古老無(wú)線再升級(jí)深入了解藍(lán)牙5．0技術(shù)

藍(lán)牙由4到5的進(jìn)化

藍(lán)牙（Bluetooth）是一項(xiàng)誕生于1998年的“古老”無(wú)線技術(shù)，但它真正被人廣泛認(rèn)知的時(shí)間點(diǎn)，則要被推遲到2007年藍(lán)牙2.0/2.1+EDR標(biāo)準(zhǔn)的推廣。隨著PC無(wú)線網(wǎng)卡的更新，以及智能手機(jī)進(jìn)入4G時(shí)代，藍(lán)牙技術(shù)則經(jīng)歷了從4.0→4.1→4.1→5.0的更新（圖1），所以在探討藍(lán)牙5.0之前，咱們還是應(yīng)該重新回顧一下藍(lán)牙4.x的特色。

藍(lán)牙4.x的變化

和早期的藍(lán)牙版本相比，藍(lán)牙4.0曾被官方稱為“Bluetooth Smart”（智慧藍(lán)牙），它加入了革命性的BLE協(xié)議部分，并在高度集成的設(shè)備中增加了低功耗的物理層和鏈路層，具備更省電、成本低、低延遲、連接距離增加和AES-128加密等特性。可以說(shuō)，從藍(lán)牙4.0開始，它往后的藍(lán)牙版本都開始致力于針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)（圖2）。

藍(lán)牙4.1標(biāo)準(zhǔn)于2013年推出，它解決了藍(lán)牙技術(shù)對(duì)4G信號(hào)有所干擾的隱患，同時(shí)還支持IPv6，可同時(shí)發(fā)射/接收數(shù)據(jù)（即同時(shí)連接多臺(tái)設(shè)備），單包數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笾狄矎?0字節(jié)上調(diào)到23字節(jié)，提升了15%的數(shù)據(jù)傳輸率。

2014年底發(fā)布的藍(lán)牙4.2標(biāo)準(zhǔn)，它主要在傳輸速度和安全性方面做出了較大的改進(jìn)。藍(lán)牙4.2的最大單包數(shù)據(jù)傳輸指標(biāo)（可以理解為帶寬）從4.1時(shí)期的23字節(jié)提升到255字節(jié)，可容納的數(shù)據(jù)量提升了10倍有余，從而使數(shù)據(jù)傳輸速度提升了約2.5倍。此外，藍(lán)牙4.2對(duì)設(shè)備間的秘鑰管理更加嚴(yán)苛，可避免被中間人破解密鑰的事件發(fā)生，同時(shí)還允許藍(lán)牙設(shè)備通過IPv6通道進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，讓各種穿戴式、IoT設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步和聯(lián)動(dòng)（圖3）。

藍(lán)牙5.0的進(jìn)化

藍(lán)牙5.0標(biāo)準(zhǔn)誕生在2016年，它較藍(lán)牙4.2（LE低功耗藍(lán)牙）實(shí)現(xiàn)了速度、距離和連接性方面的質(zhì)變（圖4）。從官方給出的具體指標(biāo)來(lái)看，藍(lán)牙5.0較之藍(lán)牙4.2可以帶來(lái)4倍的傳輸距離（300米，但這只是理論值，要知道藍(lán)牙4.2在超過10米的距離后信號(hào)就已經(jīng)很微弱了）、2倍的傳輸速度（從1Mbps提升到2Mbps）、8倍的廣播數(shù)據(jù)傳輸量（可同時(shí)對(duì)多臺(tái)藍(lán)牙音頻設(shè)備輸出音頻信號(hào)，從而更容易架設(shè)環(huán)場(chǎng)音效）。此外，藍(lán)牙5.0增添了導(dǎo)航功能，配合無(wú)處不在的Wi-Fi和藍(lán)牙信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)度接近1米的室內(nèi)定位。

藍(lán)牙5.0還可以算是針對(duì)IoT設(shè)備量身定制的新一代無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，它的功耗比藍(lán)牙4.2更低，并對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了很多底層優(yōu)化，比如引入了藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（Mesh Networking）技術(shù)（圖5），它打破了傳統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備間“一對(duì)一”的配對(duì)，轉(zhuǎn)變成“多對(duì)多”的信號(hào)傳輸模式，可以使藍(lán)牙5.0設(shè)備相互作為信號(hào)中繼站（類似于電力貓），從而將藍(lán)牙信號(hào)傳遞到無(wú)限遠(yuǎn)（理論上）。

并不順利的普及之路

作為一項(xiàng)非常“給力”的無(wú)線技術(shù)，早在2017年初藍(lán)牙5.0技術(shù)就已經(jīng)“入駐”智能手機(jī)領(lǐng)域。但是，直到2018年底.藍(lán)牙5.0卻依舊沒能在豐機(jī)圈中普及.這又是為什么呢？

藍(lán)牙5.0屬于可選項(xiàng)

就手機(jī)處理器平臺(tái)（SoC）很多人都存在一個(gè)誤區(qū)，以為SoC是在單芯片上就集成了包括CPu、GPU、ISP、Modem、Wi-Fi、藍(lán)牙、電源管理等所有模塊。實(shí)際上，包括Modem、Wi-Fi、藍(lán)牙、電源管理在內(nèi)的很多模塊，都是以獨(dú)立芯片的形式共存于同一塊PCB主板之上的，因此一款SoC的理論參數(shù)并不代表手機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的實(shí)際參數(shù)（圖6）。

比如，高通從驍龍636開始就已經(jīng)加入了對(duì)藍(lán)牙5.0技術(shù)的支持，但市面上搭載驍龍636且支持藍(lán)牙5.0的手機(jī)卻僅限紅米Note 5等極少數(shù)產(chǎn)品（圖7），其他手機(jī)卻大都采用驍龍636和藍(lán)牙4.2芯片搭配的方式（圖8）。原因很簡(jiǎn)單，藍(lán)牙5.0技術(shù)并非手機(jī)的“剛需”，而藍(lán)牙5.0芯片的成本也要高于藍(lán)牙4.0芯片，所以在過去的很長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期，絕大多數(shù)手機(jī)廠商都對(duì)藍(lán)牙5.0“不感冒”。

華為/榮耀就是不著急推廣藍(lán)牙5.0的手機(jī)廠商代表之一，無(wú)論是搭載麒麟970的上代旗艦Mate 10/P20，還是搭載麒麟710的新機(jī)榮耀8X，哪伯麒麟970和麒麟710理論上都支持藍(lán)牙5.0，但上述手機(jī)的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)卻還停留在4.2時(shí)期。目前，該品牌旗下只有Mate 20系列、榮耀Magic 2/榮耀V20等搭載麒麟980的新品才剛剛正式引入藍(lán)牙5.0技術(shù)。

52audio曾整理過截至2018年10月支持藍(lán)牙 5.0的手機(jī)列表（圖9），雖然不算特別全，但也能印證一點(diǎn)—藍(lán)牙5.0并沒有在智能手機(jī)領(lǐng)域普及，它依舊是少數(shù)中高端手機(jī)的專利。

市場(chǎng)需求還待培育

藍(lán)牙5.0之所以沒能出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，除了藍(lán)牙5.0芯片成本較高以外（圖10），最大的制約因素還是在于市場(chǎng)需求不夠旺盛，因?yàn)樗{(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ胀ㄓ脩舳赃€是比較局限。

比如，藍(lán)牙傳輸速度再快，能有Wi-Fi快？各種分享APP可以構(gòu)建無(wú)線熱點(diǎn)通道，輕松實(shí)現(xiàn)超過20MB/s的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境;藍(lán)牙傳輸距離再遠(yuǎn)，有人就該擔(dān)心風(fēng)險(xiǎn)了—偷手機(jī)的賊都離開地鐵站了，戴著藍(lán)牙耳機(jī)聽歌的你卻還沒有任何察覺;藍(lán)牙5.0雖然可以助力IOT的發(fā)展，但I(xiàn)OT是個(gè)啥很多用戶心里卻還沒有概念……

因此，在藍(lán)牙5.0還沒有殺手級(jí)應(yīng)用環(huán)境之前，手機(jī)廠商持謹(jǐn)慎的推廣態(tài)度就在情理之中了。好消息是，隨著參與藍(lán)牙5.0芯片研發(fā)的廠商越來(lái)越多（如高通、CSR，德州儀器、意法半導(dǎo)體、Nordic、Dialog、東芝和炬力等），藍(lán)牙5.0的獵裝門檻也在逐漸下降。相對(duì)來(lái)說(shuō)，新一代類似蘋果AirPods藍(lán)牙耳機(jī)（圖11），是最有可能引爆藍(lán)牙5.0技術(shù)的“導(dǎo)火索”。

來(lái)自藍(lán)牙5.0耳機(jī)的機(jī)會(huì)

由于Phone的“示范效應(yīng)”，越來(lái)越多的高端Android手機(jī)也流行取消3.5mm耳機(jī)孔的設(shè)計(jì)，想聽歌要么選擇USB Type-C接口的有線耳機(jī)（或USB Type-C轉(zhuǎn)3.5mm轉(zhuǎn)接線），要么就只能搭配藍(lán)牙耳機(jī)使用了。而藍(lán)牙5.0技術(shù)，則有助于提升藍(lán)牙耳機(jī)的體驗(yàn)，并進(jìn)一步刺激更多用戶優(yōu)先挑選支持藍(lán)牙5.0功能的手機(jī)和耳機(jī)。藍(lán)牙5.0對(duì)功能的改進(jìn)

藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)都能向下兼容，所以購(gòu)買藍(lán)牙5.0耳機(jī)時(shí)不必?fù)?dān)心沒有匹配的手機(jī)搭配使用。藍(lán)牙5.0憑借更高的帶寬可以將語(yǔ)音指令傳輸?shù)浇K端的速度從90ms縮減到40ms左右，因此它對(duì)耳機(jī)的功能有著很大的幫助。比如現(xiàn)在很多藍(lán)牙耳機(jī)都集成了語(yǔ)音助手、手勢(shì)控制、主動(dòng)降噪、健康監(jiān)測(cè)等功能，藍(lán)牙5.0可以讓上述功能變得更加行云流水而沒有半分延遲的感覺。此外，藍(lán)牙5.0模塊的耗電更低，可以再度延長(zhǎng)藍(lán)牙耳機(jī)的續(xù)航時(shí)間。

需要注意的是，很多類似AirPods的藍(lán)牙5.0對(duì)耳耳機(jī)（兩個(gè)耳機(jī)分離，沒有線纜相連）在宣傳中都會(huì)主打“雙耳通話”功能（通話時(shí)兩邊耳機(jī)都能出聲），給人一種好像只有藍(lán)牙5.0才能享用這一特殊功能的錯(cuò)覺（圖12）。實(shí)際上，“雙耳通話”并不是藍(lán)牙5.0的專利，包括AirPods在內(nèi)的很多藍(lán)牙4.x耳機(jī)就已經(jīng)支持雙耳通話功能了，而以捷波朗臻律為代表的藍(lán)牙5.0耳機(jī)反而只能單邊（右邊）出聲。

可見，雙耳通話并不受藍(lán)牙版本的限制，只能說(shuō)絕大多數(shù)藍(lán)牙5.0芯片都會(huì)將雙耳通話納入標(biāo)準(zhǔn)功能，而藍(lán)牙4.x芯片想要實(shí)現(xiàn)這一功能需要多費(fèi)一番功夫，比如AirPods所使用的W1芯片內(nèi)除了內(nèi)置藍(lán)牙解碼模塊之外還同時(shí)集成了一顆Wi-Fi芯片，從而使得AirPods并不需要占用兩個(gè)藍(lán)牙信道即可完成同步，最終實(shí)現(xiàn)雙耳通話的效果。

藍(lán)牙5.0對(duì)音質(zhì)的增益

藍(lán)牙耳機(jī)由于和手機(jī)之間沒有線纜相連，所以其音質(zhì)的好壞基本就取決于耳機(jī)自身的品質(zhì)。當(dāng)我們使用藍(lán)牙耳機(jī)聽歌時(shí)都是如下流程（圖13）：

1.手機(jī)內(nèi)的Codec（編譯碼器）或者DAC（數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器）對(duì)MP3等格式的音頻文件進(jìn)行解碼并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào);

2.手機(jī)通過藍(lán)牙，基于A2DP協(xié)議將數(shù)字信號(hào)壓縮，再通過無(wú)線的形式發(fā)送給藍(lán)牙耳機(jī);

3.藍(lán)牙耳機(jī)接收到壓縮后的數(shù)字信號(hào)后，通過耳機(jī)內(nèi)集成的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片將其解碼并轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào);

4.耳機(jī)內(nèi)部的信號(hào)放大芯片將模擬信號(hào)進(jìn)行放大，并傳輸?shù)蕉鷻C(jī)內(nèi)的發(fā)聲單元處，最終輸出適合人耳聆聽的聲音。

問題來(lái)了，藍(lán)牙的帶寬（傳輸速率）有限，理論上很難直接輸出CD級(jí)別的音頻信號(hào)，想要實(shí)現(xiàn)高音質(zhì)就只能從“如何更高效利用已有帶寬”的方面入手。為此，使用藍(lán)牙耳機(jī)聽音樂時(shí)需要先將音頻信號(hào)進(jìn)行音頻編碼（壓縮），也就是聽歌流程中的第二個(gè)步驟。

目前常見的藍(lán)牙音頻傳輸格式由弱到強(qiáng)依次為SBC、AAC、aptX/aptX HD（高通主導(dǎo)）和LDAC（索尼主導(dǎo)），其中只有aptX HD和LDAC才能做到真正的“無(wú)損”，帶來(lái)接近Hi-Fi的完美音質(zhì)。好消息是，高通和索尼為了推廣自家的技術(shù)，分別將aptX和LDAC開源給了谷歌，只要Android系統(tǒng)升級(jí)到8.0或更高就能加以支持（PC方面需要Windows 10系統(tǒng)），不過手機(jī)端想使用aptX還需要搭配高通旗下的驍龍移動(dòng)平臺(tái)（其他硬件平臺(tái)需要高通授權(quán)）（圖14）。

理論上，藍(lán)牙4.2的傳輸速率（1Mbps）就足以滿足aptX HD和LDAC編碼的需求了，因?yàn)長(zhǎng)DAC編碼最高也只支持24bit/96kHz的990kbps音頻傳輸。但是，從用戶實(shí)際的反饋來(lái)看，支持LDAC的藍(lán)牙4.2耳機(jī)存在一定的延遲和卡頓問題，唯有藍(lán)牙5.0才能完美適配。因此，雖然藍(lán)牙5.0自身并沒有針對(duì)音頻做出什么優(yōu)化，但它更高的帶寬和傳輸速率方面的優(yōu)勢(shì)，卻可令其有效地消除藍(lán)牙耳機(jī)和有線耳機(jī)之間的物理傳輸瓶頸。

需要注意的是，想體驗(yàn)藍(lán)牙5.0，需要手機(jī)端和耳機(jī)端都支持藍(lán)915.0。想體驗(yàn)aptX HD或LDAC技術(shù)的高音質(zhì)，除了手機(jī)端存在系統(tǒng)限制（Android 8.0）以外，手機(jī)中播放的音樂文件本身也必須是無(wú)損格式的，同時(shí)耳機(jī)端的藍(lán)牙芯片也需要得到aptX日D或LDAC的授權(quán)才可以，而這是一筆不小的費(fèi)用，所以市面上支持這兩大技術(shù)的藍(lán)牙耳機(jī)售價(jià)都不便宜。當(dāng)手機(jī)和耳機(jī)都滿足上述條件時(shí)，就能在系統(tǒng)中選擇需要的藍(lán)牙音頻編碼器的版本了（圖15）。如果編碼器為灰色不可選（圖16），就說(shuō)明手機(jī)或耳機(jī)至少有一端不支持這些編碼器。

小結(jié)

無(wú)論你需不需要，藍(lán)牙5.0已經(jīng)成為了發(fā)展趨勢(shì)，2019年會(huì)有更多的手機(jī)和耳機(jī)將其納入標(biāo)準(zhǔn)功能。雖然藍(lán)牙5.0有著非常好的理論指標(biāo)，但現(xiàn)階段其最直觀的好處就是信號(hào)穩(wěn)定性、低能耗和低延遲，有利于提升藍(lán)牙耳機(jī)的聲音表現(xiàn)。但是，正如前文所述，藍(lán)牙5.0并不等于好音質(zhì)，它還需要耳機(jī)端的藍(lán)牙芯片支持更先進(jìn)的aptX日DtpLDAC解碼，同時(shí)還得配合更好的喇叭單元。百元的藍(lán)牙5.0耳機(jī)就想挑戰(zhàn)干元的藍(lán)牙4.2耳機(jī)，依舊是個(gè)笑話。