一、藍牙簡介

藍牙是一種無線通訊技術(shù)標準，用來讓設(shè)備之間在短距離內(nèi)交換資料，最早由瑞典的愛立信公司在 1994 年發(fā)布。提出藍牙標準的目的很簡單，就是簡化電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互過程。那個時候手機剛剛開始流行，用手機跟耳機或電腦進行無線連接成了一個很強勁的需求，藍牙協(xié)議很大程度上也是服務(wù)于這類需求。

二、藍牙的發(fā)展歷史

藍牙 1.0 （1999年）早期的藍牙版本，有數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險，并沒有被廣泛應(yīng)用；

藍牙 1.2 藍牙技術(shù)一直在迭代，發(fā)布于 2003 年的藍牙 1.2 是藍牙真正走向安全可用的標志；

藍牙 2.0（2004 年）則著重提高多任務(wù)處理能力，同時支持雙工模式，可以一邊語音通訊，一邊傳輸文件；

藍牙 3.0（2009 年）引入高速傳輸，加大帶寬，客觀上擠占 WiFi 的位置，增加了功耗和成本；

藍牙 4.0（2010 年）重新找準定位，引入 BLE 概念，即 Bluetooth Low Energy 低功耗藍牙；

藍牙 5.0（2016 年）讓藍牙在低功耗下具備更強大的傳輸能力，提高了安全性和可達性，逐漸成為目前主流。

藍牙 5.2（2020 年）聚焦LE Audio，發(fā)布多個LE音頻規(guī)范和全新的LC3高品質(zhì)低延遲編碼器，增強藍牙音頻體驗。

三、藍牙音頻規(guī)范

組成藍牙協(xié)議的基石是一個個規(guī)范（Profile），藍牙標準里目前有二十多個規(guī)范，一個規(guī)范其實就是一種通訊的類型或者協(xié)議，不同規(guī)范覆蓋不同的應(yīng)用。

其中有三個規(guī)范聚焦于音頻數(shù)據(jù)的傳輸。傳統(tǒng)的A2DP和HFP以及最新的BAP

1.HFP規(guī)范

其中HFP 基于SCO(Synchronous Connection Oriented)鏈路用于雙向傳輸通話語音。SCO鏈路具有同步傳輸特性，但無線傳輸有錯誤風(fēng)險為保證同步性數(shù)據(jù)的完整、正確性就無法保障所以HFP采用的編碼器需要具備容錯能力。

2.A2DP規(guī)范

A2DP（Advanced Audio Distribution Profile），藍牙立體聲音頻傳輸規(guī)范，典型應(yīng)用為藍牙耳機。藍牙A2DP規(guī)范在協(xié)議棧中的位置如下圖：

A2DP協(xié)議的音頻數(shù)據(jù)在ACL Link上傳輸，這與SCO上傳輸?shù)恼Z音數(shù)據(jù)有本質(zhì)區(qū)別。A2DP不包括遠程控制的功能，遠程控制的功能則依賴AVRCP協(xié)議規(guī)范。A2DP是建立在AVDTP協(xié)議之上的高層協(xié)議，AVDTP定義了藍牙設(shè)備之間數(shù)據(jù)流句柄的參數(shù)協(xié)商，建立和傳輸過程以及相互交換的信令實體形式，該協(xié)議是A2DP框架的基礎(chǔ)協(xié)議。

藍牙A2DP數(shù)據(jù)包基于AVDTP協(xié)議進行傳輸，其層級關(guān)系如下數(shù)據(jù)包在每一層都有自己的包頭。

進行數(shù)據(jù)傳輸之前發(fā)送端(SRC)與接收端(SNK)需進行一系列信令交互以確認雙方傳輸數(shù)據(jù)的參數(shù)之后才能開始數(shù)據(jù)傳輸，其信令交互流程如下：

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3.藍牙音頻編碼器

同為近距離無線通信藍牙相較于WIFI優(yōu)勢在于功耗和其便攜的插入性只需按照規(guī)范實現(xiàn)相應(yīng)的協(xié)議即可實現(xiàn)快捷插拔，但其劣勢傳輸帶寬也顯而易見，如今WIFI傳輸速率已達到Gbps級別而藍牙傳輸帶寬僅2Mbps，而早期的藍牙傳輸速率僅為幾百Kbps。

而對于音樂音頻來說基本的CD品質(zhì)也需要1.4Mbpsr如果直接傳輸原始音頻則可能耗盡帶寬，抗干擾性能差易卡音斷音，所以傳輸音頻數(shù)據(jù)必須在Source端壓縮編碼，在Sink端解壓縮。

而如何編碼解碼藍牙聯(lián)盟標準規(guī)定SBC是強制支持的，AAC/MP3可選的支持(Optional Codec)，除了這些外，也可以有廠家自己的編碼形式(Vendor Specific A2DP Codecs)，例如高通的APT-X、索尼的LDAC、以及LHDC。

4.A2DP音質(zhì)和延遲

前面講到為了在藍牙通道傳輸音頻數(shù)據(jù)必須將音頻數(shù)據(jù)進行壓縮編碼后傳輸，而這里的壓縮和常規(guī)認知的文件壓縮、解壓后得到完全一致的源文件不一樣，為了適應(yīng)藍牙傳輸?shù)膸捯纛l數(shù)據(jù)被壓縮后占用的帶寬很小這種壓縮為有損壓縮。以SBC為例壓縮后僅占用200多Kbps 壓縮比達到1/7,而這樣的有損壓縮勢必損失音樂的音質(zhì)。

常見編碼器占用帶寬如下表。

SBC是A2DP協(xié)議強制規(guī)定的編碼格式。利用人耳對不同頻率信號的感知靈敏度不同的特性，在人的聽覺（不敏感的部位采用較粗糙的量化，在敏感部位采用較細的量化，以獲得更好的主觀聽覺效果，是音質(zhì)最差的一種編碼器。AAC則是協(xié)議規(guī)范可選支持的一種高品質(zhì)編碼器，后來實現(xiàn)廠商提出了apt-X,LDAC,LHDC 等高帶寬占用的高品質(zhì)音頻編碼器，其中LDAC/LHDC更是支持Hi-RES標準認證的96K高解析音頻。LC3則是跟隨全新一代LE音頻發(fā)布的LE音頻強制支持的高品質(zhì)低帶寬編碼技術(shù)?？傮w來說更高的碼率意味著更好的音質(zhì)，然而最新一代LC3的出現(xiàn)則可能打破這一規(guī)律，LC3和SBC的主觀對比打分如下，在碼率為345 kbps的情況下，SBC的分數(shù)略高于4.0，但LC3在碼率160 kbps情況下即可達到比SBC更高的主觀評分。

前面提到藍牙音頻傳輸必須先進行編碼，而編碼是按照幀進行的既一定長度的數(shù)據(jù)進行一次編碼壓縮，這里累積到足夠數(shù)據(jù)再編碼，設(shè)備端收到數(shù)據(jù)再解碼播放的過程則會造成延遲。網(wǎng)絡(luò)上的帖子大多將藍牙音頻延遲歸咎于此，其實不然，前文提到的幾種編碼器編碼幀最長的為AAC 一幀長度達到23ms，藍牙傳輸一幀的數(shù)據(jù)也能(通常)在幾ms間完成，然而實際延遲卻是這個數(shù)據(jù)的好幾倍達到100ms以上，SBC一幀更是只有2ms不到，但其延遲卻達到200以上。

實際上影響延遲的主要因素是藍牙傳輸?shù)姆€(wěn)定性。理想情況下發(fā)送藍牙音頻發(fā)送端等時間間距均勻的發(fā)送數(shù)據(jù)包，接收端等時間間距均勻的接收數(shù)據(jù)，這種情況下接收端可稍微延遲后將收到數(shù)據(jù)通過喇叭送出，在喇叭播放完這包數(shù)據(jù)之前可收到下包數(shù)據(jù)繼而能夠連續(xù)不斷的播放，此時藍牙音頻的時延取決于發(fā)包間隔和傳輸時間。

然而現(xiàn)實情況總是不如人意，藍牙作為一種無線傳輸協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)可能受到周邊無線設(shè)備或強電磁設(shè)備比如電磁爐、微波爐等設(shè)備干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯重傳，實際上即使沒有干擾由于藍牙器件本身的性能、或是因為無線傳輸?shù)奶匦远际怯锌赡艹霈F(xiàn)傳輸錯誤的。傳輸錯誤重傳導(dǎo)致其中某些包重傳次數(shù)多傳輸時間變長，接收端收到的數(shù)據(jù)包并不是等時間均勻的。這種情況下接收端想要流暢播放必須先緩存一定時間長度的數(shù)據(jù)之后再進行播放，以防止其中包晚到導(dǎo)致播放不連續(xù)，這種情況下真實主要因素是為了抵抗網(wǎng)絡(luò)傳輸不穩(wěn)定性而人為添加的延遲(緩存)，而傳輸碼率越高網(wǎng)絡(luò)波動帶來的影響會更大也就需要更長的延遲來防止卡頓。

5.BLE Audio

LE Audio 核心框架如下

LE Audio是新一代藍牙音頻傳輸協(xié)議,基于低功耗藍牙BLE無線通信，其主要特點有：

1、超低功耗，LE本身即為低功耗藍牙，LE Audio更是首創(chuàng)每只耳機獨立傳輸單通道數(shù)據(jù)，大幅縮減每只耳機的數(shù)據(jù)傳輸量，將傳輸和解碼功耗降低。

2、全新高音質(zhì)、低功耗音頻解碼器LC3(Low Complexity Communications Codec)

3、LE同步通道（ISOC:Low Energy Isochronous Channels)

4、支持多重串流音頻（Multi-Stream Audio）

5、支持廣播音頻技術(shù)（Broadcast Audio）

LE Audio正是為了解決前文傳統(tǒng)藍牙音頻的缺點：音質(zhì)、延遲，以及雙耳無線耳機和多連接問題而提出的下一代藍牙音頻方案。LE Audio 從藍牙底層協(xié)議出發(fā)在數(shù)據(jù)流層面定義了新音頻的傳輸機制LE Isochronous Channels。該同步通道同時支持連接模式和非連接模式。

一對一連接模式采用LE-CIS (LE Connected Isochronous Stream)邏輯傳輸通道，清除機制將延遲數(shù)據(jù)flush掉，保障接收端定時接收到數(shù)據(jù)從而縮減接收端的buffer大幅降低延遲。不同的LE-CIS組成CIG（Connected Isochronous Groups），同一個CIG內(nèi)的CIS具有相同的時間戳，以保證同一個group內(nèi)的數(shù)據(jù)是同步的，最明顯的應(yīng)用是耳機，左耳和右耳分別是一個CIS，他們組成一個CIG，相互之間的時間是同步的。

一對多非連接廣播模式，稱作是BIS（Broadcast Isochronous Stream），多個BIS可以組成一個BIG。廣播模式的同步是通過一個周期廣播的PDU實現(xiàn)的，該PDU包含有針對每個BIS的時間戳，一旦同步，接收方便可以稱為同步接收者。同樣的例子，如果對于一個同一個廣播者，一群人中的每個人左右可同時同步接收該廣播音頻信號。

四、結(jié)語

移動通信技術(shù)取締了家家戶戶的電話線、WIFI通信技術(shù)取代了無所不見得網(wǎng)線。自1998年來，藍牙和藍牙音頻協(xié)議經(jīng)過多次更新，從僅支持單聲道傳輸?shù)饺缃裾鏌o線（TWS）耳機，從僅支持極低音質(zhì)傳輸?shù)饺缃馤HDC Hi-Res，藍牙音頻成長迅速，正逐漸走進每個人的身邊取代人們最后的半米線(耳機線)。隨著藍牙5.2 BLE Audio技術(shù)的成熟 藍牙廣播音頻可能走進公共場所，多設(shè)備間低功耗音頻串流，為 TWS 真無線立體聲提供更多可能，為未來的藍牙音頻帶來更大的想象空間。

原文作者：內(nèi)核工匠