BLE Audio助力蓝牙耳机音质全面提升

引言

使用Bluetooth® LE Audio规范，解决耳机和扬声器线的困扰。蓝牙改变了我们聆听世界与体验音频的方式，革新了音频技术。虽然Bluetooth LE Audio是基于低功耗LE标准，但却提供了许多全新和改进的音频功能，包括多串流（Multi-Stream），可同步，或将左右立体声通道声音直接传输到左右无线耳机中。不过最大的蓝牙技术解决方案领域在于蓝牙的LE音频流（图1）。

图1：Bluetooth LE Audio无线选项。（图源：Bonnie Baker）

汽车音频流

高品质、低功耗的编解码器支持真正的多串流音频蓝牙耳机和耳塞。更新后的蓝牙音频流系统改善了管理，并在设备间共享无线音频流，不必过度使用手机、智能手表或耳机的电池。

蓝牙音频流单元让您可以通过无线方式从手机向汽车音响发送音乐和其他音频文件。如果您的手机上有音乐和有声读物，蓝牙汽车音响将使用蓝牙音频传输模型协定 (A2DP) 播放它们。

多串流和广播音频支持让您可以控制来自一个设备（例如智能手机）的多个独立、同步的音频流，并传送到许多耳机、扬声器与音频接收器等。Bluetooth LE将实现耳机之间的音频共享，允许用户广播音频。

这个新的蓝牙音频标准可在公共场所（如商场或健身房）同时向多位客户提供音频流。这种传输方式可在博物馆发挥作用，导游可以用多种语言将感兴趣的地方直接发送到游客的手机上。

可同步的左右声道

独立接收设备的高性能同步支持高级音频应用，如True Wireless Sound（TWS）耳塞和立体声。通常情况下，两个音频接收设备会接收左右音频帧。每个音频接收设备独立解码和渲染音频样本，精准度让左右设备之间的差距不到三微秒。

Bluetooth LE Audio特征

Bluetooth LE Audio的关键信道具有低功耗、高品质、高速度和低延迟等特点。

• 低功耗

Bluetooth LE Audio格式的主要优势就是其低功耗特征。Bluetooth LE Audio模块可以用2.4GHz频带往超过40个通道传输数据。蓝牙LE模块使用一块小型电池就可以工作大约四到五年。除此之外，蓝牙技术联盟 (Bluetooth SIG) 还宣布了一种新的编解码器 - 低复杂度通信编解码器 (LC3) - 以更低的功耗和数据速率提供高品质音频。

• 速度

与经典蓝牙不同，Bluetooth LE模块没有过热问题。由于硅的温度较低，数据传输速度更快。Bluetooth LE Audio模块具有更高的吞吐量和更大的覆盖范围。

• 低延迟

编解码器在一端会花一些时间，在另一端又会花一些时间。这个循环编解码的流程通常不到十毫秒。这种延迟特性有何影响？ 花费的大量时间让循环过程似乎很缓慢。但这是您从人的角度来看。在那种情况下，延迟要超过100毫秒，一个人才能辨别是否听到了“回声”。这个速度代表通过蓝牙送出的声音与实际声音到达的速度几乎一样快（图2）。

图2：一家人在不通过耳机的情况下，可同时享受同步的电视音频。（图源：fizkes/stock.adobe.com）

• LC3编解码器功能

LC3是一种用于LE Audio规范的高效率蓝牙音频编解码器。它编译不同分辨率的语音和音乐，并将其纳入任意蓝牙音频规范。一个不错的建议是在音频连接的接收端实施PLC（丢包补偿机制），提升音频质量。

LC3编解码器模块使用可选的LC3plus编解码器来实现低功耗优化以及绝佳的音质。低功耗蓝牙 (LE) 不是LE Audio。新型LC3编解码器承诺提供比先前强制性的子频带编解码器 (SBC) 更好的音质。 LC3编解码器代码通过创建更短的代码和使用更低的比特率，更高效地利用频谱和播放时间。

使用蓝牙5.3版进一步增强

Bluetooth LE Audio未来的几个加强功能包括增加定期广播、加密密钥大小控制、慢速连接和通道分类。

使用定期广播降低功耗 

定期广播加强功能拒绝冗余传输，同时降低系统功耗。定期广播数据包内含AdvDataInfo字段以实现此广播流程。

任何Bluetooth LE产品都可以利用定期广播功能来播放数据。此功能可通过减少噪声，创造冗余来提高接收准确数据的概率。快速连续自动传输多个包含相同数据的数据包是为了增加接收数据的概率，从而提高无线传输的可靠性。

在传输的另一端，接收设备通常已经拥有数据，并会重新处理新数据包的获取。通过设备中的AdvDataInfo字段，接收设备现在可以识别数据包中是否包含冗余数据。一旦发现冗余数据，接收设备就会立即丢弃该数据包，而不是重新处理。接收设备越快确认并丢弃冗余数据包，花在处理这些数据包上的能量就越少。然后设备可以将省出来的时间，用于扫描其他通道。此过程拒绝冗余、完全处理的数据包，不但可以实现节能，还可以提高其他通道的占空比。

加密密钥大小控制 — 提高效率

蓝牙5.3提供增强型主机控制器接口 (HCI) 命令。这些命令提供足够的主机方法，确保经典蓝牙 (BR/EDR) 设备之间的加密连接使用长度最短的可接受密钥。HCI增强功能改善了许多强制或鼓励加密的经典蓝牙产品的信号传输效率。

蓝牙无线设备通过加密确保未经授权的第三方无法访问两个连接设备之间传输的数据。决定加密保护强度的一个关键因素在于加密数据所用密钥的大小或长度。在经典蓝牙 (BR/EDR) 设备中，两个控制器使用的加密密钥大小，会在建立连接时协商。接下来，主机会查询其控制器，选择可接受的最短密钥，若未选择，主机可以选择不通过连接传送数据。但这个方法并不够，数据不会通过主机认为保护适当的连接传输。

蓝牙核心规范5.3版推出了全新的可选主机控制器接口 (HCI) 命令（设置最短加密密钥长度）来改进这个问题。这个命令让主机可以在连接其他设备时，指定控制器可以接受的最短密钥长度。另外，目前的HCI命令控制器可以通知主机加密设置的变更（加密变更事件）。

在蓝牙BR/EDR中，连接设备的控制器会协商加密密钥长度。对于这个变更，主机会通过主机控制器接口 (HCI) 通知其蓝牙BR/EDR控制器可接受的最短密钥长度。这个增强功能还改善了蓝牙BR/EDR控制器以及主机密钥长度协商的结果。

慢速连接与省电

部分产品类型会花很多时间在低占空比连接上，以节省电力。但当特定应用需要更高的带宽时，连接参数必须迅速改变。使用慢速连接时，延迟最小的连接参数会提供更好的用户体验。完整的更新会在保持低占空比连接的省电属性时发生。

通道分类

蓝牙LE周边设备现在可以为中央设备提供无线电通道分类数据。中央设备也许会在自适应跳频期间执行通道选择时使用这个操作。当周边设备与中央设备的物理位置并不接近时，这将会通过减少周边设备的干扰，改善吞吐量与可靠性。

结语 

再一次，蓝牙技术联盟改变了无线通信行业。全新Bluetooth LE Audio格式的改进，带来了更新、更有效率的编解码器与诸多新功能，超越了经典蓝牙。本文探讨了Bluetooth LE Audio为何能颠覆全新的无限音频时代。蓝牙耳机市场将会在接下来五年大幅增长。而电视也会因为出色的家用音响和娱乐体验而仰赖蓝牙。到了2025年，这种环境预计每年会带来一亿五千万的出货量。对蓝牙扬声器的需求将会逐渐上升，意味着Bluetooth LE Audio会持续存在。

作者简介

Bonnie Baker是一位经验丰富的模拟、混合信号和信号链专家及电子工程师。Baker曾在行业出版物上撰写并发表了数百篇技术文章和博客。她还是《A Baker's Dozen: Real Analog Solutions for Digital Designers》一书的作者，以及其他几本书的合著者。在过去的职业生涯中，她曾担任过建模、战略营销、IC架构和设计工程师。Baker拥有亚利桑那州图森市亚利桑那大学的电子工程硕士学位，以及北亚利桑那大学（亚利桑那州弗拉格斯塔夫市）的音乐教育学士学位。Bonnie喜欢分享她在职业生涯中学习到的电子知识，那就好好享受她的文章吧。