2013年3月14日星期四

蓝牙音频音质探讨

简介

本文简单介绍了蓝牙无线音频技术 A2DP,并从技术角度探讨其最理想情况下的音质。

1. 蓝牙 A2DP 简介

我们先从蓝牙核心规范说起,蓝牙 1.0 的音频传输带宽只有 64kbit/s,8kHz 采样率 8 位采样精度,仅适用于电话。后来进行了升级,目前支持最广泛的蓝牙 2.0/2.1 + EDR 连接速率为 3Mbit/s,实际可用数据传输速率为 2.1Mbit/s(A2DP 与文件传输共享)。蓝牙 3.0 引入了高速数据传输新特性,最高数据传输速率为 24Mbit/s,但是数据传输是通过 WiFi 进行的,支持该特性的设备会标记为“蓝牙 3.0 + HS”。市面上支持蓝牙 3.0 的设备,如果没有标记“蓝牙 3.0 + HS”,数据传输速率并不会提升,由于功耗限制耳机实际上不可能支持 WiFi 传输。最新的是蓝牙 4.0 是一个混合体,包括传统蓝牙,高速蓝牙与低功耗蓝牙三个子集,相当于 2.1 加上 3.0+HS 与低功耗蓝牙。低功耗蓝牙多用于可穿戴设备。

A2DP(Advanced Audio Distribution Profile) 是蓝牙的子协议,蓝牙耳机、音箱等都是通过此协议传输音频数据流的,蓝牙音频所能使用的数据带宽也是由此协议定义。

2. 蓝牙 A2DP 音频传输格式

达到 CD 音质需要 1411.2 kbit/s 的带宽,显然 A2DP 无法允许,所以音频数据需要经过压缩。因为音频数据需要连续传输,而实际传输速率肯定大大低于理论速率,一般实用速率为 300kbps 左右。我们知道同样的比特率下,不同的编码格式音质是不同的。A2DP 要求必须支持SBC(Sub-band coding)编码,MP3、AAC、ATRAC 为可选编码,也可以使用其他专有编码格式。假设要使用 MP3 编码传输,则播放设备与接受设备(耳机)都支持 MP3,可以在播放设备与耳机的说明书中找到其支持的编码格式。

2.1 SBC

A2DP 对于 SBC 最大允许速率是单声道 320kbit/s、双声道 512kbit/s,实际上市面上的产品一般是按照 A2DP 推荐的码率编码的,44.1kHz 双声道最大为 328kbit/s,即使播放设备增大编码码率,接收设备不支持也是没用的。下面这个表是 SBC 的推荐码率,摘自 A2DP 协议规范:

Table 4.7: Recommended sets of SBC parameters in the SRC device
SBC encoder settings* Middle Quality High Quality
Mono Joint Stereo Mono Joint Stereo
Sampling frequency (kHz)
44.14844.14844.14844.148
Bitpool value
1918353331295351
Resulting frame length (bytes)
464483797066119115
Resulting bit rate (kb/s)
127132229237193198328345
*Other settings: Block length = 16, Allocation method = Loudness, Subbands = 8

在播放设备中可以设置 SBC 编码质量,这个值叫 bitpool,大概 1 bitpool = 6~7 kbit/s。SBC 是一种复杂度较低的编码格式,同等码率下音质稍差,根据这个网站上的比较,最高 328 kbit/s 的 SBC 音质大约介于 224 kbit/s 到 256 kbit/s 的 MP3 之间。此外,设置不当、信号差、设备不支持高 bitpool 等都会造成传输码率下降而使音质下降,耳机或音箱本身的音质也是很重要的因素。

2.2 APT-X

APT-X 是 CSR 公司专有的一种编码格式,压缩率 4:1 (约 352 kbit/s),号称可以达到 CD 音质。由于是专有格式,必须播放设备与接受设备均采用 CSR 公司的蓝牙模块才行,目前 iPhone 4、Galaxy S3 以及创新的部分耳机音箱都开始支持这种编码。

2.3 MP3 与 AAC

这两种格式很常见,MP3 格式最高码率是 320kbit/s,AAC 一般也只有 320kbit/s(根据具体使用编码软件有差异)。

总的来说,同等码率下,音质 AAC > MP3 > SBC,APT-X 据说优于 AAC,网上没找到比较数据就不做排序。可以看到这几种编码格式最大码率都只有 300kbit/s 多点,蓝牙剩余的带宽无法利用。所以就算是蓝牙 4.0 的耳机,音质不会比蓝牙 2.0/2.1 有任何优势。

3. 其他无线音频技术

3.1 Kleer

Kleer 这也是一种基于 2.4 GHz 无线的一种音频传输技术,传输带宽可以达到 CD 音质的要求,功耗也低。森海塞尔与 AKG 均有采用此技术的无线耳机,但由于目前鲜有播放设备支持 Kleer 无线,所以这些耳机都是使用模拟音频输入然后转换成数字信号传输的,这个转换过程无疑会造成一定音质损失。除非播放设备也能支持 Kleer 无线信号发射,减少不必要的模拟转数字过程,否则此技术的音质也不会比蓝牙有优势,只是续航能力较强。

我测试过 AKG K840KL,这个耳机既可使用 Kleer 无线也可使用有线,使用无线时由于有个转换过程明显声音细节有损失。而且有一定延时,看电影玩一般游戏时感觉不到,但是快节奏的音乐节拍类游戏时可以明显感受到。

3.2 WiFi

使用 WiFi 传输音频信号带宽是基本充足的,可以传输无损音频数据。一个比较通用的方案是通过 DLNA 协议来传输,例如在智能手机上安装一个 DLNA 软件,播放音乐发送到支持 DLNA 的高清播放器在通过光纤输出到音响设备上,这个传输过程音质没有损失,只取决于高清播放器光纤输出质量。苹果的 AirPlay 也利用 WiFi 网络传输的,只能用于苹果设备。

WiFi 功耗较高不适合用于无线耳机等便携式产品。

4. 总结

普通的蓝牙设备若没有重大缺陷,理论最高音质可以达到约 256 kbit/s MP3 的水平,而假如播放设备与耳机、音箱均支持 MP3 编码的话,蓝牙音频音质是可以达到 320kbit/s 的 MP3 水准的,使用 AAC 或 APT-X 编码还会有进一步提高。

以上只谈及蓝牙设备数字部分,实际音质还受到模拟输出端的影响,这里往往会构成重大瓶颈。因为低功耗音频芯片(DAC、功率放大等)普遍音质较差,容易造成蓝牙本身音质差的印象。

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