高品質(zhì)藍牙音頻的設計考慮

關鍵詞： 藍牙 , 音頻

藍牙已確確實實的來到人們的生活當中。我們曾經(jīng)懷疑“身邊會有多少藍牙設備可以連接”，現(xiàn)在我們想的卻是“我和你的藍牙設備連接效果會怎么樣”。  

直到最近，藍牙音頻傳輸都較為簡單。藍牙規(guī)范只定義了一種傳輸機制，對于更復雜的應用幾乎沒有選擇余地。如今，藍牙規(guī)范1.2以及一種新的高品質(zhì)音頻協(xié)議的發(fā)布，使得一度單調(diào)的藍牙音頻功能變得豐富起來。由于所有的數(shù)字音頻傳輸都是建立在數(shù)據(jù)流的基礎之上，所以可用的傳輸方式在傳輸機制、編碼方法、數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)包長度以及檢錯/糾錯等方面都有所不同。  

藍牙技術是一種基于數(shù)據(jù)包、時隙為625毫秒的跳頻協(xié)議。在每兩個進行配對通訊的藍牙設備中，一個是連接的主設備，另外一個是從設備。一般來說，在接收到來自主設備的一個數(shù)據(jù)包后的時隙內(nèi)，從設備就向主設備傳送數(shù)據(jù)。藍牙技術規(guī)定了音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬蓚€基本機制。  

最初的藍牙音頻傳輸機制是同步定向連接(SCO)信道，它支持數(shù)據(jù)速率為64kbps的全雙工傳輸。在沒有射頻干擾的情況下，SCO的音質(zhì)可接近標準移動電話的音質(zhì)。這個結(jié)果也在預料之中，因為在藍牙技術的發(fā)展本身就帶有應用于藍牙耳機的思想。SCO數(shù)據(jù)在指定的時隙內(nèi)傳輸，既保證了帶寬，又為數(shù)據(jù)包在確定的時間內(nèi)到達提供了保障。  

藍牙設備采用邏輯鏈路控制和適配協(xié)議(L2CAP)來傳輸不同步數(shù)據(jù)。邏輯鏈路控制和適配協(xié)議將所有不同步的數(shù)據(jù)傳輸多路復用到有效的藍牙帶寬上,其中包括串行數(shù)據(jù)(例如AT命令與響應)、服務發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)、以及用于提供音頻和視頻流信道的等時數(shù)據(jù)。圖1是該協(xié)議層的結(jié)構(gòu)圖。

藍牙規(guī)范1.2提高了藍牙設備的服務質(zhì)量(QoS)，并大大改善等時數(shù)據(jù)的效用。這些改善使應用程序能夠為傳輸數(shù)據(jù)流請求帶寬和延遲保證。  

選擇正確的SCO信道

SCO信道在可自定義功能方面提供的東西很少。比特率是固定的，當確定了三個編碼解碼器后，實際上只有一個連續(xù)可變斜率增量(CVSD)被用到。其它的編碼解碼器(A-Law和L-law)雖然提供更好的音質(zhì)，但它卻跟CVSD一樣沒有容錯性。由于SCO信道只提供有限的檢錯/糾錯功能，并且沒有數(shù)據(jù)包重發(fā)功能，所以CVSD是一種更安全的選擇。  

SCO提供了全雙工的音頻。藍牙連接中的主設備發(fā)送一個數(shù)據(jù)包給從設備，而從設備在接下來的時隙中給予響應。盡管能夠?qū)μ囟ǖ陌愋妥鞒鲞x擇，這個特定的包類型還是象征性地被留在了藍牙芯片組內(nèi)的連接管理固件中。藍牙技術定義了傳輸SCO的四個包類型(見表)。

不論是由芯片組來選擇，或者是由系統(tǒng)設計者來選擇，在選擇SCO包類型時都需要折衷考慮。HV1數(shù)據(jù)包較其它類型的數(shù)據(jù)包具有更好的糾錯效果，但它在藍牙1.1規(guī)范中卻要占用整個帶寬。HV3數(shù)據(jù)包類型不提供檢錯功能，但卻只占用每6個時隙中的2個。于是藍牙設備能夠在保持SCO連接的同時再建立其它連接，這在SCO數(shù)據(jù)采用HV1數(shù)據(jù)包時是不可能的。圖2是一個SCO的時序圖。

最理想情況下，包類型不會影響音頻質(zhì)量，在所有的三種情況下所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完全相同。HV1和HV2數(shù)據(jù)包允許對一些誤碼進行糾正。但一般情況下誤碼不會明顯降低音頻質(zhì)量。音質(zhì)差極有可能是因為數(shù)據(jù)包丟失造成的。  

一個藍牙數(shù)據(jù)包由一個訪問碼，一個起始碼和一個有效荷載組成。當1/3前向糾錯碼和檢錯碼對起始碼進行保護時，低信號強度或本地干擾可能會造成到達的數(shù)據(jù)包中的起始碼無效。在種情況下，這個數(shù)據(jù)包就會被丟棄，因為沒有SCO數(shù)據(jù)包的重發(fā)請求機制，數(shù)據(jù)包就這樣丟失。  

如果連接使用HV1數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)丟失得就會較少，因此在一個丟失的數(shù)據(jù)包中，音頻彈跳能量就越少。如果同樣是因為帶寬窄或者是短時間的干擾造成數(shù)據(jù)包的丟失，HV1可以比HV2或者HV3數(shù)據(jù)包提供更好的音質(zhì)。當然這也并非一成不變，因為HV1傳輸數(shù)據(jù)包更多，所以在嘈雜環(huán)境中數(shù)據(jù)包丟失的可能性也會更高。  

藍牙規(guī)范1.2加入了在本地干擾存在情況下改進SCO音質(zhì)的功能。IEEE-802.11b就是一個很好的例子，它在ISM(工業(yè)、科學及醫(yī)學機構(gòu)用帶寬)帶寬中占用大約22MHZ的帶寬，或藍牙頻譜中的22個信道。  

藍牙技術使用的79個信道之間的間隔為1MHZ。藍牙1.2版本加入了自適應跳頻(AFH)技術，它可以讓已配對的藍牙設備避免會產(chǎn)成沖突的信道。配對的兩個設備可以實時生成一個信道圖，或被提供給來自上層軟件的無線信號。后一種模式使同時包含有藍牙和802.11b節(jié)點的設備能更好地共存。設備的軟件為藍牙模組提供了一個新的頻率圖，以防止藍牙設備使用被802.11b節(jié)點占用范圍內(nèi)的信道。由于干擾造成的數(shù)據(jù)包丟失變少，所以音質(zhì)得到改善。AFH采用的跳頻算法只需20個良好信道就能工作。減少工作信道對AFH不利的是，來自附近藍牙連接的干擾的可能性會隨之增加。

擴展SCO信道  

擴展SCO信道是藍牙1.2版本中的另一項新增功能，它可在信道參數(shù)上提供更大彈性，并允許重發(fā)損壞的數(shù)據(jù)包。這些擴展功能與AFH結(jié)合在一起，能在音頻傳輸方面比藍牙1.1版本的標準SCO信道有更好的表現(xiàn)。  

舉個最簡單的例子，雖然采用新類型的數(shù)據(jù)包，eSCO信道與SCO信道的工作方式非常相似。音頻數(shù)據(jù)以單間隙包進行傳播，這些數(shù)據(jù)包包含1到30個數(shù)據(jù)字節(jié)，但是eSCO做了兩項改進。第一，在數(shù)據(jù)包中加入CRC碼以檢驗數(shù)據(jù)的有效性(這在HV3SCO數(shù)據(jù)包中是沒有的)。第二，如果接收設備檢測到數(shù)據(jù)包有錯，可以請求重新發(fā)送出錯的數(shù)據(jù)包。這取決于信道是如何設置的，因為信息幀必須被保留下來，以便于重新發(fā)送。  

不利之處是重發(fā)數(shù)據(jù)包的會增加收發(fā)設備的功率消耗。采用AFH能將這種影響降至最低。如果數(shù)據(jù)包丟失是因為固定帶寬的干擾，如802.11b等引起的，AFH可讓藍牙設備避免已知的不良信道以減少數(shù)據(jù)重發(fā)。設計者們還需要考慮到數(shù)據(jù)延遲問題，因為重新發(fā)送的數(shù)據(jù)要比計劃到達時間至少晚1.2ms。  

正如前面提到的，由于丟失或損壞數(shù)據(jù)的可能性較大，SCO信道采用了CVSD音頻編碼。其它編碼解碼器能提供較好的保真度，但在接收到有錯數(shù)據(jù)時表現(xiàn)很差。有了eSCO更好的數(shù)據(jù)完整性，就有可能采用其它編碼器來改善音質(zhì)而無需提高64kbps的基本數(shù)據(jù)速率。.SCO數(shù)據(jù)固定數(shù)據(jù)速率為64kbps，具有對稱、支持全雙工的特點。采用eSCO會增加兩個多時隙的數(shù)據(jù)包，并支持不對稱的數(shù)據(jù)速率。事實上，根本沒有數(shù)據(jù)需要傳輸。如果一條eSCO信道是單向的，例如語音博物館向?qū)?audio museum guide)，接受設備在接收到一個數(shù)據(jù)包后回發(fā)一個很小的叫做NULL的包以表示確認?；趨f(xié)商的參數(shù)，利用多時隙數(shù)據(jù)包，eSCO信道上的數(shù)據(jù)速率可能高至288 kbps，這使支持包括視頻傳輸在內(nèi)的高階編碼解碼器成為可能。  

有意思的是，eSCO所擁有這些豐富選項，反而成為有效應用其功能的最大障礙。信道選項，比如數(shù)據(jù)速率和編碼解碼器，必須在應用層得到協(xié)商。負責制定采用了SCO連接的協(xié)議規(guī)范的各藍牙工作小組，都在開發(fā)一種以便能將eSCO集成到這些協(xié)議中去的方法。  

一個推薦的解決方法就是分階段引入這些特色功能。第一階段將eSCO限定在一個64kbps的CVSD信道，這跟SCO信道限制硬件和軟件上的支持具有同樣效果。有了這樣的經(jīng)驗，更多的功能將被引入。如果這樣顯得太過謹慎，別忘了有消息聲稱“大約有55個不同的配置在采用eSCO的情況下達到了對稱的64kbps。  

有關寬帶語音的規(guī)范目前正在開發(fā)中，其背后的驅(qū)動力正是3G移動通信技術中一個類似技術的衍生。假如大量藍牙產(chǎn)品以移動電話耳機配件，車載免提套件附件為目標市場，那么電話與配件間的音頻連接質(zhì)量至少要達到移動電話網(wǎng)與移動電話之間連接質(zhì)量。有關藍牙寬帶語音規(guī)范的細則還未出爐，但將采用eSCO作為其傳輸機制這點已很清楚。  

高級的音頻分布式傳輸協(xié)議  

顧名思義，最近采用的音頻分布式傳輸協(xié)議(A2DP)正是為了高品質(zhì)音頻數(shù)據(jù)的傳輸而設計的。單向的音頻流可能用到任一種編碼解碼器。但為保證互操作性，A2DP強制指定了一個編碼解碼器。正如數(shù)據(jù)源和編碼解碼器所指定的，數(shù)據(jù)流中可以包含一個單一的音頻信道或者混合立體聲編碼。  

前面提到，藍牙技術提供同步和異步數(shù)據(jù)的傳輸業(yè)務。A2DP采用一個加載于L2CAP層上的等時數(shù)據(jù)信道。在A2DP和L2CAP之間是音/視頻分布式傳輸協(xié)議。該協(xié)議層定義了音頻和視頻流的傳輸機制。  

A2DP和AVDTP對數(shù)據(jù)流的解碼、傳輸及解碼等作出了規(guī)定。另外還有一個協(xié)議能夠控制數(shù)據(jù)流所包含的內(nèi)容，這個協(xié)議就是音視頻遙控協(xié)議，它規(guī)定了執(zhí)行一個遙控設備所需的基本元素。  

將這些元素集于一身，用戶可將帶藍牙功能的數(shù)字音頻播放器帶到他們的汽車中去，并很好的利用汽車內(nèi)置音響系統(tǒng)，以在享受播放器的同時對播放器進行控制。藍牙具有的充足帶寬，支持高品質(zhì)帶立體聲編碼的音頻流，可帶給用戶帶來高保真無線音頻。隨著這些功能或小發(fā)明被迅速移植到電子助理設備中，像移動電話或者PDA等都將成為很好的音頻源。目前A2DP已在無線立體聲耳機和家用音響系統(tǒng)中的遙控音箱等設備中被采用。  

基于應用的考慮  

我們知道，藍牙技術為音頻數(shù)據(jù)的傳輸提供了多個選擇。具體選擇哪一種則首先考慮應用。如果應用基于標準的藍牙協(xié)議，那么該協(xié)議會規(guī)定什么類型的音頻傳輸機制是可用的。  

對于功能較簡單的藍牙設備，比如單聲道手機耳機，簡單的SCO音頻信道就可以。除非處于特別環(huán)境，所有的SCO音頻數(shù)據(jù)包類型都可以在這樣的設備上使用，而把準確選擇留給藍牙芯片的連接管理代碼。   

如果藍牙耳機支持更高質(zhì)量的音頻，如寬帶語音，則必須加入合適的編碼解碼器和eSCO。需要注意的是，協(xié)議層編碼必須對信道特性協(xié)商進行控制，這點與SCO信道在協(xié)議層無須協(xié)商有所不同。

如果兩個設備就一組eSCO參數(shù)不能達成一致，那么這兩個設備必須能夠退而采用SCO信道。這個附加的協(xié)商功能增加了編碼的復雜性，更增加了在互操作難度。制造商在開發(fā)含有eSCO功能的藍牙產(chǎn)品時，在產(chǎn)品的互操作性測試上下了不少功夫，其中包括與完全不支持eSCO的基于藍牙1.1的產(chǎn)品之間的測試。  

測試的操作環(huán)境也必須考慮到很多因素。如果存在已知干擾，如802.11b節(jié)點，結(jié)合使用自適應跳頻技術和eSCO的數(shù)據(jù)包重發(fā)機制，可大大減少數(shù)據(jù)包的丟失并提高音質(zhì)。如果設備同時具有802.11b和藍牙節(jié)點，設計者應該注意軟硬件中的傳輸機制以實現(xiàn)共存。  

通過軟件設置藍牙信道屏蔽可以避免被本地802.11b占用的頻率。這就使AFH軟件無須通過實際操作就能得知那些不良信道。也有其它機制試圖輪流給每個設備指定傳輸時間，這個方案在處理對時間要求不緊迫的數(shù)據(jù)時效果較好，但在面對同步或者等時數(shù)據(jù)流的卻沒有多大價值。由于這些特性在各芯片生產(chǎn)商間各有不同，感興趣的設計者應從他們首選的供應商那里弄清楚哪些是可用的。  

對編碼解碼器的選擇應多加注意。對于SCO和eSCO信道，在面對可能有缺陷的數(shù)據(jù)時，CVSD將可以接受的音質(zhì)與魯棒性結(jié)合起來。采用不同的編碼解碼器能在同樣的數(shù)據(jù)速率下改善音質(zhì)，但必須考慮到數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和設備的互操作性。  

如果應用要求高品質(zhì)的單向音頻通路，A2DP將是合理的選擇。這也再次提醒設計者在選擇編碼解碼器時須多加注意。對于專用的成對設備則可采用任意的編碼解碼器，比如揚聲器，它只需連接到其配對節(jié)點(音源)上。如果設備將與多種設備配對使用，最好的選擇就是采用默認的編碼解碼器。  

希望本文能為選擇藍牙音頻傳輸?shù)奶峁┮恍┲笇?。若需更多信息，有興趣的讀者可查閱藍牙規(guī)范或具體的實施細則文件。