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aptx 蓝牙无损传输标准

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发表于 2017-7-27 20:31:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
  开发蓝牙的初衷,是为传输数据提供低功耗、低带宽解决方案。尽管在理论上蓝牙传输速度可以达到 2178kbps,但在正常环境和现实条件下,数据大小始终限制在500kbps以下。
  现在CSR的aptX来了,并在蓝牙传输中开始普及。音乐爱好者们也能享受到只有aptX才能呈现的丰富聆听体验:无损音质的纯正无线音效。
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  当前蓝牙传输水平
  Jonny McClintock,毕业于阿尔斯特大学电子学专业,现任CSR公司aptX市场营销总监。在他从事音频行业超过25年的生涯中,他把aptX技术销售给了各行各业很多很多的人。他说,现在蓝牙技术已经发展到了第四代,在国外蓝牙技术已经很成熟后,aptX也在中国找到了更大的发展空间。因为你看,从前蓝牙技术只是用于高端手机或者其他智能设备,如今,它已经向下延伸到中低端消费的人群了。而aptX技术,就是可以让蓝牙音频传输数据更加完整(从而保证音频质量)且低延迟。
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  解决问题的原理  
      说起来,aptX技术提升蓝牙音频音质的原理也不是很复杂,但是效果却不一般。
  拿现在很多蓝牙中使用的SBC音频传输方案来比较一下。SBC方案是基于帧的传输方式,在每个帧后是蓝牙压缩数据包。这种方式,比较浪费数据帧空间,且只有在接收到完整的数据包时,SBC才会开始对压缩数据进行解码。后来,为了提升数据传输效率,SBC方案又进一步改进,对数据帧进行分割及重组,但分割和重组也仍然需耗费不少的时间,且仍然只有在接收到完整的数据包后,SBC才会开始解码。这使得SBC方式下的蓝牙音频传输的时间延迟通常都会在50ms以上,且这种延迟并不固定,而是忽高忽低,非常麻烦。
  这里要补充一下。关于延迟,你是否有感觉呢?在很多高清电影中,如果画面和唇形对不上,我们的感觉多少会有些不爽。如果到了感觉声音很卡的时候,那么延迟就非常严重了。而40ms,意味着你不会有上述的不爽感受。
  aptX很好地解决了这个问题。它采用了ADPCM(ADPCM Adaptive Differential Pulse Code Modulation)原理,是一种针对16bit或者更高位数声音波形数据的一种有损压缩算法,它将声音流中每次采样的16bit数据以4bit存储,所以压缩比为1:4。而压缩/解压缩算法非常的简单,所以是一种低空间消耗、高质量声音获得的好途径。它的核心想法是:利用自适应的思想改变量化阶的大小,即使用小的量化阶(step-size)去编码小的差值,使用大的量化阶去编码大的差值;使用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值,使实际样本值和预测值之间的差值总是最小。
  在该原理下,aptX蓝牙传输数据包变成了这个样子:aptX指令词+蓝牙数据包。这种方式下,不仅数据包的填充效率更高,而且解码工作是从一开始接收到aptX指令词就开始了。在这种方式下,不仅声音质量得到最大程度的还原,而且延迟时间小于40ms。
  我们可以想象一个四车道的高速公路经过一座只有单车道的桥。使用aptX技术相当于桥头上的收费站将四车道上的车流处理(或编码)成单车道队列,使其能够穿桥而过。然后,在桥尾有另一个收费站将单车道车流又处理(或解码)回四车道。
  SBC、AAC 和MP3技术的这些收费站,会限制通过车辆所允许携带的汽油量,这样每辆车都必须将超出限量的汽油放掉。当他们通过桥另一端的收费站后,虽然汽油也许不会全部用完,但肯定比来时要少很多。此外,一旦您过了桥,之前放掉的汽油不会再还给您。换句话说,您永远失去了这些汽油。对重现音频这一事件来说,相当于上述几种解码方法使用更具破坏性的压缩技术来处理音频数据,使其能通过蓝牙传输。这些编解码技术使用心理声学编码流程,这意味着它们将扔掉自认为不重要的音频元素,仅重现有限的音频带宽。同时,由于收费前后桥头两端等待的时间,上述几种方式的延迟时间通常在100ms~500ms之间。
  对比之下,aptX使用先进的ADPCM原理编码音频的所有频率,因此当音频通过蓝牙传输并在音箱、头戴式耳机或条形音箱中解码后,可重现CD级品质的音效。换句话说,aptX无需在桥头放掉一滴汽油。
  SBC一般的音频格式,蓝牙传输在不支持AAC,aptx的时候都用SBC传输,音质一般,现在80%都是这种格式;
  AAC,当蓝牙支持AAC格式的文件,手机也支持AAC传输时,音质比SBC好很多,普通人听的出来这种区别,
  APTX,是蓝牙传输的一种无损格式,由csr推广,在设计初期,要支持APTX,就必须要购买这个软件费用,并且aptx并不是大多数手机都支持,一般支持的手机在背后都有aptx的logo ,所以虽然效果好,但是真正可以支持的设备端其实不多。突破蓝牙壁垒:aptX技术完美解决无线音频的延时问题
  aptX音频压缩编解码技术彻底颠覆了蓝牙立体声音响的聆听体验,可为蓝牙立体声耳机、各类音箱等消费电子应用设备提供高品质无线音频。aptX技术起初应用于无线电广播当中,直至2012年才被引入蓝牙应用领域。它的应用使支持立体声蓝牙A2DP 连接的设备能够输出CD般品质音频。
  尽管aptX技术克服了蓝牙音频的较低音质问题,但开发人员仍需解决蓝牙音频的延时问题,以便为使用移动设备观看电影或玩游戏的消费者开发出高品质的无线耳机与音箱产品。延时是指音频流从音频源(智能手机、媒体播放器、计算机或控制台)传输至无线接收设备(音箱或耳机)播放所花费的时间。
  佩戴无线耳机使用平板电脑观看电影时,用户不希望遇到声音与画面不同步的现象;而在无线设备上操作涉及射击、爆炸及其它间歇性意外事故的激烈动作游戏时,游戏玩家也都希望获得直觉的音频响应。为了实现声音与动作之间的同步,延时必须控制在40ms以内。由于传统蓝牙技术的延迟时间超过100ms,其性能无法实现对白及游戏实时同步。因此,各种基于专利的射频解决方案(大部分都需要适配器)便应运而生以便填补这个领域的巨大空白,但成功案例却少之又少。
  CSR近期推出的低延时aptX音频压缩编解码技术使开发人员无需使用繁杂的适配器便可轻松地解决延时问题。全新低延时aptX音频压缩编解码技术通过蓝牙不仅提供无损的高品质音频,同时还提供低达40ms的低延时输出性能。aptX突破性技术具备诸多优点,其中包括:
  使用基于标准的射频技术并兼容蓝牙,由于蓝牙百分百兼容智能手机、平板电脑及笔记本,因此无需搭配使用适配器通过简单的软件更新便可在现有芯片设计系统中运行。
  低延时音频压缩编解码技术问题
  这个问题的关键在于音频与视频信号的超前或滞后。据欧洲广播建议标准R37-2007规定,电视信号的声音与图像组件传输之间的时隙范围为:“声音比图像信号超前不应高于40ms且滞后不应高于 60ms。” 在立体音频传输中,蓝牙传输层采用了支持标准SBC编解码器的A2DP协议以及基于心理声学感知技术的编码算法。然而,基于SBC与感知的压缩技术则使用帧压缩,其整体延迟时间最高甚至可达100ms至500ms,这主要归于以下三个因素:
  1.编解码器延迟:每个音频编解码器在将数据进行编码并发送出去之前会造成一定的内部延迟。传统的编解码器已检测到高达50ms的编解码器延迟。
  2.传输延迟:A2DP传输层采用数据包结构。工程师在使用基于SBC或感知的帧填充数据包时,有两个方案选择:其一是将一个帧放入大型蓝牙数据包;其二是将一个帧分解成两个蓝牙数据包。采用第一个方案会降低数据传输的稳健性,而在第二个方案中,解码器只有在接收到两个蓝牙数据包以后才能对分解帧进行解码,因此将显著增加传输延迟时间。
  3.编解码器接收到整个数据包或帧以后才会开始进行解码。
  此外,由于其比特率设置特点,基于SBC与感知的编解码器提供的音频质量高度易变。也就是说,即使采用的是多个同样的编解码器,也无法提供稳定的音频效果。
  A2DP传输无法两全其美。若要获得低延时性能,那么音频的稳健性及音质则会降低。因此,市面上曾推出许多专有RF解决方案以便满足消费者对无线传输的需求。
  aptX低延时技术
  基于采样模式的aptX编解码器较A2DP编解码器具备两大优势: 它可提供1.9ms超低编解码延时,更为重要的是,无需采用帧格式。因此,在解码过程中,aptX编解码器无需等待便可高效地对蓝牙数据包进行填充,也就是说,一旦它接收到数据包便即刻启动解码过程。此外,aptX采用固定压缩率算法,可在传输过程中始终提供相同的比特率,从而保证每个配备aptX的产品输出相同的音质。
  aptX具备的一系列独特特性在提供专业的音频性能及稳健性的同时,还可保证40ms的端到端延迟。40ms符合欧洲广播联盟(EBU)制定的实现对话与动作同步的标准要求。
  电视机与游戏方面的应用
  自平板电视诞生以来,工程师一直致力于窄化电视机边框,主要目的是为了更好地将电视机安装于卧室墙面。然而, 电视机的轻薄化设计与其音质成反比,其扬声器的音响效果与其容积成正比,也就是说,电视机越薄,其音质越差。针对当前市面上的5mm厚度平板电视,有两种基于低延时蓝牙连接的方案选择:
  1.厂商提供独立扬声器,在电视机外壳中内置aptX低延时技术并在扬声器中嵌入解码器
  2.电视机采购商可使用接收器从线性输出端口将信号传输至现有的兼容aptX技术的立体声音响系统当中
  游戏也是日渐增长的一个应用领域。当传统的室内游戏机市场依然强劲之时,移动游戏市场获得了蓬勃发展。现代操作系统使市面上的所有智能手机及平板电脑均可运行3D游戏,这将为游戏市场创造数以亿计的潜在用户。
  在路上佩戴蓝牙耳机操控游戏的玩家绝对不希望碰到延时问题,他们希望通过耳机听到的声音能够与游戏画面和操控动作保持同步。若扣下扳机与听见枪响的时间间隔超过50ms,造成的延时会比较明显,这个游戏也就变得没什么趣味了。
  aptX低延时技术及其40ms的低延时性能可确保游戏玩家获得所需的音频同步效果。另外,aptX还可开通一个双通道音频流以便将耳机中的信号回传至游戏机,从而为游戏团队提供无线语音聊天功能,增强游戏体验。
  内置aptX的耳机可用于玩游戏、聆听高品质音乐、免提通话等应用当中,为用户创造各种美好体验。
  如何使用aptX低延时技术
  aptX低延时技术连接的两端分别为:压缩/编码器/信源与解压缩/解码器/信宿。它适于采用市面上基于Linux、安卓Jelly Bean及Kit Kat等系统的各种编码器,并可兼容BlueZ及Bluedroid蓝牙协议栈。一旦确认输出信号准确无误,那么便可在两个工作日内完成数据集成。
  在解码端,用户可采用CSR芯片如BC05MM及SR8670,这两款基于闪存的芯片元件均兼容Kalimba板载 DSP。用户然后可将aptX低延时技术集成到Kalimba DSP这个平台。除了aptX,CSR芯片还可提供其他各种丰富功能,包括高性能DAC与ADC、电容式触控、输入/输出功能(SPDIF、I2S、I2C与 GPIO等)等;若使用的是CSR8670 ,还可提供Bluetooth Smart连接功能。
  CSR技术成功解决了延迟问题,制造商现可考虑在其生态系统设计中采用蓝牙连接,不仅易于使用、节约成本(芯片及系统),还可确保其产品永不过时。
  放弃私有方案而选择基于标准的方案有利于制造商享受各蓝牙半导体公司的研发成果,其好处包括:加快设计流程,形成规模经济从而确保优势价位。
  除了蓝牙射频,还可享受研发出的其他各种丰富功能,包括板载DSP、ADC、DAC及采样率转换器等
  蓝牙标准已被广大消费电子厂商采用,蓝牙芯片的销量在过去十年间已超过30亿。市面上所有智能手机、平板电脑及大多数功能手机与便携式媒体播放器都已搭载蓝牙功能并兼容A2DP协议以提供宽带立体声音频。使用户在观看智能手机存储视频时,可通过无线耳机与扬声器聆听高品质音频。
  市场很大,aptX应用在扩展
  Jonny McClintock介绍,自从6年前森海塞尔(Sennheiser)首先采用aptX技术,HTC、摩托罗拉以及苹果都纷至沓来,并成为华纳兄弟、迪斯尼、皮克斯等公司后期制作的技术标准,有超过2.4万家DTS影院使用该技术支持5.1声道播放。
  近期,英特尔、飞利浦、索尼以及Vertu也把aptX技术用于他们的或是笔记本、或是平板电脑或是手机产品。微软在其Microsoft Phone 8.1的GDR1版本中采用了aptX编码器。
       2014年,aptX还突破扬声器和耳机领域,冲向可穿戴产品市场。现在,aptX是三星Gear 4智能手表的一部分。Jonny McClintock相信,到2015年,aptX将成为高品质无线音频的实际行业标准。
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