如何實(shí)現(xiàn)BLE全雙工語音通訊

一簡(jiǎn)介

在無線藍(lán)牙領(lǐng)域，既能滿足超低功耗，又能進(jìn)行全雙工語音通訊，一直是市場(chǎng)上的需求，比如：無線門鈴，短距離對(duì)講機(jī)等應(yīng)用。針對(duì)BLE語音相關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景，ST推出了FP-AUD-BVLINKWB1這個(gè)軟件包供客戶評(píng)估。

本文將對(duì)這個(gè)軟件包展開介紹，該軟件包主要包含以下特性：

使用Opus v1.3編碼和解碼，通過BLE實(shí)現(xiàn)全雙工立體音頻流。

使用自定義BlueVoiceOPUS協(xié)議，通過API即可使用Opus功能。

源碼包含數(shù)字音頻捕獲和處理。

可以通過USB進(jìn)行音頻流的回放。

可使用麥克風(fēng)擴(kuò)展板X-NUCLEO-CCA02M2 + Nucleo開發(fā)板P-NUCLEO-WB55的組合或者探索板STM32WB5MM-DK。

兼容STBLESensor App。

免費(fèi)開源。

感興趣的話歡迎下載該軟件包進(jìn)行評(píng)估

點(diǎn)擊這里下載軟件包

二軟件介紹

軟件架構(gòu)

▲圖1.軟件架構(gòu)圖

Hardware Abstraction:硬件抽象層，使用了STM32的HAL庫(kù)提供底層的硬件驅(qū)動(dòng)。

BSP層：在HAL層之上，提供了板級(jí)支持包，包含了SPI,ADC,LED和User Button等驅(qū)動(dòng)。

Middleware層：中間件層，主要包含了以下內(nèi)容：

□ STM32 WPAN：提供BLE，Thread，Zigbee等協(xié)議相關(guān)的接口API，本應(yīng)用只使用了BLE協(xié)議。

□ USB Device：提供各種不同USB device類的實(shí)現(xiàn)，本應(yīng)用中只使用了USB Audio類。

□ PDM Lib：提供了數(shù)字麥克風(fēng)PDM信號(hào)到PCM信號(hào)轉(zhuǎn)換的軟件實(shí)現(xiàn)。

□ OPUS：開源第三方的OPUS庫(kù)，版本v1.3。

Opus簡(jiǎn)介Opus是完全開源免費(fèi)的高通用性音頻編解碼協(xié)議，由Internet Engineering Task Force (IETF)標(biāo)準(zhǔn)化。

Opus可以處理廣泛的音頻應(yīng)用，包括IP語音、視頻會(huì)議、游戲內(nèi)聊天，甚至遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)音樂表演。它可以從低比特率窄帶語音縮放到非常高質(zhì)量的立體聲音樂，并且具備以下特點(diǎn)：

比特率范圍：6kb /s到510 kb/s

采樣率范圍：8khz(窄帶)到48kHz(全帶)

幀大?。?.5 ms到60 ms

比特率，采樣率，幀大小動(dòng)態(tài)可調(diào)節(jié)

支持固定比特率(CBR)和可變比特率(VBR)

支持語音和音樂

支持單聲道和立體聲

最多支持255個(gè)通道

良好的魯棒性和丟包隱藏能力

支持浮點(diǎn)和定點(diǎn)

BlueVoiceOPUS協(xié)議BlueVoiceOPUS是自定義的協(xié)議，Central和Peripheral是GAP層的角色，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊中，主動(dòng)發(fā)起連接請(qǐng)求的設(shè)備為Central。在GATT協(xié)議中，Server接受請(qǐng)求和命令，將數(shù)據(jù)保存在屬性中。Client實(shí)施服務(wù)發(fā)現(xiàn)流程，并向Server請(qǐng)求數(shù)據(jù)。

如果是單向的非對(duì)稱語音系統(tǒng)，那么具備麥克風(fēng)的設(shè)備可以定義為Server，客戶端可以主動(dòng)或被動(dòng)接收Server的語音數(shù)據(jù)流。

▲圖2.GATT角色分配

如圖2，F(xiàn)P-AUD-BVLINKWB1提供了雙向的系統(tǒng)，雙方設(shè)備都具備語音的能力，所以雙方都實(shí)現(xiàn)了GATT Server以及Client的角色。并且，Server的語音數(shù)據(jù)基于notification性質(zhì)，將以異步的方式主動(dòng)發(fā)送給Client。

? BlueVoiceOPUS服務(wù)

ATT協(xié)議用于在設(shè)備中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，ATT的最小實(shí)體稱為屬性。GATT服務(wù)由各種服務(wù)組成，其中服務(wù)由服務(wù)申明屬性作為起始，每一個(gè)服務(wù)又包含若干特性，特性由任意屬性或?qū)傩悦枋龇M成。

表1是典型的BLE服務(wù)的屬性表，其中包含了1個(gè)服務(wù)申明以及3個(gè)特性。Audio特性用來通知對(duì)方設(shè)備音頻數(shù)據(jù)。Ctrl特性通知對(duì)方設(shè)備控制數(shù)據(jù)，比如播放，暫停等。Music特性用來通知對(duì)方音樂數(shù)據(jù)，該特性只在ST BLE Sensor APP中實(shí)現(xiàn)，取代Audio特性，用來傳輸壓縮后的48KHz立體音樂。

▲表1.BlueVoiceOPUS服務(wù)屬性表

? BLUEVoiceOPUS實(shí)現(xiàn)

在Middleware層，和BlueVoiceOPUS協(xié)議相關(guān)的文件包括：

bvopus_service_stm：該文件管理所有和BLE相關(guān)的功能，包括添加服務(wù)和添加特性，以及數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。其中包含了一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)封包和解析協(xié)議。

opus_interface_stm：該文件實(shí)現(xiàn)了Opus編碼器和BlueVoiceOPUS服務(wù)的接口。提供簡(jiǎn)單的API用于Opus初始化，配置，數(shù)據(jù)壓縮和解壓等。

應(yīng)用層介紹在軟件包中包含了三個(gè)主要的工程：

BVLCentral：作為主設(shè)備主動(dòng)發(fā)起連接，并提供BlueVoiceOPUS服務(wù)。

BVLPeripheral：作為從設(shè)備廣播，并提供BlueVoiceOPUS服務(wù)。

BVLPeripheral_FullBand：作為從設(shè)備廣播，提供BlueVoiceOPUS服務(wù), 可以通過BLE接收立體聲音樂，但目前只能和ST BLE Sensor相連。

BVLCentral和BVLPeripheral分別燒錄到WB55的開發(fā)板中，分別作為主機(jī)和從機(jī)，通過開啟或停止音頻通知，可以達(dá)到三種不同類型的通訊：?jiǎn)喂ぃ腚p工和全雙工。

當(dāng)設(shè)備在輸出音頻流時(shí)，應(yīng)用層負(fù)責(zé)語音的獲取，數(shù)據(jù)壓縮和封包，然后通過BlueVoiceOPUS協(xié)議發(fā)送出去。

當(dāng)設(shè)備在接收音頻流時(shí)，應(yīng)用層通過從BlueVoiceOPUS協(xié)議中接收BLE數(shù)據(jù)包，然后解包和解碼OPUS語音數(shù)據(jù)。

通過P-NUCLEO-WB55上的SW1控制打開或關(guān)閉語音流通道。

通過LED顯示設(shè)備的狀態(tài)。

廣播/發(fā)現(xiàn)狀態(tài)：綠色LED閃爍

連接狀態(tài)：藍(lán)色LED緩慢閃爍

語音流狀態(tài)：藍(lán)色LED正常閃爍

接收狀態(tài)：藍(lán)色LED穩(wěn)定點(diǎn)亮(不閃爍)

全雙工狀態(tài)：藍(lán)色LED快速閃爍(雙方設(shè)備)

BVLCentral可以由APP(ST BLE Sensor)代替，完成設(shè)備和手機(jī)端的全雙工語音通訊。

▲圖3.應(yīng)用流程圖

整個(gè)應(yīng)用流程如圖3所示,整個(gè)流程介紹如下：

從設(shè)備廣播，主設(shè)備發(fā)起連接，直到連接建立成功。

雙方互相完成服務(wù)和特性發(fā)現(xiàn)流程。

從設(shè)備通過按鈕，請(qǐng)求打開特性通知，主設(shè)備打開通知，從設(shè)備發(fā)送語音流，此時(shí)狀態(tài)為語音流狀態(tài)。

相反地，主設(shè)備通過按鈕，請(qǐng)求打開特性通知，從設(shè)備打開通知，主設(shè)備發(fā)送語音流，此時(shí)狀態(tài)變?yōu)槿p工狀態(tài)。

可以通過按鈕，開關(guān)語音流，改變語音流狀態(tài)。

三系統(tǒng)部署指導(dǎo)

下面將從不同方面分別介紹Demo的部署流程。

兩塊STM32WB開發(fā)板之間的全雙工音頻流

▲圖4.NUCLEO+CCA02M2的組合

如上圖4 ，可以使用P-NUCLEO-WB55開發(fā)板與一塊麥克風(fēng)擴(kuò)展板X-NUCLEO-CCA02M2進(jìn)行組合。然后分別燒錄BVLCentral工程和BVLPeripheral工程。當(dāng)雙方設(shè)備建立連接以后，通過Nucleo上的SW1按鈕，就可以建立起半雙工或全雙工的語音流了。麥克風(fēng)擴(kuò)展板可以對(duì)語音信號(hào)以8kHz或16kHz進(jìn)行采集，并通過BlueVoiceOPUS協(xié)議傳輸，當(dāng)對(duì)方設(shè)備接收到語音數(shù)據(jù)后，也通過usb傳輸?shù)絇C，使用刻錄軟件(如audacity)進(jìn)行刻錄保存，然后使用Audacity或其他語音軟件播放。

▲圖5.STM325MM-DK探索板

如上圖5，也可以使用STM32WB5MM-DK進(jìn)行同樣的操作，該開發(fā)板使用了STM32WB5MM的模組，并且板載了一塊OLED顯示屏供開發(fā)。

當(dāng)然也可以使用圖4和圖5的組合，只要一塊燒錄的是主機(jī)程序，另一塊燒錄的是從機(jī)程序即可。

STM32WB開發(fā)板和手機(jī)之間的全雙工音頻流除了上面的配置方法外，ST還提供了ST BLE Sensor手機(jī)APP供測(cè)試。

▲圖6.手機(jī)和開發(fā)板之間的音頻流

如圖6，手機(jī)可以作為主設(shè)備，掃描然后連接STM32WB55開發(fā)板，建立全雙工的音頻流的BLE鏈路。語音信號(hào)可以從開發(fā)板采集，發(fā)送到手機(jī)側(cè)進(jìn)行播放。也可以從手機(jī)側(cè)采集，發(fā)送到開發(fā)板后，再通過USB進(jìn)行播放。

STM32WB開發(fā)板和手機(jī)之間的立體聲音樂播放上面介紹的都是8kHz/16kHz的語音流，該軟件包還提供了全帶(Full-Band)的48kHz立體聲音樂流方案。

▲圖7.48kHz立體聲音樂流方案

如圖7，手機(jī)掃描設(shè)備后，發(fā)起并建立連接，完成GATT服務(wù)發(fā)現(xiàn)流程，然后通過按鈕打開特性的通知屬性，建立全帶音樂流。APP使用OPUS對(duì)手機(jī)內(nèi)音樂進(jìn)行壓縮和封包，然后通過BLE發(fā)送給開發(fā)板。開發(fā)板通過USB將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到PC上，最后使用Audacity或其他語音軟件進(jìn)行播放。

原文標(biāo)題：無線與云連接技術(shù)專題之二：利用Opus在STM32WB上實(shí)現(xiàn)BLE全雙工語音流

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審核編輯：湯梓紅