Zaradi množične proizvodnje pametnih telefonov brez 3.5 mm avdio priključka so brezžične Bluetooth slušalke za mnoge postale glavni način poslušanja glasbe in komunikacije v načinu slušalk.
Proizvajalci brezžičnih naprav ne napišejo vedno podrobnih specifikacij izdelka, članki o zvoku Bluetooth na internetu pa so protislovni, včasih napačni, ne govorijo o vseh funkcijah in pogosto kopirajo iste informacije, ki ne ustrezajo resničnosti.
Poskusimo razumeti protokol, zmogljivosti skladov OS Bluetooth, slušalk in zvočnikov, kodekov Bluetooth za glasbo in govor, ugotovimo, kaj vpliva na kakovost prenesenega zvoka in zakasnitev, naučimo se zbirati in dekodirati informacije o podprtih kodekih in drugih napravah. zmogljivosti.

TL; DR:

• SBC - običajni kodek
• Slušalke imajo svoj izenačevalnik in postprocesiranje za vsak kodek posebej
• aptX ni tako dober, kot se oglašuje
• LDAC je tržno sranje
• Kakovost klicev je še vedno slaba
• Zvočne kodirnike C lahko vdelate v svoj brskalnik tako, da jih prevedete v WebAssembly prek emscripten, in ne bodo se veliko upočasnili.

Glasba prek Bluetooth

Funkcionalno komponento Bluetooth določajo profili – specifikacije določenih funkcij. Pretakanje glasbe Bluetooth uporablja visokokakovosten profil enosmernega prenosa zvoka A2DP. Standard A2DP je bil sprejet leta 2003 in se od takrat ni bistveno spremenil.
Znotraj profila je standardiziran 1 obvezni kodek nizke računalniške kompleksnosti SBC, ustvarjen posebej za Bluetooth, in 3 dodatni. Možna je tudi uporaba nedokumentiranih kodekov lastne izvedbe.

Od junija 2019 smo v stripu xkcd s 14 kodeki A2DP:

• SBC ← standardizirano v A2DP, podpirajo vse naprave
• MPEG-1/2 Layer 1/2/3 ← standardizirano v A2DP: dobro znano MP3, ki se uporablja v digitalni televiziji MP2, in neznano MP1
• MPEG-2/4 AAC ← standardizirano v A2DP
• PRIVLAČITE ← stari kodek podjetja Sony, standardiziran v A2DP
• LDAC ← nov kodek podjetja Sony
• aptX ← kodek iz leta 1988
• aptX-HD ← enako kot aptX, le z različnimi možnostmi kodiranja
• aptX Nizka zakasnitev ← popolnoma drugačen kodek, brez implementacije programske opreme
• aptX Adaptive ← drug kodek podjetja Qualcomm
• FastStream ← psevdo kodek, dvosmerna modifikacija SBC
• HWA LHDC ← nov kodek podjetja Huawei
• Samsung HD ← podpirata 2 napravi
• Samsung Scalable ← podpirata 2 napravi
• Samsung UHQ-BT ← podpirata 3 napravi

Zakaj sploh potrebujemo kodeke, se sprašujete, ko pa ima Bluetooth EDR, ki omogoča prenos podatkov s hitrostjo 2 in 3 Mbit/s, za nestisnjeni dvokanalni 16-bitni PCM pa je dovolj 1.4 Mbit/s?

Prenos podatkov preko Bluetooth

Obstajata dve vrsti prenosa podatkov v Bluetooth: Asynchronous Connection Less (ACL) za asinhroni prenos brez vzpostavitve povezave in Synchronous Connection Oriented (SCO) za sinhroni prenos s predhodnim pogajanjem o povezavi.
Prenos se izvaja s shemo časovne delitve in izbiro prenosnega kanala za vsak paket posebej (Frequency-Hop/Time-Division-Duplex, FH/TDD), pri čemer se čas razdeli na 625-mikrosekundne intervale, imenovane reže. Ena od naprav oddaja v sodo oštevilčenih režah, druga pa v lihih režah. Oddani paket lahko zasede 1, 3 ali 5 slotov, odvisno od velikosti podatkov in nastavljenega tipa prenosa, v tem primeru se prenos po eni napravi izvaja v sodih in lihih slotih do konca prenosa. Skupaj je mogoče sprejeti in poslati do 1600 paketov na sekundo, če vsak od njih zasede 1 režo, obe napravi pa nekaj oddajata in sprejemata brez ustavljanja.

2 in 3 Mbit/s za EDR, ki ju najdete v obvestilih in na spletni strani Bluetooth, sta najvišji kanalski prenos vseh podatkov skupaj (vključno s tehničnimi glavami vseh protokolov, v katere morajo biti podatki enkapsulirani), v dveh smereh. istočasno. Dejanska hitrost prenosa podatkov se bo zelo razlikovala.

Za prenos glasbe se uporablja asinhrona metoda, pri čemer se skoraj vedno uporabljajo paketi, kot sta 2-DH5 in 3-DH5, ki prenašajo največjo količino podatkov v načinu EDR 2 Mbit/s oziroma 3 Mbit/s in zavzamejo 5 časov - deljenje slotov.

Shematski prikaz prenosa z uporabo 5 rež ene naprave in 1 reže druge naprave (DH5/DH1):


Zaradi načela časovne delitve etra smo po oddaji paketa prisiljeni čakati 625 mikrosekund dolgo časovno režo, če nam druga naprava ne odda ničesar ali odda majhen paket, in več časa, če druga naprava odda v velikih paketih. Če je na telefon priključenih več kot ena naprava (na primer slušalke, ure in zapestnica za fitnes), se čas prenosa porazdeli med vse.

Potreba po enkapsulaciji zvoka v posebnih transportnih protokolih L2CAP in AVDTP vzame 16 bajtov od možne največje količine prenesenega zvočnega tovora.

Vrsta paketa
Število rež
maks. število bajtov v paketu
maks. število bajtov tovora A2DP
maks. Bitna hitrost koristnega tovora A2DP

2-DH3
3
367
351
936 kbps

3-DH3
3
552
536
1429 kbps

2-DH5
5
679
663
1414 kbps

3-DH5
5
1021
1005
2143 kbps

1414 in 1429 kbps vsekakor nista dovolj za prenos nestisnjenega zvoka v dejanskih pogojih, s šumnim območjem 2.4 GHz in potrebo po prenosu storitvenih podatkov. EDR 3 Mbit/s je zahteven glede prenosne moči in hrupa v zraku, zato je tudi v načinu 3-DH5 udoben prenos PCM nemogoč, vedno bodo kratkotrajne prekinitve in vse bo delovalo le na razdalji nekaj metrov.
V praksi je tudi zvočni tok 990 kbit/s (LDAC 990 kbit/s) težko prenašati.

Vrnimo se k kodekom.

SBC

Kodek, potreben za vse naprave, ki podpirajo standard A2DP. Najboljši in najslabši kodek hkrati.

Stopnja vzorčenja
Bitna globina
Bitna hitrost
Podpora za kodiranje
Podpora za dekodiranje

16, 32, 44.1, 48 kHz
16 bit
10-1500 kbps
Vse naprave
Vse naprave

SBC je preprost in računsko hiter kodek s primitivnim psihoakustičnim modelom (uporablja se samo maskiranje tihih zvokov), ki uporablja adaptivno pulzno kodno modulacijo (APCM).
Specifikacija A2DP priporoča uporabo dveh profilov: srednje kakovosti in visoke kakovosti.


Kodek ima veliko nastavitev, ki vam omogočajo nadzor nad algoritemsko zakasnitvijo, številom vzorcev v bloku, algoritmom porazdelitve bitov, vendar se skoraj povsod uporabljajo isti parametri, priporočeni v specifikaciji: Joint Stereo, 8 frekvenčnih pasov, 16 blokov v zvočni okvir, metoda porazdelitve bitov glasnosti.
SBC podpira dinamično spreminjanje parametra Bitpool, ki neposredno vpliva na bitno hitrost. Če so radijski valovi zamašeni, se paketi izgubijo ali so naprave na velikih razdaljah, lahko zvočni vir zmanjša Bitpool, dokler se komunikacija ne vrne v normalno stanje.

Večina proizvajalcev slušalk nastavi največjo vrednost Bitpool na 53, kar omejuje bitno hitrost na 328 kilobitov na sekundo pri uporabi priporočenega profila.
Tudi če je proizvajalec slušalk nastavil najvišjo vrednost Bitpool nad 53 (take modele najdemo na primer: Beats Solo³, JBL Everest Elite 750NC, Apple AirPods, najdemo jih tudi na nekaterih sprejemnikih in avtomobilskih glavnih enotah), večina OS ne bo dovolila uporaba povečanih bitnih hitrosti zaradi nastavljene notranje omejitve vrednosti v skladih Bluetooth.
Poleg tega nekateri proizvajalci za nekatere naprave nastavijo najvišjo vrednost Bitpool na nizko. Na primer, za Bluedio T je 39, za Samsung Gear IconX pa 37, kar daje slabo kakovost zvoka.

Umetne omejitve s strani razvijalcev skladov Bluetooth so najverjetneje nastale zaradi nezdružljivosti nekaterih naprav z velikimi vrednostmi Bitpool ali netipičnih profilov, tudi če so poročali o podpori zanje, in nezadostnega testiranja med certificiranjem. Avtorji skladov Bluetooth so se lažje omejili na dogovor o priporočenem profilu, namesto da bi ustvarili baze napačnih naprav (čeprav zdaj to počnejo za druge nepravilno delujoče funkcije).

SBC dinamično dodeli kvantizacijske bite frekvenčnim pasovom na podlagi nizkega proti visokemu z različnimi utežmi. Če je bila vsa bitna hitrost uporabljena za nizke in srednje frekvence, bodo visoke frekvence "odrezane" (namesto tega bo tišina).

Primer SBC 328 kbps. Na vrhu je original, na dnu je SBC, ki občasno preklaplja med skladbami. Zvok v video datoteki uporablja kodek za stiskanje brez izgub FLAC. Uporaba FLAC v vsebniku mp4 ni uradno standardizirana, zato ni zagotovljeno, da ga bo vaš brskalnik predvajal, vendar bi moralo delovati v najnovejših različicah namiznega Chroma in Firefoxa. Če nimate zvoka, lahko prenesete datoteko in jo odprete v polnem video predvajalniku.
ZZ Top - Ostro oblečen moški

Spektrogram prikazuje trenutek preklopa: SBC občasno izreže tihe zvoke nad 17.5 kHz in sploh ne dodeli nobenih bitov za pas nad 20 kHz. Celoten spektrogram je dostopen s klikom (1.7 MB).

Na tej skladbi ne slišim nobene razlike med originalom in SBC.

Vzemimo nekaj novejšega in simulirajmo zvok, ki bi ga dobili s slušalkami Samsung Gear IconX z Bitpool 37 (zgoraj - originalni signal, spodaj - SBC 239 kbps, zvok v FLAC).
Nespametno samozadovoljevanje - priča

V visokih frekvencah vokala slišim prasketanje, manj stereo efekta in neprijeten zvok "cvekanja".

Čeprav je SBC zelo prilagodljiv kodek, ga je mogoče konfigurirati za nizko zakasnitev, zagotavlja odlično kakovost zvoka pri visokih bitnih hitrostih (452+ kbps) in je precej dober za večino ljudi pri standardni visoki kakovosti (328 kbps), zaradi dejstva, da standard A2DP ne določa fiksnih profilov (ampak daje le priporočila), razvijalci skladov so postavili umetne omejitve za Bitpool, parametri prenesenega zvoka niso prikazani v uporabniškem vmesniku, proizvajalci slušalk pa lahko prosto nastavljajo svoje nastavitve in nikoli navedite vrednost Bitpool v tehničnih specifikacijah izdelka, kodek je postal znan po nizki kakovosti zvoka, čeprav to ni težava kodeka kot takega.
Parameter Bitpool neposredno vpliva na bitno hitrost samo znotraj enega profila. Ista vrednost Bitpool 53 lahko zagotovi bitno hitrost 328 kbps s priporočenim profilom visoke kakovosti in 1212 kbps z dvojnim kanalom in 4 frekvenčnimi pasovi, zato so avtorji OS poleg omejitev za Bitpool postavili omejitev in Bitna hitrost. Po mojem mnenju je ta situacija nastala zaradi napake v standardu A2DP: treba se je pogajati o bitni hitrosti, ne o Bitpoolu.

Tabela podpore za zmogljivosti SBC v različnih OS:

OS
Podprte stopnje vzorčenja
Omejitev maks. Bitpool
Omejitev maks. Bitna hitrost
Tipična bitna hitrost
Bitpool dinamična prilagoditev

Windows 10
44.1 кГц
53
512 kbps
328 kbps
✓*

Linux (BlueZ + PulseAudio)
16, 32, 44.1, 48 kHz
64 (za dohodne povezave), 53 (za odhodne povezave)
Ni omejitev
328 kbps
✓*

MacOS Visoka Sierra
44.1 кГц
64, privzeto 53***
Neznano
328 kbps
✗

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

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

Blackberry OS 10
48 кГц
53
Ni omejitev
328 kbps
✗

* Bitpool se le zmanjša, vendar se ne poveča samodejno, če se pogoji prenosa izboljšajo. Če želite obnoviti Bitpool, morate ustaviti predvajanje, počakati nekaj sekund in znova zagnati zvok.
** Privzeta vrednost je odvisna od nastavitev sklada, določenih pri prevajanju vdelane programske opreme. V Androidu 8/8.1 je frekvenca le 44.1 kHz ali 48 kHz, odvisno od nastavitev med prevajanjem, v drugih različicah pa sta hkrati podprta 44.1 kHz in 48 kHz.
*** Vrednost Bitpool lahko povečate v programu Bluetooth Explorer.

aptX in aptX HD

aptX je preprost in računsko hiter kodek, brez psihoakustike, ki uporablja adaptivno diferencialno impulzno kodno modulacijo (ADPCM). Pojavilo se okoli leta 1988 (datum vložitve patent iz februarja 1988), pred Bluetoothom se je uporabljal predvsem v profesionalni brezžični avdio opremi. Trenutno v lasti Qualcomma, zahteva licenciranje in licenčnine. Od leta 2014: 6000 $ enkrat in ≈ 1 $ na napravo za serije do 10000 naprav (Vir, str. 16).
aptX in aptX HD sta isti kodek z različnima profiloma kodiranja.

Kodek ima samo en parameter - izbiro frekvence vzorčenja. Obstaja pa možnost izbire števila/načina kanalov, vendar je v vseh meni znanih napravah (70+ kosov) podprt samo Stereo.

Kodek
Stopnja vzorčenja
Bitna globina
Bitna hitrost
Podpora za kodiranje
Podpora za dekodiranje

aptX
16, 32, 44.1, 48 kHz
16 bit
128/256/352/384 kb/s (odvisno od hitrosti vzorčenja)
Windows 10 (namizni in mobilni), macOS, Android 4.4+/7*, Blackberry OS 10
Širok nabor avdio naprav (strojna oprema)

* Različice do 7 zahtevajo spremembo sklada Bluetooth. Kodek je podprt le, če je proizvajalec naprave Android kodek licenciral pri Qualcommu (če ima OS knjižnice za kodiranje).

aptX razdeli zvok na 4 frekvenčne pasove in jih nenehno kvantizira z enakim številom bitov: 8 bitov za 0-5.5 kHz, 4 bitov za 5.5-11 kHz, 2 bita za 11-16.5 kHz, 2 bita za 16.5-22 kHz ( številke za frekvenco vzorčenja 44.1 kHz).

Primer zvoka aptX (na vrhu - izvirni signal, na dnu - aptX, spektrogrami le levih kanalov, zvok v FLAC):

Visoki toni so postali nekoliko bolj rdeči, a razlike ni bilo slišati.

Zaradi fiksne porazdelitve kvantizacijskih bitov kodek ne more "premakniti bitov" na frekvence, ki jih najbolj potrebujejo. Za razliko od SBC, aptX ne bo "rezal" frekvenc, ampak jim bo dodal kvantizacijski šum in zmanjšal dinamični razpon zvoka.

Ne bi smeli domnevati, da uporaba na primer 2 bitov na pas zmanjša dinamični razpon na 12 dB: ADPCM omogoča do 96 dB dinamičnega razpona tudi pri uporabi 2 kvantizacijskih bitov, vendar le za določen signal.
ADPCM shrani številčno razliko med trenutnim vzorcem in naslednjim vzorcem, namesto da bi shranil absolutno vrednost kot v PCM. To vam omogoča zmanjšanje zahtev glede števila bitov, potrebnih za shranjevanje enakih (brez izgube) ali skoraj enakih (z relativno majhno napako zaokroževanja) informacij. Za zmanjšanje napak pri zaokroževanju se uporabljajo tabele koeficientov.
Pri ustvarjanju kodeka so avtorji izračunali koeficiente ADPCM na nizu glasbenih zvočnih datotek. Bližje ko je zvočni signal nizu glasbe, na podlagi katere so bile zgrajene tabele, manj napak kvantizacije (šuma) ustvari aptX.

Zaradi tega bodo sintetični testi vedno dali slabše rezultate kot glasba. Naredil sem poseben sintetični primer, v katerem aptX kaže slabe rezultate - sinusni val s frekvenco 12.4 kHz (zgoraj - izvirni signal, spodaj - aptX. Zvok v FLAC. Zmanjšajte glasnost!):

Graf spektra:


Zvoki so jasno slišni.

Če pa ustvarite sinusni val z manjšo amplitudo, tako da je tišji, bo tudi hrup postal tišji, kar kaže na širok dinamični razpon:

Če želite slišati razliko med izvirno skladbo in stisnjeno skladbo, lahko obrnete enega od signalov in dodate skladbe kanal za kanalom. Ta pristop je na splošno napačen in ne bi dal razumnih rezultatov z bolj zapletenimi kodeki, vendar je posebej primeren za ADPCM.
Razlika med originalom in aptX
Srednja kvadratna razlika signalov je na ravni -37.4 dB, kar za tako kompresirano glasbo ni veliko.

aptX-HD

aptX HD ni samostojen kodek - je izboljšan profil kodiranja kodeka aptX. Spremembe so vplivale na število bitov, dodeljenih za kodiranje frekvenčnih razponov: 10 bitov za 0-5.5 kHz, 6 bitov za 5.5-11 kHz, 4 bitov za 11-16.5 kHz, 4 bitov za 16.5-22 kHz (številke za 44.1 kHz) .

Kodek
Stopnja vzorčenja
Bitna globina
Bitna hitrost
Podpora za kodiranje
Podpora za dekodiranje

aptX-HD
16, 32, 44.1, 48 kHz
24 bitov
192/384/529/576 kb/s (odvisno od hitrosti vzorčenja)
Android 8+*
Nekatere zvočne naprave (strojna oprema)

* Različice do 7 zahtevajo spremembo sklada Bluetooth. Kodek je podprt le, če je proizvajalec naprave Android kodek licenciral pri Qualcommu (če ima OS knjižnice za kodiranje).

Manj pogosto kot aptX: očitno zahteva ločeno licenciranje od Qualcomma in ločene licenčnine.

Ponovimo primer s sinusnim valom pri 12.4 kHz:


Veliko boljši od aptX, vendar še vedno nekoliko hrupen.

aptX Nizka zakasnitev

Kodek podjetja Qualcomm, ki nima nič skupnega s standardnima aptX in aptX HD, sodeč po omejenih informacijah ljudi, ki sodelujejo pri njegovem razvoju. Zasnovan za interaktivni prenos zvoka z nizko zakasnitvijo (filmi, igre), kjer zakasnitve zvoka ni mogoče prilagoditi s programsko opremo. Programske izvedbe kodirnikov in dekodirnikov niso znane, podpirajo jih izključno oddajniki, sprejemniki, slušalke in zvočniki, ne pa pametni telefoni in računalniki.

Stopnja vzorčenja
Bitna hitrost
Podpora za kodiranje
Podpora za dekodiranje

44.1 кГц
276/420 kbps
Nekateri oddajniki (strojna oprema)
Nekatere zvočne naprave (strojna oprema)

AAC

AAC ali Advanced Audio Coding je računalniško zapleten kodek z resnim psihoakustičnim modelom. Pogosto se uporablja za zvok na internetu, drugi po priljubljenosti za MP3. Zahteva licenciranje in licenčnine: 15000 USD enkrat (ali 1000 USD za podjetja z manj kot 15 zaposlenimi) + 0.98 USD za prvih 500000 naprav (Vir).
Kodek je standardiziran v specifikacijah MPEG-2 in MPEG-4 in v nasprotju s splošnim napačnim prepričanjem ne pripada Applu.

Stopnja vzorčenja
Bitna hitrost
Podpora za kodiranje
Podpora za dekodiranje

8 - 96 kHz
8 - 576 kbps (za stereo), 256 - 320 kbps (tipično za Bluetooth)
macOS, Android 7+*, iOS
Širok nabor avdio naprav (strojna oprema)

* samo na napravah, katerih proizvajalci so plačali licenčnino

iOS in macOS uporabljata Applov trenutno najboljši kodirnik AAC za zagotavljanje najvišje možne kakovosti zvoka. Android uporablja drugi najkakovostnejši kodirnik Fraunhofer FDK AAC, vendar lahko uporablja različno strojno opremo, vgrajeno v platformo (SoC) z neznano kakovostjo kodiranja. Glede na nedavne teste na spletni strani SoundGuys, se kakovost kodiranja AAC med različnimi telefoni Android zelo razlikuje:

Večina brezžičnih zvočnih naprav ima največjo bitno hitrost 320 kbps za AAC, nekatere podpirajo samo 256 kbps. Druge bitne hitrosti so izjemno redke.
AAC zagotavlja odlično kakovost pri bitnih hitrostih 320 in 256 kbps, vendar je predmet izguba zaporednega kodiranja že stisnjene vsebine, vendar je pri bitni hitrosti 256 kb/s v iOS-u težko slišati kakršne koli razlike z izvirnikom tudi pri več zaporednih kodiranjih, pri enojnem kodiranju, na primer MP3 320 kb/s do AAC 256 kb/s, pa lahko izgube zanemarimo.
Kot pri drugih kodekih Bluetooth se vsaka glasba najprej dekodira in nato kodira s kodekom. Ko poslušate glasbo v formatu AAC, jo operacijski sistem najprej dekodira, nato pa znova kodira v AAC za prenos prek povezave Bluetooth. To je potrebno za mešanje več zvočnih tokov, kot so glasba in obvestila o novih sporočilih. iOS ni izjema. Na internetu lahko najdete veliko trditev, da glasba v formatu AAC na iOS-u ni prekodirana pri prenosu prek Bluetootha, kar ne drži.

MP1/2/3

Kodeki družine MPEG-1/2 Part 3 so sestavljeni iz dobro znanega in široko uporabljanega MP3, manj običajnega MP2 (ki se uporablja predvsem v digitalni televiziji in radiu) in popolnoma neznanega MP1.

Stara kodeka MP1 in MP2 sploh nista podprta: nisem mogel najti nobenih slušalk ali sklada Bluetooth, ki bi jih kodiral ali dekodiral.
Nekatere slušalke podpirajo dekodiranje MP3, vendar kodiranje ni podprto v nobenem sodobnem sistemu operacijskega sistema. Zdi se, da lahko sklad BlueSoleil drugega proizvajalca za Windows kodira v MP3, če ročno spremenite konfiguracijsko datoteko, vendar zame namestitev vodi do BSoD v sistemu Windows 10. Zaključek – kodeka dejansko ni mogoče uporabiti za zvok Bluetooth.
Prej, v letih 2006–2008, pred širjenjem standarda A2DP v napravah, so ljudje poslušali glasbo MP3 na slušalkah Nokia BH-501 prek programa MSI BluePlayer, ki je bil na voljo na Symbian in Windows Mobile. Takrat je arhitektura operacijskega sistema pametnih telefonov omogočala dostop do številnih funkcij nizke ravni, na Windows Mobile pa je bilo mogoče celo namestiti sklade Bluetooth tretjih oseb.

Zadnji patent kodeka MP3 je potekel, uporaba kodeka ne zahteva licenčnine od 23. aprila 2017.

Če kot merilo vzamemo najdlje trajajoč patent, omenjen v zgoraj omenjenih referencah, potem je tehnologija MP3 postala brez patentov v Združenih državah 16. aprila 2017, ko je potekel ameriški patent 6,009,399, ki ga ima in upravlja Technicolor.

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

Stopnja vzorčenja
Bitna hitrost
Podpora za kodiranje
Podpora za dekodiranje

16 - 48 kHz
8 - 320 kbps
Nikjer ni podprto
Nekatere zvočne naprave (strojna oprema)

LDAC

Nov in aktivno promoviran kodek »Hi-Res« podjetja Sony, ki podpira hitrost vzorčenja do 96 kHz in 24-bitno, z bitno hitrostjo do 990 kbps. Oglašuje se kot avdiofilski kodek, kot zamenjava za obstoječe kodeke Bluetooth. Ima funkcijo prilagodljive prilagoditve bitne hitrosti glede na pogoje radijskega oddajanja.

kodirnik LDAC (libldac) je vključen v standardni paket Android, tako da je kodiranje podprto na katerem koli pametnem telefonu Android, začenši z različico OS 8. Prosto dostopnih programskih dekoderjev ni, specifikacija kodeka ni na voljo širši javnosti, vendar je na prvi pogled na kodirnik notranja zgradba kodeka podobna ATRAC9 - Sonyjev kodek, ki se uporablja v PlayStation 4 in Vita: oba delujeta v frekvenčni domeni, uporabljata modificirano diskretno kosinusno transformacijo (MDCT) in stiskanje z uporabo Huffmanovega algoritma.

Podporo LDAC zagotavljajo skoraj izključno Sonyjeve slušalke. Zmožnost dekodiranja LDAC včasih najdemo na slušalkah in DAC-jih drugih proizvajalcev, vendar zelo redko.

Stopnja vzorčenja
Bitna hitrost
Podpora za kodiranje
Podpora za dekodiranje

44.1 - 96 kHz
303/606/909 kbit/s (za 44.1 in 88.2 kHz), 330/660/990 kbit/s (za 48 in 96 kHz)
Android 8 +
Nekatere slušalke Sony in nekatere naprave drugih proizvajalcev (strojna oprema)

Trženje LDAC kot kodeka visoke ločljivosti škodi njegovi tehnični komponenti: neumno je porabljati bitno hitrost za oddajanje frekvenc, ki jih človeško uho ne sliši, in povečevanje bitne globine, medtem ko ni dovolj za prenos kakovosti CD (44.1/16) brez izgub. . Na srečo ima kodek dva načina delovanja: prenos zvoka CD in prenos zvoka Hi-Res. V prvem primeru se po zraku prenaša samo 44.1 kHz/16 bitov.

Ker programski dekoder LDAC ni prosto dostopen, kodeka ni mogoče preizkusiti brez dodatnih naprav, ki dekodirajo LDAC. Glede na rezultate testa LDAC na DAC z njegovo podporo, ki so ga inženirji SoundGuys.com povezali prek digitalnega izhoda in posneli izhodni zvok na testne signale, LDAC 660 in 990 kbps v načinu kakovosti CD zagotavlja signal-to- razmerje šuma je nekoliko boljše kot pri aptX HD.

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

LDAC podpira tudi dinamične bitne hitrosti izven uveljavljenih profilov - od 138 kbps do 990 kbps, a kolikor vem, Android uporablja le standardizirana profila 303/606/909 in 330/660/990 kbps.

Drugi kodeki

Drugi kodeki A2DP se ne uporabljajo široko. Njihova podpora je skoraj popolnoma odsotna ali pa je na voljo le pri nekaterih modelih slušalk in pametnih telefonov.
Kodeka ATRAC, standardiziranega v A2DP, niti Sony sam ni nikoli uporabljal kot kodek Bluetooth, kodeki Samsung HD, Samsung Scalable in Samsung UHQ-BT imajo zelo omejeno podporo oddajnih in sprejemnih naprav, HWA LHDC pa je preveč nov in podpira le tri (?) naprave.

Podpora za kodek za avdio naprave

Vsi proizvajalci ne objavijo natančnih informacij o kodekih, ki jih podpirajo določene brezžične slušalke, zvočniki, sprejemniki ali oddajniki. Včasih se zgodi, da je podpora določenemu kodeku samo za prenos, ne pa tudi za sprejem (relevantno za kombinirane oddajnike-sprejemnike), čeprav proizvajalec preprosto deklarira "podporo", brez opomb (predvidevam, da ločeno licenciranje kodirnikov in dekoderjev nekaterih kodeki so krivi za to ). V najcenejših napravah morda sploh ne boste našli deklarirane podpore za aptX.

Na žalost vmesniki večine operacijskih sistemov nikjer ne prikažejo uporabljenega kodeka. Informacije o tem so na voljo samo v sistemu Android, od različice 8 naprej, in macOS. Vendar pa bodo tudi v teh OS prikazani samo tisti kodeki, ki jih podpirajo tako telefon/računalnik kot slušalke.

Kako lahko ugotovite, katere kodeke podpira vaša naprava? Posnemite in analizirajte izpad prometa s pogajalskimi parametri A2DP!
To je mogoče storiti v sistemih Linux, macOS in Android. V Linuxu lahko uporabite Wireshark ali hcidump, v macOS lahko uporabite Bluetooth Explorer, v Androidu pa lahko uporabite standardno funkcijo shranjevanja izpisa Bluetooth HCI, ki je na voljo v orodjih za razvijalce. Prejeli boste izpis v formatu btsnoop, ki ga lahko naložite v analizator Wireshark.
Обратите внимание: pravilen dump lahko dobite samo tako, da povežete telefon/računalnik s slušalkami/zvočniki (pa naj se sliši še tako smešno)! Slušalke lahko samostojno vzpostavijo povezavo s telefonom, v tem primeru bodo od telefona zahtevale seznam kodekov in ne obratno. Da zagotovite, da se posname pravilen izpis, najprej razdružite napravo in nato med snemanjem izpisa seznanite telefon s slušalkami.

Za filtriranje nepomembnega prometa uporabite naslednji filter prikaza:

btavdtp.signal_id

Kot rezultat bi morali videti nekaj podobnega temu:

Za ogled podrobnih značilnosti kodeka lahko kliknete vsak element v ukazu GetCapabilities.

Wireshark ne pozna vseh identifikatorjev kodekov, zato bo treba nekatere kodeke dešifrirati ročno, pri čemer si oglejte spodnjo tabelo identifikatorjev:

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

Da ne bi analiziral odlagališč ročno, sem naredil storitev, ki bo vse samodejno analizirala: btcodecs.valdikss.org.ru

Primerjava kodekov. Kateri kodek je boljši?

Vsak kodek ima svoje prednosti in slabosti.
aptX in aptX HD uporabljata trdo kodirane profile, ki jih ni mogoče spremeniti brez spreminjanja kodirnika in dekoderja. Niti proizvajalec telefona niti proizvajalec slušalk ne moreta spremeniti bitne hitrosti ali faktorjev kodiranja aptX. Lastnik kodeka, Qualcomm, ponuja referenčni kodirnik v obliki knjižnice. Ta dejstva so moč aptX - vnaprej veste, kakšno kakovost zvoka boste dobili, brez "ampak".

V nasprotju s tem ima SBC veliko nastavljivih parametrov, dinamično bitno hitrost (kodirnik lahko zmanjša parameter bitpool, če so radijski valovi zasedeni) in nima trdo kodiranih profilov, le priporočeni »srednja kakovost« in »visoka kakovost«, ki sta bila dodan specifikaciji A2DP leta 2003. »Visoka kakovost« po današnjih standardih ni več tako visoka in večina skladov Bluetooth ne dovoljuje uporabe parametrov, boljših od profila »visoke kakovosti«, čeprav za to ni tehničnih omejitev.
Bluetooth SIG nima referenčnega kodirnika SBC kot knjižnice in ga proizvajalci implementirajo sami.
To so slabosti SBC – nikoli ni vnaprej jasno, kakšno kakovost zvoka lahko pričakujemo od posamezne naprave. SBC lahko ustvari nizko in zelo visoko kakovost zvoka, vendar je slednja nedosegljiva, ne da bi onemogočili ali obšli umetne omejitve skladov Bluetooth.

Stanje z AAC je dvoumno: po eni strani bi moral kodek teoretično ustvariti kakovost, ki se ne bi razlikovala od izvirnika, vendar v praksi, sodeč po testih laboratorija SoundGuys na različnih napravah Android, to ni potrjeno. Najverjetneje je napaka v nizkokakovostnih strojnih kodirnikih zvoka, ki so vgrajeni v različne telefonske nabore čipov. AAC je smiselno uporabljati le na Applovih napravah, na Androidih pa ga omejiti na aptX in LDAC.

Strojna oprema, ki podpira alternativne kodeke, je običajno višje kakovosti, preprosto zato, ker za zelo poceni naprave nizke kakovosti ni smiselno plačevati licenčnine za uporabo teh kodekov. V mojih testih SBC zveni zelo dobro na kakovostni opremi.

Naredil sem spletno storitev, ki kodira zvok v SBC, aptX in aptX HD v realnem času, neposredno v brskalniku. Z njim lahko preizkusite te zvočne kodeke, ne da bi dejansko prenašali zvok prek Bluetootha, na katere koli žične slušalke, zvočnike in vašo najljubšo glasbo ter spremenite parametre kodiranja neposredno med predvajanjem zvoka:
btcodecs.valdikss.org.ru/sbc-encoder
Storitev uporablja kodirni knjižnici SBC iz projekta BlueZ in libopenaptx iz ffmpeg, ki sta prevedeni v WebAssembly in JavaScript iz C prek emscriptena za izvajanje v brskalniku. Kdo bi lahko sanjal o taki prihodnosti!

Takole izgleda:

Opazite, kako se raven šuma spreminja po 20 kHz za različne kodeke. Izvirna datoteka MP3 ne vsebuje frekvenc nad 20 kHz.

Poskusite zamenjati kodeke in preverite, ali slišite razliko med izvirnikom, SBC 53 Joint Stereo (standardni in najpogostejši profil) in aptX/aptX HD.

Slišim razliko med kodeki v slušalkah!

Ljudje, ki med testiranjem prek spletne storitve ne slišijo razlike med kodeki, trdijo, da jo slišijo pri poslušanju glasbe na brezžičnih slušalkah. Žal, to ni šala ali placebo učinek: razlika je res slišna, a ni posledica razlik kodeki.

Velika večina naborov zvočnih čipov Bluetooth, ki se uporabljajo v brezžičnih sprejemnih napravah, je opremljenih z digitalnim signalnim procesorjem (DSP), ki izvaja izenačevalnik, kompander, stereo razširjevalnik in druge stvari, namenjene izboljšanju (ali spreminjanju) zvoka. Proizvajalci opreme Bluetooth lahko konfigurirajo DSP za vsak kodek posebej, pri preklapljanju med kodeki pa bo poslušalec mislil, da sliši razliko v delovanju kodekov, v resnici pa posluša različne DSP nastavitve.

Cevovod za obdelavo zvoka DSP Kalimba v čipih proizvajalca CSR/Qualcomm

Aktivirajte različne funkcije DSP za vsak kodek in izhod posebej

Nekatere vrhunske naprave so opremljene s programsko opremo, ki vam omogoča prilagoditev nastavitev DSP, večina cenejših slušalk pa ne in uporabniki ne morejo ročno izklopiti naknadne obdelave zvoka.

Funkcionalne lastnosti naprav

Sodobna različica standarda A2DP ima funkcija “absolutni nadzor glasnosti”. — nadzor glasnosti naprave s posebnimi ukazi protokola AVRCP, ki uravnava ojačitev izhodne stopnje, namesto da programsko zmanjša glasnost zvočnega toka. Če se ob spreminjanju glasnosti v slušalkah sprememba ne sinhronizira z glasnostjo v telefonu, vaše slušalke ali telefon ne podpirajo te funkcije. V tem primeru je smiselno, da glasbo na telefonu vedno poslušate z največjo glasnostjo, dejansko glasnost pa prilagodite z gumbi slušalk – v tem primeru bo razmerje signal/šum boljše in kakovost zvoka mora biti višje.
V resnici obstajajo žalostne situacije. Na mojih slušalkah RealForce OverDrive D1 za SBC je vklopljen močan compander in povečanje glasnosti vodi do povečanja ravni tihih zvokov, medtem ko se glasnost glasnih zvokov ne spremeni (signal je stisnjen). Zaradi tega morate glasnost na računalniku nastaviti na približno polovico, v tem primeru praktično ni učinka stiskanja.
Po mojih opažanjih vse slušalke z dodatnimi kodeki podpirajo funkcijo absolutnega nadzora glasnosti, očitno je to ena od zahtev za certificiranje kodekov.

Nekatere slušalke podpirajo povezovanje dveh naprav hkrati. Tako lahko na primer poslušate glasbo iz računalnika in sprejemate klice iz telefona. Vendar se morate zavedati, da so v tem načinu alternativni kodeki onemogočeni in se uporablja samo SBC.

AVDTP 1.3 Funkcija poročanja o zakasnitvi omogoča, da slušalke sporočijo zakasnitev oddajni napravi, pri kateri se zvok dejansko predvaja. To vam omogoča prilagajanje sinhronizacije zvoka z videom med ogledovanjem video datotek: če pride do težav z radijskim prenosom, zvok ne bo zaostajal za videom, ampak nasprotno, video bo video predvajalnik upočasnil, dokler ne zvok in video se ponovno sinhronizirata.
Funkcijo podpirajo številne slušalke, Android 9+ in Linux s PulseAudio 12.0+. Ne poznam podpore za to funkcijo na drugih platformah.

Dvosmerna komunikacija prek Bluetooth. Prenos glasu.

Za prenos govora v Bluetooth se uporablja Synchronous Connection Oriented (SCO) - sinhroni prenos s predhodnim pogajanjem o povezavi. Način vam omogoča prenos zvoka in glasu v strogem vrstnem redu, s simetričnimi hitrostmi pošiljanja in prejemanja, brez čakanja na potrditev prenosa in ponovnega pošiljanja paketov. To zmanjša celotno zakasnitev prenosa zvoka po radijskem kanalu, vendar nalaga resne omejitve glede količine podatkov, prenesenih na časovno enoto, in negativno vpliva na kakovost.
Ko je uporabljen ta način, se glas in zvok prenašata z enako kakovostjo.
Na žalost je od leta 2019 kakovost zvoka prek Bluetootha še vedno slaba in ni jasno, zakaj Bluetooth SIG glede tega ne ukrepa.

CVSD

Osnovni govorni kodek CVSD je bil standardiziran leta 2002 in ga podpirajo vse dvosmerne komunikacijske naprave Bluetooth. Omogoča prenos zvoka s frekvenco vzorčenja 8 kHz, kar ustreza kakovosti običajne žične telefonije.

Primer posnetka v tem kodeku.

mSBC

Dodatni kodek mSBC je bil standardiziran leta 2009, leta 2010 pa so se že pojavili čipi, ki ga uporabljajo za prenos govora. mSBC je široko podprt z različnimi napravami.
To ni neodvisen kodek, ampak navaden SBC iz standarda A2DP, s fiksnim profilom kodiranja: 16 kHz, mono, bitpool 26.

Primer posnetka v tem kodeku.

Ni briljanten, a veliko boljši od CVSD, vendar ga je še vedno moteče uporabljati za spletno komunikacijo, še posebej, če za komunikacijo v igri uporabljate slušalke - tudi zvok igre se bo prenašal s frekvenco vzorčenja 16 kHz.

Podjetje FastStreamCSR se je odločilo razviti idejo o uporabi SBC. Da bi se izognili omejitvam protokola SCO in uporabili višje bitne hitrosti, je CSR šel drugačno pot - uvedel je podporo za dvosmerni zvok SBC v standard enosmernega prenosa zvoka A2DP, standardiziral profile kodiranja in ga poimenoval "FastStream".

FastStream prenaša stereo zvok pri 44.1 ali 48 kHz z bitno hitrostjo 212 kbps na zvočnike, mono, 16 kHz, z bitno hitrostjo 72 kbps pa se uporablja za prenos zvoka iz mikrofona (nekoliko bolje kot mSBC). Takšni parametri so veliko bolj primerni za komunikacijo v spletnih igrah - zvok igre in sogovorniki bodo kakovostni.

Primer posnetka v tem kodeku (+ zvok iz mikrofona, enako kot mSBC).

Podjetje se je domislilo zanimive bergle, vendar je zaradi dejstva, da je v nasprotju s standardom A2DP, podprt le v nekaterih oddajnikih podjetja (ki delujejo kot zvočna kartica USB, ne kot naprava Bluetooth), vendar ne prejemajo podporo v skladih Bluetooth, čeprav število slušalk s podporo za FastStream ni tako majhno.

Trenutno je podpora za FastStream samo v OS kot popravek za Linux PulseAudio od razvijalca Palija Rohárja, ki ni vključen v glavno vejo programa.

aptX Nizka zakasnitev

Na vaše veliko presenečenje aptX Low Latency podpira tudi dvosmerni zvok, ki izvaja isto načelo kot FastStream.
To funkcijo kodeka je nemogoče uporabiti kjer koli - ni podpore za dekodiranje z nizko zakasnitvijo v nobenem operacijskem sistemu ali v katerem koli meni znanem skladu Bluetooth.

Bluetooth 5, klasični in nizkoenergijski

Glede specifikacij in različic Bluetooth je bilo veliko zmede zaradi prisotnosti dveh nezdružljivih standardov pod isto blagovno znamko, ki se pogosto uporabljata za različne namene.

Obstajata dva različna, nezdružljiva protokola Bluetooth: Bluetooth Classic in Bluetooth Low Energy (LE, znan tudi kot Bluetooth Smart). Obstaja tudi tretji protokol, Bluetooth High Speed, vendar ni razširjen in se ne uporablja v gospodinjskih napravah.

Od Bluetooth 4.0 so se spremembe v specifikaciji nanašale predvsem na Bluetooth Low Energy, različica Classic pa je bila deležna le manjših izboljšav.

Seznam sprememb med Bluetooth 4.2 in Bluetooth 5:

9 SPREMEMB IZ v4.2 NA 5.0

9.1 NOVE FUNKCIJE

V različici Bluetooth Core Specification 5.0 je predstavljenih več novih funkcij. Glavna področja izboljšave so:
• Maska razpoložljivosti reže (SAM)
• 2 Msym/s PHY za LE
•LE dolgega dosega
• Nepovezljivo oglaševanje z visokim delovnim ciklom
• LE Advertising Extensions
• Algoritem za izbiro kanala LE #2
9.1.1 Funkcije, dodane v CSA5 – integrirane v v5.0
• Večja izhodna moč

Vir: www.bluetooth.org/docman/handlers/DownloadDoc.ashx?doc_id=421043 (stran 291)

Samo ena sprememba je vplivala na različico Classic v okviru specifikacije Bluetooth 5: dodali so podporo za tehnologijo Slot Availability Mask (SAM), ki je zasnovana za izboljšanje ločevanja radijskih oddaj. Vse druge spremembe vplivajo samo na Bluetooth LE (in tudi na večjo izhodno moč).

vsi Avdio naprave uporabljajo samo Bluetooth Classic. Nemogoče je povezati slušalke in zvočnike prek Bluetooth Low Energy: ni standarda za prenos zvoka z uporabo LE. Standard A2DP, ki se uporablja za prenos visokokakovostnega zvoka, deluje samo prek Bluetooth Classic in v LE ni analognega.

Zaključek – nakup avdio naprav z Bluetooth 5 samo zaradi nove različice protokola je nesmiseln. Bluetooth 4.0/4.1/4.2 bo v kontekstu prenosa zvoka deloval popolnoma enako.
Če napoved novih slušalk omenja podvojen doseg delovanja in zmanjšano porabo energije zahvaljujoč Bluetooth 5, potem morate vedeti, da tega sami ne razumejo ali pa vas zavajajo. Nič čudnega, saj se tudi proizvajalci Bluetooth čipov v svojih objavah begajo glede razlik med novo različico standarda, nekateri čipi Bluetooth 5 pa podpirajo peto različico le za LE, za Classic pa uporabljajo 4.2.

Zakasnitev prenosa zvoka

Količina zakasnitve (zamika) v zvoku je odvisna od številnih dejavnikov: velikosti medpomnilnika v zvočnem skladu, v skladu Bluetooth in v sami napravi za brezžično predvajanje ter algoritemske zakasnitve kodeka.

Zakasnitev enostavnih kodekov, kot so SBC, aptX in aptX HD, je zelo majhna, 3-6 ms, kar je mogoče zanemariti, kompleksni kodeki, kot sta AAC in LDAC, pa lahko povzročijo opazen zamik. Algoritemska zakasnitev AAC za 44.1 kHz je 60 ms. LDAC - približno 30 ms (temelji na grobi analizi izvorne kode. Lahko se motim, vendar ne veliko.)

Končna zakasnitev je močno odvisna od naprave za predvajanje, njenega nabora čipov in medpomnilnika. Med testi sem prejel razpon od 150 do 250 ms na različnih napravah (s kodekom SBC). Če predpostavimo, da naprave, ki podpirajo dodatne kodeke aptX, AAC in LDAC, uporabljajo visokokakovostne komponente in majhno velikost medpomnilnika, dobimo naslednje tipične zakasnitve:

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

Naj vas spomnim: aptX Low Latency ni podprt v operacijskih sistemih, zato nižjo zakasnitev lahko dosežete le s kombinacijo oddajnik+sprejemnik ali oddajnik+slušalke/zvočnik, vse naprave pa morajo podpirati ta kodek.

Težave z napravo Bluetooth, certifikatom in logotipom

Kako razlikovati visokokakovostno avdio napravo od poceni obrti? Po videzu, najprej!

Za poceni kitajske slušalke, zvočnike in sprejemnike:

1. Na škatli in napravi manjka beseda “Bluetooth”, najpogosteje se uporabljata “Wireless” in “BT”.
2. Manjka logotip Bluetooth na škatli ali napravi
3. Brez modre utripajoče LED

Odsotnost teh elementov pomeni, da naprava ni certificirana, kar pomeni, da je potencialno nekvalitetna in problematična. Na primer, slušalke Bluedio nimajo certifikata Bluetooth in niso v celoti v skladu s specifikacijo A2DP. Ne bi opravili certificiranja.

Razmislimo o več napravah in škatlah iz njih:

Vse to so necertificirane naprave. Navodila lahko vsebujejo logotip in ime Bluetooth tehnologije, najpomembneje pa je, da so na škatli in/ali sami napravi.

Če na slušalkah ali zvočniku piše "Ze bluetooth dewise je uspešno povezan", to prav tako ne pomeni njihove kakovosti:

Zaključek

Ali lahko Bluetooth popolnoma nadomesti žične slušalke in naglavne slušalke? Je sposoben, vendar za ceno slabe kakovosti klicev, povečane zakasnitve zvoka, ki je lahko moteča v igrah, in množice lastniških kodekov, ki zahtevajo licenčnine in povečajo končno ceno pametnih telefonov in slušalk.

Trženje alternativnih kodekov je zelo močno: aptX in LDAC sta predstavljena kot dolgo pričakovana zamenjava za »zastareli in slabi« SBC, ki niti približno ni tako slab, kot si ljudje mislijo.

Kot se je izkazalo, je mogoče zaobiti umetne omejitve skladov Bluetooth glede bitne hitrosti SBC, tako da SBC ne bo slabši od aptX HD. Prevzel sem pobudo v svoje roke in naredil popravek za firmware LineageOS: Spremenimo sklad Bluetooth za izboljšanje zvoka v slušalkah brez kodekov AAC, aptX in LDAC

Več informacij najdete na spletnih straneh Sound Guys и SoundExpert.

bonus: Referenčni kodirnik SBC, informacije o bitnem toku A2DP in testne datoteke. Ta datoteka je bila prej javno objavljena na spletnem mestu Bluetooth, zdaj pa je na voljo samo članom Bluetooth SIG.

Vir: www.habr.com