高品質(zhì)藍(lán)牙音頻的設(shè)計(jì)考慮

直到最近，藍(lán)牙音頻傳輸都較為簡(jiǎn)單。藍(lán)牙規(guī)范只定義了一種傳輸機(jī)制，對(duì)于更復(fù)雜的應(yīng)用幾乎沒有選擇余地。如今，藍(lán)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(lán)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(chǔ)之上，所以可用的傳輸方式在傳輸機(jī)制、編碼方法、數(shù)據(jù)速率、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度以及檢錯(cuò)/糾錯(cuò)等方面都有所不同。

藍(lán)牙技術(shù)是一種基于數(shù)據(jù)包、時(shí)隙為625毫秒的跳頻協(xié)議。在每?jī)蓚€(gè)進(jìn)行配對(duì)通訊的藍(lán)牙設(shè)備中，一個(gè)是連接的主設(shè)備，另外一個(gè)是從設(shè)備。一般來說，在接收到來自主設(shè)備的一個(gè)數(shù)據(jù)包后的時(shí)隙內(nèi)，從設(shè)備就向主設(shè)備傳送數(shù)據(jù)。藍(lán)牙技術(shù)規(guī)定了音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬蓚€(gè)基本機(jī)制。

最初的藍(lán)牙音頻傳輸機(jī)制是同步定向連接(SCO)信道，它支持?jǐn)?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(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)電話的音質(zhì)。這個(gè)結(jié)果也在預(yù)料之中，因?yàn)樵谒{(lán)牙技術(shù)的發(fā)展本身就帶有應(yīng)用于藍(lán)牙耳機(jī)的思想。SCO數(shù)據(jù)在指定的時(shí)隙內(nèi)傳輸，既保證了帶寬，又為數(shù)據(jù)包在確定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)提供了保障。

藍(lán)牙設(shè)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(fù)用到有效的藍(lán)牙帶寬上,其中包括串行數(shù)據(jù)(例如AT命令與響應(yīng))、服務(wù)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(shí)數(shù)據(jù)。圖1是該協(xié)議層的結(jié)構(gòu)圖。

藍(lán)牙規(guī)范1.2提高了藍(lán)牙設(shè)備的服務(wù)質(zhì)量(QoS)，并大大改善等時(shí)數(shù)據(jù)的效用。這些改善使應(yīng)用程序能夠?yàn)閭鬏敂?shù)據(jù)流請(qǐng)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(dāng)確定了三個(gè)編碼解碼器后，實(shí)際上只有一個(gè)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(cuò)性。由于SCO信道只提供有限的檢錯(cuò)/糾錯(cuò)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(lán)牙連接中的主設(shè)備發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包給從設(shè)備，而從設(shè)備在接下來的時(shí)隙中給予響應(yīng)。盡管能夠?qū)μ囟ǖ陌愋妥鞒鲞x擇，這個(gè)特定的包類型還是象征性地被留在了藍(lán)牙芯片組內(nèi)的連接管理固件中。藍(lán)牙技術(shù)定義了傳輸SCO的四個(gè)包類型(見表)。

不論是由芯片組來選擇，或者是由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來選擇，在選擇SCO包類型時(shí)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(cuò)效果，但它在藍(lán)牙1.1規(guī)范中卻要占用整個(gè)帶寬。HV3數(shù)據(jù)包類型不提供檢錯(cuò)功能，但卻只占用每6個(gè)時(shí)隙中的2個(gè)。于是藍(lán)牙設(shè)備能夠在保持SCO連接的同時(shí)再建立其它連接，這在SCO數(shù)據(jù)采用HV1數(shù)據(jù)包時(shí)是不可能的。圖2是一個(gè)SCO的時(shí)序圖。

最理想情況下，包類型不會(huì)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(duì)一些誤碼進(jìn)行糾正。但一般情況下誤碼不會(huì)明顯降低音頻質(zhì)量。音質(zhì)差極有可能是因?yàn)閿?shù)據(jù)包丟失造成的。

一個(gè)藍(lán)牙數(shù)據(jù)包由一個(gè)訪問碼，一個(gè)起始碼和一個(gè)有效荷載組成。當(dāng)1/3前向糾錯(cuò)碼和檢錯(cuò)碼對(duì)起始碼進(jìn)行保護(hù)時(shí)，低信號(hào)強(qiáng)度或本地干擾可能會(huì)造成到達(dá)的數(shù)據(jù)包中的起始碼無效。在種情況下，這個(gè)數(shù)據(jù)包就會(huì)被丟棄，因?yàn)闆]有SCO數(shù)據(jù)包的重發(fā)請(qǐng)求機(jī)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(huì)較少，因此在一個(gè)丟失的數(shù)據(jù)包中，音頻彈跳能量就越少。如果同樣是因?yàn)閹捳蛘呤嵌虝r(shí)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(dāng)然這也并非一成不變，因?yàn)镠V1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(huì)更高。

藍(lán)牙規(guī)范1.2加入了在本地干擾存在情況下改進(jìn)SCO音質(zhì)的功能。IEEE-802.11b就是一個(gè)很好的例子，它在ISM(工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)學(xué)機(jī)構(gòu)用帶寬)帶寬中占用大約22MHZ的帶寬，或藍(lán)牙頻譜中的22個(gè)信道。

藍(lán)牙技術(shù)使用的79個(gè)信道之間的間隔為1MHZ。藍(lán)牙1.2版本加入了自適應(yīng)跳頻(AFH)技術(shù)，它可以讓已配對(duì)的藍(lán)牙設(shè)備避免會(huì)產(chǎn)成沖突的信道。配對(duì)的兩個(gè)設(shè)備可以實(shí)時(shí)生成一個(gè)信道圖，或被提供給來自上層軟件的無線信號(hào)。后一種模式使同時(shí)包含有藍(lán)牙和802.11b節(jié)點(diǎn)的設(shè)備能更好地共存。設(shè)備的軟件為藍(lán)牙模組提供了一個(gè)新的頻率圖，以防止藍(lán)牙設(shè)備使用被802.11b節(jié)點(diǎn)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(gè)良好信道就能工作。減少工作信道對(duì)AFH不利的是，來自附近藍(lán)牙連接的干擾的可能性會(huì)隨之增加。

擴(kuò)展SCO信道

擴(kuò)展SCO信道是藍(lán)牙1.2版本中的另一項(xiàng)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(kuò)展功能與AFH結(jié)合在一起，能在音頻傳輸方面比藍(lán)牙1.1版本的標(biāo)準(zhǔn)SCO信道有更好的表現(xiàn)。

舉個(gè)最簡(jiǎn)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(jìn)行傳播，這些數(shù)據(jù)包包含1到30個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，但是eSCO做了兩項(xiàng)改進(jìn)。第一，在數(shù)據(jù)包中加入CRC碼以檢驗(yàn)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(shè)備檢測(cè)到數(shù)據(jù)包有錯(cuò)，可以請(qǐng)求重新發(fā)送出錯(cuò)的數(shù)據(jù)包。這取決于信道是如何設(shè)置的，因?yàn)樾畔仨毐槐Ａ粝聛?，以便于重新發(fā)送。

不利之處是重發(fā)數(shù)據(jù)包的會(huì)增加收發(fā)設(shè)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?yàn)楣潭◣挼母蓴_，如802.11b等引起的，AFH可讓藍(lán)牙設(shè)備避免已知的不良信道以減少數(shù)據(jù)重發(fā)。設(shè)計(jì)者們還需要考慮到數(shù)據(jù)延遲問題，因?yàn)橹匦掳l(fā)送的數(shù)據(jù)要比計(jì)劃到達(dá)時(shí)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(cuò)數(shù)據(jù)時(shí)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(duì)稱、支持全雙工的特點(diǎn)。采用eSCO會(huì)增加兩個(gè)多時(shí)隙的數(shù)據(jù)包，并支持不對(duì)稱的數(shù)據(jù)速率。事實(shí)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)?audiomuseumguide)，接受設(shè)備在接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包后回發(fā)一個(gè)很小的叫做NULL的包以表示確認(rèn)?；趨f(xié)商的參數(shù)，利用多時(shí)隙數(shù)據(jù)包，eSCO信道上的數(shù)據(jù)速率可能高至288kbps，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(xiàng)，反而成為有效應(yīng)用其功能的最大障礙。信道選項(xiàng)，比如數(shù)據(jù)速率和編碼解碼器，必須在應(yīng)用層得到協(xié)商。負(fù)責(zé)制定采用了SCO連接的協(xié)議規(guī)范的各藍(lán)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(gè)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(gè)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(yàn)，更多的功能將被引入。如果這樣顯得太過謹(jǐn)慎，別忘了有消息聲稱“大約有55個(gè)不同的配置在采用eSCO的情況下達(dá)到了對(duì)稱的64kbps。

有關(guān)寬帶語音的規(guī)范目前正在開發(fā)中，其背后的驅(qū)動(dòng)力正是3G移動(dòng)通信技術(shù)中一個(gè)類似技術(shù)的衍生。假如大量藍(lán)牙產(chǎn)品以移動(dòng)電話耳機(jī)配件，車載免提套件附件為目標(biāo)市場(chǎng)，那么電話與配件間的音頻連接質(zhì)量至少要達(dá)到移動(dòng)電話網(wǎng)與移動(dòng)電話之間連接質(zhì)量。有關(guān)藍(lán)牙寬帶語音規(guī)范的細(xì)則還未出爐，但將采用eSCO作為其傳輸機(jī)制這點(diǎn)已很清楚。

高級(jí)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(shè)計(jì)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(qiáng)制指定了一個(gè)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(gè)單一的音頻信道或者混合立體聲編碼。

前面提到，藍(lán)牙技術(shù)提供同步和非同步數(shù)據(jù)的傳輸業(yè)務(wù)。A2DP采用一個(gè)加載于L2CAP層上的等時(shí)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(jī)制。

A2DP和AVDTP對(duì)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(gè)協(xié)議能夠控制數(shù)據(jù)流所包含的內(nèi)容，這個(gè)協(xié)議就是音視頻遙控協(xié)議，它規(guī)定了執(zhí)行一個(gè)遙控設(shè)備所需的基本元素。

將這些元素集于一身，用戶可將帶藍(lán)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(shí)對(duì)播放器進(jìn)行控制。藍(lán)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(shè)備中，像移動(dòng)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(jī)和家用音響系統(tǒng)中的遙控音箱等設(shè)備中被采用。

基于應(yīng)用的考慮

我們知道，藍(lán)牙技術(shù)為音頻數(shù)據(jù)的傳輸提供了多個(gè)選擇。具體選擇哪一種則首先考慮應(yīng)用。如果應(yīng)用基于標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙協(xié)議，那么該協(xié)議會(huì)規(guī)定什么類型的音頻傳輸機(jī)制是可用的。

對(duì)于功能較簡(jiǎn)單的藍(lán)牙設(shè)備，比如單聲道手機(jī)耳機(jī)，簡(jiǎn)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(shè)備上使用，而把準(zhǔn)確選擇留給藍(lán)牙芯片的連接管理代碼。

如果藍(lán)牙耳機(jī)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(duì)信道特性協(xié)商進(jìn)行控制，這點(diǎn)與SCO信道在協(xié)議層無須協(xié)商有所不同。

如果兩個(gè)設(shè)備就一組eSCO參數(shù)不能達(dá)成一致，那么這兩個(gè)設(shè)備必須能夠退而采用SCO信道。這個(gè)附加的協(xié)商功能增加了編碼的復(fù)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(lán)牙產(chǎn)品時(shí)，在產(chǎn)品的互操作性測(cè)試上下了不少功夫，其中包括與完全不支持eSCO的基于藍(lán)牙1.1的產(chǎn)品之間的測(cè)試。

測(cè)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(diǎn)，結(jié)合使用自適應(yīng)跳頻技術(shù)和eSCO的數(shù)據(jù)包重發(fā)機(jī)制，可大大減少數(shù)據(jù)包的丟失并提高音質(zhì)。如果設(shè)備同時(shí)具有802.11b和藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)者應(yīng)該注意軟硬件中的傳輸機(jī)制以實(shí)現(xiàn)共存。

通過軟件設(shè)置藍(lán)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(shí)際操作就能得知那些不良信道。也有其它機(jī)制試圖輪流給每個(gè)設(shè)備指定傳輸時(shí)間，這個(gè)方案在處理對(duì)時(shí)間要求不緊迫的數(shù)據(jù)時(shí)效果較好，但在面對(duì)同步或者等時(shí)數(shù)據(jù)流的卻沒有多大價(jià)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(shè)計(jì)者應(yīng)從他們首選的供應(yīng)商那里弄清楚哪些是可用的。

對(duì)編碼解碼器的選擇應(yīng)多加注意。對(duì)于SCO和eSCO信道，在面對(duì)可能有缺陷的數(shù)據(jù)時(shí)，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(shè)備的互操作性。

如果應(yīng)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(shè)計(jì)者在選擇編碼解碼器時(shí)須多加注意。對(duì)于專用的成對(duì)設(shè)備則可采用任意的編碼解碼器，比如揚(yáng)聲器，它只需連接到其配對(duì)節(jié)點(diǎn)(音源)上。如果設(shè)備將與多種設(shè)備配對(duì)使用，最好的選擇就是采用默認(rèn)的編碼解碼器。

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