助力真無線發展　藍牙LE Audio解析

張丁山

今年1月，藍牙技術聯盟發布了新一代的藍牙5.2技術規范，其中最受用戶關注的特性就是藍牙音頻技術，即LEAudio（Low Engery音頻）o這項技術解決了目前藍牙技術的最大痛點：多點傳輸問題，也增加了不少新特性，或將從根本上改變TWS（真無線立體聲）耳機行業。

從藍牙說起

藍牙技術的初衷原本是在小型移動設備及相關外設之間進行通訊及數據傳輸，以取代線纜。因此，藍牙主要以BR/EDR（基礎速率和增強速率）工作在無需授權的2.4GHz ISM頻道，也就是我們常說的經典藍牙。這項技術到現在已經過8個版本的更新，速度從最初1.1版本的748Kb/s，增加到4.0版本的24M b/s，并逐步改進了抗干擾、穩定性和能耗表現。

按照創造者們的想法，藍牙鍵盤和鼠標才算是最接近初衷的產品形態之一。沒想到藍牙在音頻傳輸領域特別吃香，據悉在2019年里，藍牙音頻產品的發貨量超過10億臺。

為了解決傳輸音質問題，基于A2DP（ Advanced Audio DistributionProfile高級音頻發送配置協議）的SBC、AAC、APT-X、LDAC等各種編碼技術相繼出現，為了遠程聽歌還能控制設備的AVRCP（ Audio/VideoRemote Control Profile音頻視頻遠程控制協議）也應用廣泛，人們在用藍牙傳輸音頻這項技能上瘋狂升級，從而也賦予了藍牙更多的可能。

當然，很多音頻發燒友們對藍牙總是嗤之以鼻。因為藍牙的帶寬遠不夠傳輸無損音頻，更不用說碼率更高的DSD、DFF音頻，所以必須經過有損編碼降低碼率，實際上SBC、AAC、apt-X等編碼格式都是一種降低碼率向藍牙速率妥協的產物。那這樣一來，藍牙傳輸音頻會經過兩次解碼和一次編碼：源文件→ PCM→AAC/SBC/apt-x→PCM。由于編碼有損，那么源文件是否為無損Hi-Fi意義并不大，就算索尼的LDAC也只敢宣稱接近Hi-Res，所以藍牙音頻很難滿足音頻發燒友的需求。當然，這也跟耳機本身的素質有一定的關系。

除了速度問題，對于廠商們而言還有個不大不小的問題，藍牙數據只能點對點傳輸。A2DP傳輸立體聲，是由藍牙接收芯片堆棧數據之后解碼得到左右聲道信號，但沒法做到讓藍牙分別同時傳輸左右聲道，所以我們看到，凡是欣賞音樂的藍牙耳機，左右單元都會有線纜連接成一個整體。當然，用慣了有線耳機的我們，對這種設計不會感到不妥，廠商們對這種非常成熟的方案也喜聞樂見。本來大家相安無事，但這時有人出來攪局——蘋果公司，它“剪”掉了耳機上的所有線纜，仿佛在無線耳機市場投下了一顆“炸彈”。

蘋果剪掉了耳機線

2016年，蘋果打著“重新發明了無線耳機”的旗號推出了AirPods，采用二分音符造型，左右單元完全獨立的耳機引起了極大爭議。我們知道，蘋果的產品，如同奔馳生產的汽車，都逃不過真香定律。只是這時候人們才發現，iPhone取消3.5mm耳機口原來是在下一盤很大的棋。

蘋果并不只是在AirPods的造型上標新立異，而是在兩個獨立單元里塞進了太多領先的功能，真正實現了無縫體驗。所有的這一切，都是基于蘋果的Apple Wl芯片實現的。關于這顆芯片的參數、內在技術、傳輸協議，官方一直三緘其口。不過我們能夠總結出幾個特點，Wl首先是極大地簡化了藍牙耳機的連接配對，只要靠近iPhone或Apple Watch即刻配對完成。通過iCloud與Mac與iPad進行連接，AirPods可以在不同設備之間自由切換。同時，其連接穩定性和連接范圍也是友商的藍牙耳機望塵莫及的。其次，Wl配合耳機內置的語音加速感應器、光學傳感器等，能夠自動感應和控制音頻、麥克風，戴上之后馬上就能播放音樂。最后，Wl功耗控制非常出色，一次充電也可以連續使用5小時，配合充電盒，總續航時間能超過24小時。

針對經典藍牙的三大痛點：連接便利性和穩定性、多點協同傳輸、能耗問題，Apple Wl都交出了超出預期的答卷。至于音質方面，Apple Wl談不上有多好的音質表現，只能說對于普通消費者日常通勤夠用，畢竟普通用戶看重的是：方便、好用，以至于雖然AirPods有各種花樣丟失方式，但銷量依然擋不住。

山頭林立的TWS

其實，AirPods并不是全球首款TWS耳機。比如三星在AirPods之前就推出過Galaxy Gear IconX。但由于經典藍牙的天生缺陷，大多只能采用主副耳方案，手機端的音頻信號通過藍牙傳輸到主耳機中，再通過主耳機將信號傳輸到副耳機。這種方案的致命問題是主耳機充當信號中繼，功耗會比副耳機高，造成兩個單元的續航、使用壽命差異;二是藍牙信號需要經過主耳機處理，很容易出現兩個單元之間音頻不同步、耳機和手機之間音畫延遲明顯等問題。

那么AirPods如何解決這個問題？說起來也不復雜，Wl芯片與耳機之間通過私有協議，可以分別同時接收手機發出的信號，還經過私有協議進行信息同步，保證了低延遲與雙耳音頻同步共存。此后，蘋果推出的Hl耳機芯片，切換設備的速度是上一代的2倍，連接速度是之前的1.5倍。至于具體怎么實現的，沒人知道，這可是蘋果的商業機密和專利壁壘。

不過，友商們也沒有閑著。各大SoC方案廠商紛紛推出了各種TWS主控方案，僅目前能夠數出來的已經有十多種。例如BES恒玄BES2300支持LBRT低頻轉發技術，改進了左右耳機的同步質量;REALTEK瑞昱RTL8763B具有雙耳通話功能和很好的兼容性;高通的QCC5124芯片還整合了藍牙和主動降噪功能，體現整體方案優勢;華為麒麟Al芯片配置了全新的雙通道同步傳輸技術和356MHz高速率音頻處理單元，在提供穩定快速的藍牙連接的同時，也降低了音頻與視頻同步的延遲。

造成TWS山頭林立這樣的局面，除了安卓生態圈沒有統一的標準外，經典藍牙作為最底層協議是造成這種問題的關鍵所在，廠商們也是被逼無奈才推出了各種方案。

知錯能改的新標準

今年年初，藍牙技術聯盟發布了最新的藍牙5.2技術規范，最大的亮點就是加入了LE Audio技術標準，它擁有四個新特性：支持多重串流音頻、采用全新的LC3音頻編解碼方案、支持廣播音頻，助聽支持。翻譯成人話就是，LE Audio不光改善了音質，還直接從最底層支持多點傳輸音頻，解決TWS的專利和兼容性的問題，同時開啟了新的語音共享模式。

首先我們來看多重串流音頻，這一技術的難點在于各條傳輸通道的同步性。LE Audio具有一條LE同步通道叫LE Isochronous Channels可以工作在連接模式和廣播模式。在連接模式下，該同步通道使用LE-CIS（LE連接的同步數據流，LE ConnectedIsochronous Stream）傳輸方式，它提供了一種協議，規定發送端的每幀數據會帶有一個時間窗口，接收端在該窗口之外接收到的數據將被丟棄。這意味著接收端僅接收窗口時間內的數據，從而保證多個從設備接收數據的同步。LE-CIS仍是一種點對點模式。另一種是Connected IsochronousGroups （CIG）模式，可以看做是多個CIS實例的組合。同一個CIG內的CIS具有相同的時間期限，所以能夠保證同一個組內的數據是同步的。

而廣播模式稱為BIS（ BroadcastIsochronous Stream），單從名字上可以看出與CIS的區別在于一個是連接一個是非連接。多個BIS就組成了一個BIG。BIG的一個周期廣播的協議數據內包含有針對每個BIS的時間窗口，便于每個接收端獨立同步。

這項特性讓TWS中最令人頭痛的連接和同步問題迎刃而解，讓TWS實現了更短的延遲，語音控制服務會更加無縫。在多音頻源的情況下，設備間的切換也能更加順暢。順帶著還開啟了一頁新技能：廣播音頻。該技能讓音頻源能夠向不限數量的接收器廣播一個或多個音頻串流。這種廣播有開放式的，允許任何范圍內的接收器設備參與;也有封閉式的，僅允許具有正確密鑰的接收器設備參與。這就類似于Wi-Fi的使用方法，用戶進入一個公共場所之后，可以自行選擇接收哪一個廣播音頻，就像選擇接入哪個Wi-Fi熱點一樣，只是有的需要密碼有的不需要而已。

第二大特性是新的LC3編碼格式將取代老掉牙的SBC。LC3是一種低復雜性通信編解碼器，它以更低的碼率提供同等質量的音頻。以碼率為1.5Mbps的音頻為例，通過LC3可以將其壓縮至192Kbps。由于可以以更低的數據傳輸速率實現不遜于SBC的音質，耗電將進一步減小，廠商可以根據情況選擇更小的電池，讓產品更加小巧。官方表示LC3能夠提供最高48KHz、320Kbps的音頻，而且即使碼率降低50%，音質也比SBC好。這種說法來自基于ITU-RB S.1116-3規范的音頻損傷標度測試，結果表明官方說的并不假。這就為制造商帶來了便利，可更好地優化產品，比如對于不需要太高音質的產品，通過低碼率LC3可以讓產品更加省電。

不過在音質方面，LC3現有的規格還不足以取代LDAC、aptX-HD等高清編碼格式，至于實際表現的差別，也有待未來產品上市后再看。

低功耗、LC3和多重串流功能，帶來了LE Audio的最后一個特性就是助聽支持。據世界衛生組織（WHO）估計，由于不正確的聽力習慣，全球11億年輕人在35歲之前可能有聽力受損的風險。LE Audio可以為助聽器提供無線通話、無線音頻播放、無線視頻瀏覽、無線語音助手等各種功能，并極大地縮小體積，甚至完全做成TWS耳機的外觀，需要助聽器又怕被嘲笑的人也不會有心理障礙了。當然這只是一方面，最重要的好處來自廣播音頻，比如在機場、電影院、劇院等公共場所，廣播音頻可以直接傳輸到聽力受損人士的助聽器，讓他們在這些嘈雜的環境中有更好地聽覺體驗。

功耗方面，藍牙5.2規定了對于發射功率的動態管理，通過監控接收信號強度RSSI，來通知發射端增加或減少發射功率。這將使接收靈敏度保持在一個最佳的范圍內，從而更好控制功耗。

寫在最后

LE Audio給藍牙音頻帶來了更多的可能，能夠從基礎架構上為所有的開發者提供一個更好和更靈活的平臺。同時，在音頻使用場合，LE Audio除了對于個人聽音，還能在使用音頻的各個行業中得到更廣泛的應用，并且也能和經典藍牙設備兼容。不過，按照藍牙技術聯盟的估計，消費級LE Audio產品可能會在2021年才能廣泛上市，消費者需要做的就是耐心等待。