基于蓝牙5.2的新一代低功耗蓝牙音频LE Audio

任馨宇

（国家无线电监测中心检测中心，北京，100041）

蓝牙技术是一种支持无线设备进行短距离通信的技术标准，可以实现固定设备和移动设备间的近距离数据交换。因其具有低成本、低功耗、可拓展性强的特点而被公认为是最广泛的短距离无线通信技术。近年来，随着蓝牙技术的不断发展，其应用范围从早期的无线鼠标、无线耳机、移动电话、笔记本电脑、音箱等消费类电子产品，逐步拓展至汽车、医疗、航空、军用等等领域。尽管如此，音频仍然是蓝牙技术的重要应用领域，同时也是蓝牙技术使用时间最长的应用之一。

蓝牙技术联盟希望随着下一代LEAudio音频标准的推出，所有开发人员都将从基础设施上获得一个更强大、更灵活的平台，并为他们未来20年的创新奠定坚实的基础。现在的蓝牙音响是基于ClassicAudio音响，已经有20年的历史；随着新产品和新技术的出现，如TWS无线热狗和蓝牙助听器等复杂产品的出现，现有的标准已经不能完全满足这些创新需求，蓝牙技术联盟的一些成员公司已经推出了独立的创新。这次推出LEAudio是希望统一音频标准，有利于推广新产品，带来音频分享等新的应用场景。

对于传统的音频设备而言，蓝牙音频传输应用协议A2DP(Advanced Audio Distribution Profile)定义了在ACL信道上进行单声道或立体声高质量音频数据流传输的过程，是一种被广泛应用的应用协议，其中最为典型的应用就是蓝牙耳机。A2DP可以实现智能终端设备和蓝牙耳机之间点对点的高品质音频数据传输，为用户提供优质的听觉体验。然而，随着蓝牙技术的由传统蓝牙向低功耗蓝牙方向演进发展，低功耗蓝牙音频设备和应用场景不断出现，A2DP无法继续满足某些场景，例如A2DP仅支持点对点的数据传输方式，而无法实现同步地点对多点的数据传输。在数据传输过程中，A2DP设备的输出端和接收端会存在延迟，而且没有数据保护，传输过程存在安全性问题。就传输速率而言，A2DP设备在进行数据传输时要求传输音频数据的速率必须小于蓝牙的传输速率。

基于上述问题，新一代低功耗蓝牙音频技术标准LE Audio应运而生。LE Audio是采用低复杂性通信编解码技术实现低功耗传输高品质音频的新一代蓝牙音频技术标准，其引入了低功耗等时信道LE Isochronous Channels和低复杂性通信编解码技术LC3，从而可以实现更为灵活的音频分享功能。

LE Isochronous Channels可以实现同步点对多点的数据传输。众所周知，在蓝牙传输过程中，保持连接状态是非常消耗功率和带宽的过程。如何有效利用资源构建低功耗高效传输通道和传输策略是解决这一问题的关键。在低功耗蓝牙设备连接过程中，需要至少7.5 ms的收发数据周期connInterval。蓝牙设备在进行点对多点数据传输的过程中，通过LE Isochronous Channels可以将输出端和接收端同步在一个时间框架内，建立了有效的数据传输机制：数据多时，利用connInterval的时隙进行数据传输；数据少时，通过拉长时间间隔达到降低功耗的目的。LE Isochronous Channels支持连接模式和非连接模式。在连接模式下，发送端设备Master可以向接收端设备Slave发送连接同步数据流CIS(Connected Isochronous Stream)请求，一个Master在一个连接同步组CIG(Connected Isochronous Group)中最多可以建立31个CIS。对于非连接模式而言，蓝牙技术不断改进传输机制以增强低功耗蓝牙设备间数据传输的性能。Bluetooth 4.0提出了传统广播Legacy Advertising。每隔一段时间，低功耗蓝牙设备可以在37、38、39信道发送广播数据包，发送广播之间存在广播间隔advInterval。由于不同设备之间如果advInterval和时间步点都一致，会存在互相干扰，因此Bluetooth 4.0提出了随机延时advDelay，有效地提高了低功耗蓝牙设备的鲁棒性，但是无法解决功耗问题且无法实现周期性广播。Bluetooth 5.0提出了周期性广播Periodic Advertising。在37、38、39信道广播第二信道中的辅助包(Secondary Advertising)信息，从而建立周期性广播。进行信息交互的Bluetooth 5.0设备在0～36信道以固定步长广播。Bluetooth 5.2在Periodic Advertising的基础之上提出了广播等时信道Broadcast Isochronous Channel，支持非连接状态下多接收端数据流同步传输。发送端和接收端之间可以通过非连接同步信道建立单向连接。多接收端设备可以同步监听发送端的广播数据包，获取广播同步组BIG(Broadcast Isochronous Group)字段，实现与相应的同步数据流BIS(Broadcast Isochronous Stream)信息同步。

LC3是基于块的转换音频编解码技术，它定义了应用于音频配置文件的有效蓝牙音频编解码器，此编解码器可以通过多种比特率对语音和音乐进行编码，并且可以合并到任何蓝牙音频配置文件之中。简单而言，低复杂性通信编解码器是一种具有低算法延迟，低复杂性实现，且具有广泛可用比特率的编解码器。本文讨论的编码器和解码器均以10 ms和7.5 ms的帧间隔工作，采样频率为8 kHz、16 kHz、24 kHz、32 kHz和48 kHz。当输入信号的采样频率为44.1 kHz时，使用与48 kHz相同的帧长度，因此10 ms帧间隔的实际帧持续时间略长，为10.884 ms；而7.5 ms 帧间隔的实际帧持续时间为8.16 ms。

LC3的总编解码器算法延迟是帧持续时间和编码器端MDCT（改进的离散余弦变换）持续时间的总和。当帧间隔为10 ms，采样频率为 8 kHz、16 kHz、24 kHz、32 kHz 和 48 kHz 时，总编解码器算法延迟为 12.5 ms，当输入信号的采样频率为44.1 kHz时，总编解码器算法延迟为 13.605 ms。当帧间隔为7.5 ms，采样频率为8 kHz、16 kHz、24 kHz、32 kHz和48 kHz时，总编解码器算法延迟为11.5 ms，当输入信号的采样频率为44.1 kHz时，总编解码器算法延迟为12.517 ms。

基于外部设定的比特率，LC3编码器算法对每个通道的单个脉冲编码调制帧PCM进行了压缩处理，并为每个有效负载的信道提供源编码位，并且无需在此有效负载之上添加任何传输通道错误保护。单个通道的有效负载在每帧20字节到400字节之间。与此相对应，帧间隔为10 ms时，总压缩比特率范围在16000 bps到320000 bps之间；帧间隔为7.5 ms时，总压缩比特率范围在21334 bps到426666 bps之间。当采样频率为44.1 kHz，帧持续时间为10.884 ms时，帧间隔为10 ms所对应的比特率范围在14700 bps到294000 bps之间，帧间隔为7.5 ms 对应的范围在19600 bps到392000 bps之间。由此可见，LC3 可以以恒定比特率或外部控制的可变比特率实现对音频数据的编解码处理。

对于解码过程而言，LC3解码器通过外部确定的坏帧指示BFI(Bad Frame Indication)标志和每个通道的有效负载大小对接收的有效负载进行解码处理。BFI标志用于向解码器发送丢失的有效负载或者接收的有效负载中存在的任何检测到的误码。外部应用可以向解码器发送损坏的有效负载信息。如果有效负载位标记为损坏，LC3解码器将跳过有效负载位，并激活PLC算法以生成未压缩的PCM输出信号。LC3有效负载中不包含（如时间戳或序列号等）任何时序信息。LC3解码器通过有效负载的大小对接收到的有效负载进行解析处理。

蓝牙音频的新功能之一是LEAudio广播模式。实际上，广播音频分为两个级别:1基于个人，2基于位置的音频共享。声音的优势在大多数情况下在于后者的应用，后者的体验类似于Wi-Fi，比如用户带着手机来到公共场所，可以自由选择想要分享的广播声音。有些音频广播是开放的，有些则要求用户输入密码。LEAudio有两个优点:支持多种语言；支持因听力丧失或听力丧失而佩戴助听器的人。非常适合机场、剧院、电影院、汽车等。就距离而言，对于剧场或者电影院来说，全覆盖没有问题。事实上，就扩散而言，LEAudio可以达到比传统声音更长的传输距离，主要是因为大多数以前版本的经典声音都是在更短的距离上设计的，并且传输是双向的。新的LEAudio传递函数是单向的，并优化了距离。在LEAudio软件的一个新应用中，蓝牙技术的结合可以启动基于特定功能的图标，例如音频共享，因为这是一个用户从未使用过的全新概念和使用案例。新图标的引入，意味着消费者会知道电视是否出现在公共场所，如电影院、剧院、健身场所等，可以使用蓝牙音频共享。然而，蓝牙技术联盟并不打算为声音引入新的图标，因为蓝牙本身支持广泛的功能，包括LEAudio传输、数据传输、位置服务、设备网络等。蓝牙技术的结合更多的是为了了解蓝牙功能的广度和多样性，并提高人们的认识，随着蓝牙技术的发展，这些多样的功能可以逐渐进入每个人的生产生活。声音也是如此，它是蓝牙家族不可或缺的一部分。

综上所述，新一代低功耗蓝牙音频LE Audio通过构建低功耗、高效音频传输通道和传输策略，同时优化音频数据的编解码算法，有效提升音频传输质量、改善用户的蓝牙音频体验。LE Audio有助于将低功耗、高质量的音频扩展至整个无线通信生态系统，为用户带来全新的音频共享体验。