任馨宇

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心，北京，100041）

藍(lán)牙技術(shù)是一種支持無(wú)線設(shè)備進(jìn)行短距離通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備間的近距離數(shù)據(jù)交換。因其具有低成本、低功耗、可拓展性強(qiáng)的特點(diǎn)而被公認(rèn)為是最廣泛的短距離無(wú)線通信技術(shù)。近年來(lái)，隨著藍(lán)牙技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍從早期的無(wú)線鼠標(biāo)、無(wú)線耳機(jī)、移動(dòng)電話、筆記本電腦、音箱等消費(fèi)類電子產(chǎn)品，逐步拓展至汽車、醫(yī)療、航空、軍用等等領(lǐng)域。盡管如此，音頻仍然是藍(lán)牙技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)也是藍(lán)牙技術(shù)使用時(shí)間最長(zhǎng)的應(yīng)用之一。

藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟希望隨著下一代LEAudio音頻標(biāo)準(zhǔn)的推出，所有開(kāi)發(fā)人員都將從基礎(chǔ)設(shè)施上獲得一個(gè)更強(qiáng)大、更靈活的平臺(tái)，并為他們未來(lái)20年的創(chuàng)新奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在的藍(lán)牙音響是基于ClassicAudio音響，已經(jīng)有20年的歷史；隨著新產(chǎn)品和新技術(shù)的出現(xiàn)，如TWS無(wú)線熱狗和藍(lán)牙助聽(tīng)器等復(fù)雜產(chǎn)品的出現(xiàn)，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不能完全滿足這些創(chuàng)新需求，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟的一些成員公司已經(jīng)推出了獨(dú)立的創(chuàng)新。這次推出LEAudio是希望統(tǒng)一音頻標(biāo)準(zhǔn)，有利于推廣新產(chǎn)品，帶來(lái)音頻分享等新的應(yīng)用場(chǎng)景。

對(duì)于傳統(tǒng)的音頻設(shè)備而言，藍(lán)牙音頻傳輸應(yīng)用協(xié)議A2DP(Advanced Audio Distribution Profile)定義了在ACL信道上進(jìn)行單聲道或立體聲高質(zhì)量音頻數(shù)據(jù)流傳輸?shù)倪^(guò)程，是一種被廣泛應(yīng)用的應(yīng)用協(xié)議，其中最為典型的應(yīng)用就是藍(lán)牙耳機(jī)。A2DP可以實(shí)現(xiàn)智能終端設(shè)備和藍(lán)牙耳機(jī)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的高品質(zhì)音頻數(shù)據(jù)傳輸，為用戶提供優(yōu)質(zhì)的聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)。然而，隨著藍(lán)牙技術(shù)的由傳統(tǒng)藍(lán)牙向低功耗藍(lán)牙方向演進(jìn)發(fā)展，低功耗藍(lán)牙音頻設(shè)備和應(yīng)用場(chǎng)景不斷出現(xiàn)，A2DP無(wú)法繼續(xù)滿足某些場(chǎng)景，例如A2DP僅支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸方式，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步地點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，A2DP設(shè)備的輸出端和接收端會(huì)存在延遲，而且沒(méi)有數(shù)據(jù)保護(hù)，傳輸過(guò)程存在安全性問(wèn)題。就傳輸速率而言，A2DP設(shè)備在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)要求傳輸音頻數(shù)據(jù)的速率必須小于藍(lán)牙的傳輸速率。

基于上述問(wèn)題，新一代低功耗藍(lán)牙音頻技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)LE Audio應(yīng)運(yùn)而生。LE Audio是采用低復(fù)雜性通信編解碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)低功耗傳輸高品質(zhì)音頻的新一代藍(lán)牙音頻技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其引入了低功耗等時(shí)信道LE Isochronous Channels和低復(fù)雜性通信編解碼技術(shù)LC3，從而可以實(shí)現(xiàn)更為靈活的音頻分享功能。

LE Isochronous Channels可以實(shí)現(xiàn)同步點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。眾所周知，在藍(lán)牙傳輸過(guò)程中，保持連接狀態(tài)是非常消耗功率和帶寬的過(guò)程。如何有效利用資源構(gòu)建低功耗高效傳輸通道和傳輸策略是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。在低功耗藍(lán)牙設(shè)備連接過(guò)程中，需要至少7.5 ms的收發(fā)數(shù)據(jù)周期connInterval。藍(lán)牙設(shè)備在進(jìn)行點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，通過(guò)LE Isochronous Channels可以將輸出端和接收端同步在一個(gè)時(shí)間框架內(nèi)，建立了有效的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制：數(shù)據(jù)多時(shí)，利用connInterval的時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)少時(shí)，通過(guò)拉長(zhǎng)時(shí)間間隔達(dá)到降低功耗的目的。LE Isochronous Channels支持連接模式和非連接模式。在連接模式下，發(fā)送端設(shè)備Master可以向接收端設(shè)備Slave發(fā)送連接同步數(shù)據(jù)流CIS(Connected Isochronous Stream)請(qǐng)求，一個(gè)Master在一個(gè)連接同步組CIG(Connected Isochronous Group)中最多可以建立31個(gè)CIS。對(duì)于非連接模式而言，藍(lán)牙技術(shù)不斷改進(jìn)傳輸機(jī)制以增強(qiáng)低功耗藍(lán)牙設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?。Bluetooth 4.0提出了傳統(tǒng)廣播Legacy Advertising。每隔一段時(shí)間，低功耗藍(lán)牙設(shè)備可以在37、38、39信道發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包，發(fā)送廣播之間存在廣播間隔advInterval。由于不同設(shè)備之間如果advInterval和時(shí)間步點(diǎn)都一致，會(huì)存在互相干擾，因此Bluetooth 4.0提出了隨機(jī)延時(shí)advDelay，有效地提高了低功耗藍(lán)牙設(shè)備的魯棒性，但是無(wú)法解決功耗問(wèn)題且無(wú)法實(shí)現(xiàn)周期性廣播。Bluetooth 5.0提出了周期性廣播Periodic Advertising。在37、38、39信道廣播第二信道中的輔助包(Secondary Advertising)信息，從而建立周期性廣播。進(jìn)行信息交互的Bluetooth 5.0設(shè)備在0～36信道以固定步長(zhǎng)廣播。Bluetooth 5.2在Periodic Advertising的基礎(chǔ)之上提出了廣播等時(shí)信道Broadcast Isochronous Channel，支持非連接狀態(tài)下多接收端數(shù)據(jù)流同步傳輸。發(fā)送端和接收端之間可以通過(guò)非連接同步信道建立單向連接。多接收端設(shè)備可以同步監(jiān)聽(tīng)發(fā)送端的廣播數(shù)據(jù)包，獲取廣播同步組BIG(Broadcast Isochronous Group)字段，實(shí)現(xiàn)與相應(yīng)的同步數(shù)據(jù)流BIS(Broadcast Isochronous Stream)信息同步。

LC3是基于塊的轉(zhuǎn)換音頻編解碼技術(shù)，它定義了應(yīng)用于音頻配置文件的有效藍(lán)牙音頻編解碼器，此編解碼器可以通過(guò)多種比特率對(duì)語(yǔ)音和音樂(lè)進(jìn)行編碼，并且可以合并到任何藍(lán)牙音頻配置文件之中。簡(jiǎn)單而言，低復(fù)雜性通信編解碼器是一種具有低算法延遲，低復(fù)雜性實(shí)現(xiàn)，且具有廣泛可用比特率的編解碼器。本文討論的編碼器和解碼器均以10 ms和7.5 ms的幀間隔工作，采樣頻率為8 kHz、16 kHz、24 kHz、32 kHz和48 kHz。當(dāng)輸入信號(hào)的采樣頻率為44.1 kHz時(shí)，使用與48 kHz相同的幀長(zhǎng)度，因此10 ms幀間隔的實(shí)際幀持續(xù)時(shí)間略長(zhǎng)，為10.884 ms；而7.5 ms 幀間隔的實(shí)際幀持續(xù)時(shí)間為8.16 ms。

LC3的總編解碼器算法延遲是幀持續(xù)時(shí)間和編碼器端MDCT（改進(jìn)的離散余弦變換）持續(xù)時(shí)間的總和。當(dāng)幀間隔為10 ms，采樣頻率為 8 kHz、16 kHz、24 kHz、32 kHz 和 48 kHz 時(shí)，總編解碼器算法延遲為 12.5 ms，當(dāng)輸入信號(hào)的采樣頻率為44.1 kHz時(shí)，總編解碼器算法延遲為 13.605 ms。當(dāng)幀間隔為7.5 ms，采樣頻率為8 kHz、16 kHz、24 kHz、32 kHz和48 kHz時(shí)，總編解碼器算法延遲為11.5 ms，當(dāng)輸入信號(hào)的采樣頻率為44.1 kHz時(shí)，總編解碼器算法延遲為12.517 ms。

基于外部設(shè)定的比特率，LC3編碼器算法對(duì)每個(gè)通道的單個(gè)脈沖編碼調(diào)制幀PCM進(jìn)行了壓縮處理，并為每個(gè)有效負(fù)載的信道提供源編碼位，并且無(wú)需在此有效負(fù)載之上添加任何傳輸通道錯(cuò)誤保護(hù)。單個(gè)通道的有效負(fù)載在每幀20字節(jié)到400字節(jié)之間。與此相對(duì)應(yīng)，幀間隔為10 ms時(shí)，總壓縮比特率范圍在16000 bps到320000 bps之間；幀間隔為7.5 ms時(shí)，總壓縮比特率范圍在21334 bps到426666 bps之間。當(dāng)采樣頻率為44.1 kHz，幀持續(xù)時(shí)間為10.884 ms時(shí)，幀間隔為10 ms所對(duì)應(yīng)的比特率范圍在14700 bps到294000 bps之間，幀間隔為7.5 ms 對(duì)應(yīng)的范圍在19600 bps到392000 bps之間。由此可見(jiàn)，LC3 可以以恒定比特率或外部控制的可變比特率實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻數(shù)據(jù)的編解碼處理。

對(duì)于解碼過(guò)程而言，LC3解碼器通過(guò)外部確定的壞幀指示BFI(Bad Frame Indication)標(biāo)志和每個(gè)通道的有效負(fù)載大小對(duì)接收的有效負(fù)載進(jìn)行解碼處理。BFI標(biāo)志用于向解碼器發(fā)送丟失的有效負(fù)載或者接收的有效負(fù)載中存在的任何檢測(cè)到的誤碼。外部應(yīng)用可以向解碼器發(fā)送損壞的有效負(fù)載信息。如果有效負(fù)載位標(biāo)記為損壞，LC3解碼器將跳過(guò)有效負(fù)載位，并激活PLC算法以生成未壓縮的PCM輸出信號(hào)。LC3有效負(fù)載中不包含（如時(shí)間戳或序列號(hào)等）任何時(shí)序信息。LC3解碼器通過(guò)有效負(fù)載的大小對(duì)接收到的有效負(fù)載進(jìn)行解析處理。

藍(lán)牙音頻的新功能之一是LEAudio廣播模式。實(shí)際上，廣播音頻分為兩個(gè)級(jí)別:1基于個(gè)人，2基于位置的音頻共享。聲音的優(yōu)勢(shì)在大多數(shù)情況下在于后者的應(yīng)用，后者的體驗(yàn)類似于Wi-Fi，比如用戶帶著手機(jī)來(lái)到公共場(chǎng)所，可以自由選擇想要分享的廣播聲音。有些音頻廣播是開(kāi)放的，有些則要求用戶輸入密碼。LEAudio有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):支持多種語(yǔ)言；支持因聽(tīng)力喪失或聽(tīng)力喪失而佩戴助聽(tīng)器的人。非常適合機(jī)場(chǎng)、劇院、電影院、汽車等。就距離而言，對(duì)于劇場(chǎng)或者電影院來(lái)說(shuō)，全覆蓋沒(méi)有問(wèn)題。事實(shí)上，就擴(kuò)散而言，LEAudio可以達(dá)到比傳統(tǒng)聲音更長(zhǎng)的傳輸距離，主要是因?yàn)榇蠖鄶?shù)以前版本的經(jīng)典聲音都是在更短的距離上設(shè)計(jì)的，并且傳輸是雙向的。新的LEAudio傳遞函數(shù)是單向的，并優(yōu)化了距離。在LEAudio軟件的一個(gè)新應(yīng)用中，藍(lán)牙技術(shù)的結(jié)合可以啟動(dòng)基于特定功能的圖標(biāo)，例如音頻共享，因?yàn)檫@是一個(gè)用戶從未使用過(guò)的全新概念和使用案例。新圖標(biāo)的引入，意味著消費(fèi)者會(huì)知道電視是否出現(xiàn)在公共場(chǎng)所，如電影院、劇院、健身場(chǎng)所等，可以使用藍(lán)牙音頻共享。然而，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟并不打算為聲音引入新的圖標(biāo)，因?yàn)樗{(lán)牙本身支持廣泛的功能，包括LEAudio傳輸、數(shù)據(jù)傳輸、位置服務(wù)、設(shè)備網(wǎng)絡(luò)等。藍(lán)牙技術(shù)的結(jié)合更多的是為了了解藍(lán)牙功能的廣度和多樣性，并提高人們的認(rèn)識(shí)，隨著藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展，這些多樣的功能可以逐漸進(jìn)入每個(gè)人的生產(chǎn)生活。聲音也是如此，它是藍(lán)牙家族不可或缺的一部分。

綜上所述，新一代低功耗藍(lán)牙音頻LE Audio通過(guò)構(gòu)建低功耗、高效音頻傳輸通道和傳輸策略，同時(shí)優(yōu)化音頻數(shù)據(jù)的編解碼算法，有效提升音頻傳輸質(zhì)量、改善用戶的藍(lán)牙音頻體驗(yàn)。LE Audio有助于將低功耗、高質(zhì)量的音頻擴(kuò)展至整個(gè)無(wú)線通信生態(tài)系統(tǒng)，為用戶帶來(lái)全新的音頻共享體驗(yàn)。