpool и Bitrate потекнуваат од табела со препорачани вредности за употреба за висококвалитетен звук. Но, препораката не е причина да се ограничите на овие вредности.

Спецификацијата A2DP v1.2, која беше активна од 2007 до 2015 година, бара сите уреди за декодирање да работат правилно со бит-стапки до 512 kbps:

Декодерот на SNK ќе ги поддржува сите можни бит-пол вредности кои не резултираат со надминување на максималната брзина на битови. Овој профил ја ограничува достапната максимална брзина на битови на 320 kb/s за моно и 512 kb/s за двоканални режими.

Во новата верзија на спецификацијата нема ограничување на бит-стапката. Се проценува дека модерните слушалки објавени по 2015 година кои поддржуваат EDR можат да поддржат бит-стапки до ≈730 kbps.

Поради некоја причина, стековите на Linux (PulseAudio), Android, Blackberry и macOS Bluetooth што ги тестирав имаат вештачки ограничувања на максималната вредност на параметарот bitpool, што директно влијае на максималната брзина на битови. Но, ова не е најголемиот проблем; скоро сите слушалки, исто така, ја ограничуваат максималната вредност на битпулот на 53.
Како што веќе видов, повеќето уреди работат совршено на модифициран стек Bluetooth со бит-стапка од 551 kbps, без прекини или крцкање. Но, таквата брзина на битови никогаш нема да биде конзистентна во нормални услови, на обичните стекови Bluetooth.

Измена на стек Bluetooth

Било кој стек Bluetooth што е компатибилен со стандардот A2DP има поддршка за режим на двоен канал, но не е можно да се активира од интерфејсот.

Ајде да додадеме преклопник во интерфејсот! Направив закрпи за Android 8.1 и Android 9 кои додаваат целосна поддршка за двоен канал во стекот, додаваат режим во менито за менување режим во алатките за развој и ги третираат SBC овозможените двојни канали како да се дополнителен кодек како aptX , AAC или LDAC (Андроид ова го нарекува HD аудио) со додавање ознака за проверка на поставките на уредот со Bluetooth. Вака изгледа:

Закрпа за Android 9
Закрпа за Android 8.1

Кога полето за избор е активирано, аудиото со Bluetooth почнува да се пренесува со брзина на битови 551 kbps, ако слушалките поддржуваат брзина на поврзување од 3 Mbit/s, или 452 kbps, ако слушалките поддржуваат само 2 Mbit/s.

Овој лепенка е вклучен во следните алтернативни фирмвери:

• LineageOS
• Воскресение ремикс
• cDroid

Од каде дојдоа 551 и 452 kbit/s?

Технологијата за споделување воздух преку Bluetooth е дизајнирана ефикасно да пренесува големи пакети со фиксна големина. Преносот на податоци се случува во слотови, најголемиот број на слотови испратени во еден пренос е 5. Има и режими за пренос кои користат 1 или 3 слота, но не и 2 или 4. Во 5 слотови можете да префрлите до 679 бајти со брзина на поврзување од 2 Mbit/s и до 1021 бајти со брзина од 3 Mbit/s, и од 3 - 367 и 552 бајти, соодветно.

Ако сакаме да префрлиме помалку податоци од 679 или 1021 бајти, но повеќе од 367 или 552 бајти, преносот сепак ќе потрае 5 слота и податоците ќе бидат префрлени во исто време, што ја намалува ефикасноста на преносот.

SBC во режим на двоен канал, на 44100 Hz аудио со Bitpool 38 параметри, 16 блока по рамка, 8 фреквентни опсези, го шифрира звукот во рамки од 164 бајти, со брзина на битови од 452 kbps.
Аудиото мора да биде инкапсулирано во протоколите за пренос на L2CAP и AVDTP, кои земаат 16 бајти од аудио носивото.

Така, еден Bluetooth пренос со 5 слота може да прими 4 аудио рамки:

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

Во пакетот што се испраќа внесуваме 11.7 ms аудио податоци, кои ќе бидат пренесени за 3.75 ms, а во пакетот ни остануваат 6 неискористени бајти.
Ако малку го подигнете битпулот, веќе нема да може да се спакува 4 аудио рамки во едно пакување. Ќе мора да испратите 3 фрејмови истовремено, што ја намалува ефикасноста на преносот, ја намалува количината на аудио што се пренесува по кадар и побрзо ќе доведе до пелтечење на аудио во лоши радио услови.

На ист начин, беше избрана бит-стапка од 551 kbit/s за EDR 3 Mbit/s: со Bitpool 47, 16 блокови по рамка, 8 опсези на фреквенции, големината на рамката е 200 бајти, со брзина на битови од 551 kbit/s. Едно пакување содржи 5 рамки или 14.6 ms музика.

Алгоритмот за пресметување на сите SBC параметри е доста сложен, лесно можете да се збуните ако броите рачно, па затоа направив интерактивен калкулатор за да им помогнам на заинтересираните: btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-bitrate-calculator

Зошто е потребно сето ова?

Спротивно на популарното верување за квалитетот на звукот на aptX кодекот, на некои датотеки тој може да даде резултати полоши од SBC со стандардна брзина на битови од 328 kbps.

SBC динамички доделува битови за квантизација на фреквенциските опсези на ниско-висока основа. Ако целата бит-стапка се користела за ниските и средните фреквенции, високите фреквенции ќе бидат „отсечени“ (наместо тоа ќе има тишина).
aptX ги квантизира фреквенциските опсези со ист број на битови цело време, поради што има постојана брзина на битови: 352 kbps за 44.1 kHz, 384 kbps за 48 kHz и не може да „бит-префрли“ на оние фреквенции на кои им се најпотребни. . За разлика од SBC, aptX нема да ги „сече“ фреквенциите, туку ќе додаде шум на квантизација, намалувајќи го динамичкиот опсег на звукот, а понекогаш и воведувајќи карактеристично крцкање. SBC „јаде детали“ - ги отфрла најтивките области.
Во просек, во споредба со SBC 328k, aptX воведува помалку дисторзија во музиката со широк фреквентен опсег, но во музиката со тесен фреквентен опсег и широк динамички опсег, SBC 328k понекогаш победува.

Да разгледаме посебен случај. Спектрограм на снимка што свири пијано:

Главната енергија лежи во фреквенции од 0 до 4 kHz и продолжува до 10 kHz.
Спектрограмот на датотека компресирана во aptX изгледа вака:

И вака изгледа SBC 328k.

Може да се види дека SBC 328k периодично целосно го исклучуваше опсегот над 16 kHz и ја трошеше целата достапна брзина на битови на опсези под оваа вредност. Сепак, aptX внесе повеќе изобличување во спектарот на фреквенции што може да се слушне на човечкото уво, како што може да се види во одземениот оригинален спектрограм од спектрограмот aptX (колку е посветло, толку повеќе изобличувањето):

Додека SBC 328k го расипал сигналот помалку во опсег од 0 до 10 kHz и го прекинал остатокот:

Брзината на битови од 485 k на SBC беше доволна за да се зачува целиот фреквентен опсег, без оневозможување на опсезите.

SBC 485k е значително пред aptX на оваа патека во опсег од 0-15 kHz, со помала, но сепак забележлива разлика од 15-22 kHz (колку потемна, толку помалку изобличување):

Архива на оригинално аудио, SBC и aptX.

Со префрлување на SBC со висока бит-стапка, ќе добиете аудио што често го надминува aptX на која било слушалка. Кај слушалките што поддржуваат EDR конекција од 3 Mbps, бит-стапката од 551 kbps произведува звук споредлив со aptX HD.

Можете ли да направите уште повеќе?

Андроид лепенката, исто така, вклучува опција за дополнително зголемување на бит-стапката за EDR уредите од 2 Mbps. Може да ја зголемите брзината на битови од 452 kbit/s на 595 kbit/s, по цена да ја намалите стабилноста на преносот во тешки радио услови.
Доволно е да ја поставите променливата persist.bluetooth.sbc_hd_higher_bitrate на 1:

# setprop persist.bluetooth.sbc_hd_higher_bitrate 1

Закрпата со екстремна брзина на битови досега беше усвоена само во LineageOS 15.1, но не и во 16.0.

Компатибилност на уредот

SBC Dual Channel е поддржан од речиси сите слушалки, звучници и главни единици за автомобил. Ова не е ни чудо - стандардот бара негова поддршка во сите уреди за декодирање. Има мал број уреди на кои овој режим предизвикува проблеми, но ова се изолирани случаи.
Повеќе детали за компатибилните уреди може да најдете на 4 pda или XDA-програмерите.

Споредба на звучни разлики

Направив веб-услуга што шифрира аудио на SBC (како и aptX и aptX HD) во реално време, токму во прелистувачот. Со него, можете да го споредувате звукот на различни SBC профили и други кодеци, без всушност да пренесувате аудио преку Bluetooth, на кои било жичени слушалки, звучници и вашата омилена музика, а исто така директно да ги менувате параметрите за кодирање додека се репродуцира аудио.
btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-encoder

Контактирајте со програмерите на Android

Им пишав на многу развивачи на стек Bluetooth во Google барајќи од нив да размислат за вклучување закрпи во главната гранка на Android - AOSP, но не добив ниту еден одговор. Моите закрпи во Герит систем за закрпи за Андроид исто така остана без коментар од било кој вклучен.
Би бил среќен ако можам да добијам помош за да стапам во контакт со програмерите во Google и да го донесам SBC HD на Android. Закрпата во gerrit е веќе застарена (ова е една од раните ревизии), и ќе ја ажурирам доколку програмерите се заинтересирани за моите промени (не ми е лесно да го ажурирам, немам уреди компатибилни со Android Q ).

Заклучок

Корисниците на паметни телефони со LineageOS, Resurrection Remix и фирмверот crDroid можат да уживаат во подобрен квалитет на звукот во моментов, само активирајте ја опцијата во поставките на уредот Bluetooth. Корисниците на Linux, исто така, можат да добијат зголемена бит-стапка на SBC со инсталирање лепенка од Пали Рохар, кој, меѓу другото, додава поддршка за aptX, aptX HD и FastStream кодеци.

Извор: www.habr.com