基于藍牙5.2的新一代低功耗藍牙音頻LE Audio

任馨宇

（國家無線電監測中心檢測中心，北京，100041）

藍牙技術是一種支持無線設備進行短距離通信的技術標準，可以實現固定設備和移動設備間的近距離數據交換。因其具有低成本、低功耗、可拓展性強的特點而被公認為是最廣泛的短距離無線通信技術。近年來，隨著藍牙技術的不斷發展，其應用范圍從早期的無線鼠標、無線耳機、移動電話、筆記本電腦、音箱等消費類電子產品，逐步拓展至汽車、醫療、航空、軍用等等領域。盡管如此，音頻仍然是藍牙技術的重要應用領域，同時也是藍牙技術使用時間最長的應用之一。

藍牙技術聯盟希望隨著下一代LEAudio音頻標準的推出，所有開發人員都將從基礎設施上獲得一個更強大、更靈活的平臺，并為他們未來20年的創新奠定堅實的基礎。現在的藍牙音響是基于ClassicAudio音響，已經有20年的歷史；隨著新產品和新技術的出現，如TWS無線熱狗和藍牙助聽器等復雜產品的出現，現有的標準已經不能完全滿足這些創新需求，藍牙技術聯盟的一些成員公司已經推出了獨立的創新。這次推出LEAudio是希望統一音頻標準，有利于推廣新產品，帶來音頻分享等新的應用場景。

對于傳統的音頻設備而言，藍牙音頻傳輸應用協議A2DP(Advanced Audio Distribution Profile)定義了在ACL信道上進行單聲道或立體聲高質量音頻數據流傳輸的過程，是一種被廣泛應用的應用協議，其中最為典型的應用就是藍牙耳機。A2DP可以實現智能終端設備和藍牙耳機之間點對點的高品質音頻數據傳輸，為用戶提供優質的聽覺體驗。然而，隨著藍牙技術的由傳統藍牙向低功耗藍牙方向演進發展，低功耗藍牙音頻設備和應用場景不斷出現，A2DP無法繼續滿足某些場景，例如A2DP僅支持點對點的數據傳輸方式，而無法實現同步地點對多點的數據傳輸。在數據傳輸過程中，A2DP設備的輸出端和接收端會存在延遲，而且沒有數據保護，傳輸過程存在安全性問題。就傳輸速率而言，A2DP設備在進行數據傳輸時要求傳輸音頻數據的速率必須小于藍牙的傳輸速率。

基于上述問題，新一代低功耗藍牙音頻技術標準LE Audio應運而生。LE Audio是采用低復雜性通信編解碼技術實現低功耗傳輸高品質音頻的新一代藍牙音頻技術標準，其引入了低功耗等時信道LE Isochronous Channels和低復雜性通信編解碼技術LC3，從而可以實現更為靈活的音頻分享功能。

LE Isochronous Channels可以實現同步點對多點的數據傳輸。眾所周知，在藍牙傳輸過程中，保持連接狀態是非常消耗功率和帶寬的過程。如何有效利用資源構建低功耗高效傳輸通道和傳輸策略是解決這一問題的關鍵。在低功耗藍牙設備連接過程中，需要至少7.5 ms的收發數據周期connInterval。藍牙設備在進行點對多點數據傳輸的過程中，通過LE Isochronous Channels可以將輸出端和接收端同步在一個時間框架內，建立了有效的數據傳輸機制：數據多時，利用connInterval的時隙進行數據傳輸；數據少時，通過拉長時間間隔達到降低功耗的目的。LE Isochronous Channels支持連接模式和非連接模式。在連接模式下，發送端設備Master可以向接收端設備Slave發送連接同步數據流CIS(Connected Isochronous Stream)請求，一個Master在一個連接同步組CIG(Connected Isochronous Group)中最多可以建立31個CIS。對于非連接模式而言，藍牙技術不斷改進傳輸機制以增強低功耗藍牙設備間數據傳輸的性能。Bluetooth 4.0提出了傳統廣播Legacy Advertising。每隔一段時間，低功耗藍牙設備可以在37、38、39信道發送廣播數據包，發送廣播之間存在廣播間隔advInterval。由于不同設備之間如果advInterval和時間步點都一致，會存在互相干擾，因此Bluetooth 4.0提出了隨機延時advDelay，有效地提高了低功耗藍牙設備的魯棒性，但是無法解決功耗問題且無法實現周期性廣播。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。進行信息交互的Bluetooth 5.0設備在0～36信道以固定步長廣播。Bluetooth 5.2在Periodic Advertising的基礎之上提出了廣播等時信道Broadcast Isochronous Channel，支持非連接狀態下多接收端數據流同步傳輸。發送端和接收端之間可以通過非連接同步信道建立單向連接。多接收端設備可以同步監聽發送端的廣播數據包，獲取廣播同步組BIG(Broadcast Isochronous Group)字段，實現與相應的同步數據流BIS(Broadcast Isochronous Stream)信息同步。

LC3是基于塊的轉換音頻編解碼技術，它定義了應用于音頻配置文件的有效藍牙音頻編解碼器，此編解碼器可以通過多種比特率對語音和音樂進行編碼，并且可以合并到任何藍牙音頻配置文件之中。簡單而言，低復雜性通信編解碼器是一種具有低算法延遲，低復雜性實現，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。當輸入信號的采樣頻率為44.1 kHz時，使用與48 kHz相同的幀長度，因此10 ms幀間隔的實際幀持續時間略長，為10.884 ms；而7.5 ms 幀間隔的實際幀持續時間為8.16 ms。

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

基于外部設定的比特率，LC3編碼器算法對每個通道的單個脈沖編碼調制幀PCM進行了壓縮處理，并為每個有效負載的信道提供源編碼位，并且無需在此有效負載之上添加任何傳輸通道錯誤保護。單個通道的有效負載在每幀20字節到400字節之間。與此相對應，幀間隔為10 ms時，總壓縮比特率范圍在16000 bps到320000 bps之間；幀間隔為7.5 ms時，總壓縮比特率范圍在21334 bps到426666 bps之間。當采樣頻率為44.1 kHz，幀持續時間為10.884 ms時，幀間隔為10 ms所對應的比特率范圍在14700 bps到294000 bps之間，幀間隔為7.5 ms 對應的范圍在19600 bps到392000 bps之間。由此可見，LC3 可以以恒定比特率或外部控制的可變比特率實現對音頻數據的編解碼處理。

對于解碼過程而言，LC3解碼器通過外部確定的壞幀指示BFI(Bad Frame Indication)標志和每個通道的有效負載大小對接收的有效負載進行解碼處理。BFI標志用于向解碼器發送丟失的有效負載或者接收的有效負載中存在的任何檢測到的誤碼。外部應用可以向解碼器發送損壞的有效負載信息。如果有效負載位標記為損壞，LC3解碼器將跳過有效負載位，并激活PLC算法以生成未壓縮的PCM輸出信號。LC3有效負載中不包含（如時間戳或序列號等）任何時序信息。LC3解碼器通過有效負載的大小對接收到的有效負載進行解析處理。

藍牙音頻的新功能之一是LEAudio廣播模式。實際上，廣播音頻分為兩個級別:1基于個人，2基于位置的音頻共享。聲音的優勢在大多數情況下在于后者的應用，后者的體驗類似于Wi-Fi，比如用戶帶著手機來到公共場所，可以自由選擇想要分享的廣播聲音。有些音頻廣播是開放的，有些則要求用戶輸入密碼。LEAudio有兩個優點:支持多種語言；支持因聽力喪失或聽力喪失而佩戴助聽器的人。非常適合機場、劇院、電影院、汽車等。就距離而言，對于劇場或者電影院來說，全覆蓋沒有問題。事實上，就擴散而言，LEAudio可以達到比傳統聲音更長的傳輸距離，主要是因為大多數以前版本的經典聲音都是在更短的距離上設計的，并且傳輸是雙向的。新的LEAudio傳遞函數是單向的，并優化了距離。在LEAudio軟件的一個新應用中，藍牙技術的結合可以啟動基于特定功能的圖標，例如音頻共享，因為這是一個用戶從未使用過的全新概念和使用案例。新圖標的引入，意味著消費者會知道電視是否出現在公共場所，如電影院、劇院、健身場所等，可以使用藍牙音頻共享。然而，藍牙技術聯盟并不打算為聲音引入新的圖標，因為藍牙本身支持廣泛的功能，包括LEAudio傳輸、數據傳輸、位置服務、設備網絡等。藍牙技術的結合更多的是為了了解藍牙功能的廣度和多樣性，并提高人們的認識，隨著藍牙技術的發展，這些多樣的功能可以逐漸進入每個人的生產生活。聲音也是如此，它是藍牙家族不可或缺的一部分。

綜上所述，新一代低功耗藍牙音頻LE Audio通過構建低功耗、高效音頻傳輸通道和傳輸策略，同時優化音頻數據的編解碼算法，有效提升音頻傳輸質量、改善用戶的藍牙音頻體驗。LE Audio有助于將低功耗、高質量的音頻擴展至整個無線通信生態系統，為用戶帶來全新的音頻共享體驗。