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Bluetooth-Codecs

Heutzutage wird die Musikwiedergabe über das Bluetooth-Protokoll immer beliebter.

Diese Funktion ist nicht nur in alle modernen Audiosysteme integriert. Dieser Algorithmus basiert auf dem Betrieb von tragbaren Lautsprechern und den meisten Modellen von drahtlosen Kopfhörern. Gleichzeitig kann die Klangqualität in der Praxis stark variieren, und hier ist der Grund dafür. Das Geheimnis liegt in der Verwendung des einen oder anderen Codecs (nicht zu verwechseln mit Profilen) bei der Übertragung des Quellensounds an das Wiedergabegerät. Welche Codecs es gibt und mit welchen Eigenschaften sie ausgestattet sind, wollen wir herausfinden.

BLUETOOTH CODES

SBC (SubBand Codec) ist ein Codec, der ausnahmslos auf allen Geräten vorhanden ist und eine grundlegende Klangqualität auf der Ebene komprimierter Dateien mit einer durchschnittlichen Bitrate bietet.
AAC (Advanced Audio Codec) ist ein Codierungsalgorithmus, der auf einem komplexen mathematischen Modell basiert. In Bezug auf die Klangqualität schlägt es den SBC, bleibt aber hinter dem nächsten zurück. Es wird massiv in der Apple-Technologie verwendet, weshalb es heute die am meisten bevorzugte Option für die Übertragung von Audio über Bluetooth ist.
AptX ist ein von Qualcomm entwickelter Algorithmus mit einer Klangqualität ähnlich der einer CD. Das Quellensignal wird in einem 4: 1-Verhältnis mit einer Bitrate von 352 kbps und einer Bitrate von 16 Bit / 44,1 kHz komprimiert. Hervorzuheben ist die AptX LL-Variante (Low Latency) mit reduzierten Wiedergabeverzögerungen.
AptX HD ist eine Weiterentwicklung des AptX-Algorithmus mit der Fähigkeit, ein Signal mit 24-Bit / 48-kHz-Parametern zu übertragen. Gleichzeitig steigt die Bitrate auf 576 kbps. Nach Gehör sind die Unterschiede zu einfachem AptX spürbar, und je höher die Technikklasse ist, desto offensichtlicher ist der Vorteil von AptX HD.
AptX Adaptive ist eine neue Version (eingeführt 2018) des AptX-Codecs, deren Hauptmerkmal die Möglichkeit ist, Audio mit variabler Bitrate zu komprimieren (dynamische Qualitätseinstellung). Dies ist in einer Umgebung erforderlich, in der viele “konkurrierende” Funksignale vorhanden sind. In diesem Fall ist es möglich, die Komprimierung der Originaldaten zu erhöhen, um die Stabilität der Verbindung zu erhalten, und bei Vorhandensein von “freier Luft” ist die Klangqualität maximal.
LDAC ist eine Kreation von Sony und einer der Codecs von höchster Qualität. Die Bitrate erreicht 990 kbps bei 24 Bit / 96 kHz. Nach Gehör führt dies zu einer klaren und dynamischen Musikwiedergabe, die frei von digitalen Artefakten ist. Mit der Veröffentlichung von Android 8.0 Oreo ist der LDAC-Codec als Open Source Teil dieses Betriebssystems geworden, seine Präsenz auf einem bestimmten Gerät hängt jedoch vom Hersteller des Gadgets ab.
HWA (Hi-Res Wireless Audio) ist ein von Huawei vorgeschlagener Konkurrent von LDAC. Die Technologie basiert auf dem von der chinesischen Savitech entwickelten LHDC-Codec mit einer Bitrate von bis zu 900 kbps und einem maximalen Stream-Parameter von 24 Bit / 96 kHz. In Bezug auf die Klangqualität ähnelt HWA LDAC, letzteres verfügt jedoch bisher über eine größere Anzahl unterstützter Geräte.
UAT (Ultra Audio Transmission) ist die neueste Entwicklung von Hiby mit einer maximalen Bitrate von 1,2 Mbit / s und Übertragungsparametern von bis zu 24 Bit / 192 kHz. Aufgrund des zunehmenden Datenvolumens benötigt UAT Bluetooth Version 4.2 oder höher. Damit die Technologie funktioniert, kann jedes kompatible Android-Smartphone mit installierter Hiby Music-App und einem geeigneten Empfänger verwendet werden, beispielsweise ein kompakter Hiby W5-Bluetooth-Empfänger.
BT-UHD (Bluetooth Ultra High-Definition Audio) ist das Protokoll der nächsten Generation, das für maximale Wiedergabetreue bei hochauflösenden Audioaufnahmen entwickelt wurde. Die maximale Bitrate beträgt 2,3 Mbit / s. Zum ersten Mal auf dem Huawei Kirin A1 Mikroprozessor mit Bluetooth 5.1 implementiert.
LC3 ist der neueste Audio-Codec in der Bluetooth LE Audio-Spezifikation, der theoretisch eine bessere Klangqualität als Standard-SBC bei halber Bitrate liefern kann. Wie von den Entwicklern des Bluetooth SIG-Konsortiums (Special Interest Group) angegeben, erhalten Geräte mit LC3 eine längere Betriebszeit (durch Reduzierung des Stromverbrauchs) und die Möglichkeit, das Signal gleichzeitig an mehrere Empfangsgeräte zu senden (Broadcast Audio). Die Unterstützung für eine verbesserte Synchronisierung (Multi-Stream-Audio) wird ebenfalls erwähnt. Experten zufolge wird der LC3-Codec in drahtlosen Kopfhörern relevanter sein, bei denen einer der wichtigsten Indikatoren die Akkulaufzeit ist.

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Änderung des Bluetooth-Stacks zur Verbesserung des Klangs in Kopfhörern ohne AAC-, aptX- und LDAC-Codecs

Einige Benutzer von drahtlosen Kopfhörern bemerken eine schlechte Klangqualität und einen Mangel an hohen Frequenzen, wenn sie den Bluetooth SBC-Standardcodec verwenden, der von allen Audiogeräten unterstützt wird. Eine häufige Empfehlung zur Verbesserung des Klangs ist der Kauf von Geräten und Kopfhörern, die aptX- und LDAC-Codecs unterstützen. Diese Codecs erfordern Lizenzgebühren, daher sind die Geräte, die sie unterstützen, teurer.

Es stellt sich heraus, dass die schlechte Qualität des SBC auf künstliche Einschränkungen der Bluetooth-Stacks und der Kopfhörerkonfiguration zurückzuführen ist. Diese Einschränkung kann auf jedem vorhandenen Gerät durch Softwareänderungen am Smartphone oder Computer vermieden werden.

SBC-Codec
Der SBC-Codec verfügt über viele verschiedene Parameter, die während der Verbindungsaufbauphase ausgehandelt werden. Unter ihnen:

Anzahl und Art der Kanäle: Joint Stereo, Stereo, Dual Channel, Mono;
Anzahl der Frequenzbänder: 4 oder 8;
Anzahl der Blöcke in einer Packung: 4, 8, 12, 16;
Quantisierungsbit-Zuweisungsalgorithmus: Loudness, SNR;
Der Maximal- und Minimalwert der zur Quantisierung verwendeten Bitgruppe (Bitgruppe): normalerweise 2 bis 53.

Der Decoder MUSS eine beliebige Kombination dieser Parameter unterstützen. Der Encoder kann möglicherweise nicht alles tun.
Bestehende Bluetooth-Stacks entsprechen im Allgemeinen dem folgenden Profil: Stereo-Set, 8 Bänder, 16 Blöcke, Lautstärke, Bitpool 2..53. Dieses Profil codiert 44,1-kHz-Audio mit 328 kbit / s.
Der Bitpool-Parameter wirkt sich direkt auf die Bitrate innerhalb eines Profils aus: Je höher diese ist, desto höher ist die Bitrate und damit die Qualität.
Der Bitpool-Parameter ist jedoch nicht an ein bestimmtes Profil gebunden. Andere Parameter beeinflussen die Bitrate ebenfalls erheblich: die Art der Kanäle, die Anzahl der Frequenzbänder, die Anzahl der Blöcke. Sie können die Bitrate indirekt erhöhen, indem Sie sich auf nicht standardmäßige Profile einigen, ohne die Bitgruppe zu ändern.

Berechnungsformel für die SBC-Bitrate

Beispielsweise codiert der Zweikanalmodus Kanäle separat unter Verwendung des für jeden Kanal gesetzten Vollbits. Indem wir das Gerät zwingen, Dual Channel anstelle von Joint Stereo zu verwenden, erhalten wir fast die doppelte Bitrate bei demselben maximalen Bitpoolwert: 617 kbps.
Meiner Meinung nach ist die Verwendung eines nicht profilierten Bitpool-Werts in der Verhandlungsphase ein Fehler im A2DP-Standard, der zu einer künstlichen Einschränkung der SBC-Qualität führte. Es wäre klüger, sich eher auf die Bitrate als auf die Bitgruppe zu einigen.

Diese festen Bitpool- und Bitrate-Werte stammen aus der Tabelle der empfohlenen Werte für Audio in hoher Qualität. Die Empfehlung ist jedoch kein Grund, sich auf diese Werte zu beschränken.

SBC Bluetooth-Profiltabelle

Die A2DP v1.2-Spezifikation, die von 2007 bis 2015 aktiv war, erfordert, dass alle Decodierungsgeräte mit Bitraten von bis zu 512 kbps ordnungsgemäß funktionieren:

Der SNK-Decoder muss alle möglichen Werte der Bitkombination unterstützen, die die maximale Bitrate nicht überschreiten. Dieses Profil begrenzt die maximal verfügbare Bitrate auf 320 kb / s für Mono und 512 kb / s für Zweikanalmodi.

In der neuen Version der Spezifikation gibt es keine Bitratenbeschränkung. Moderne Kopfhörer, die nach 2015 veröffentlicht wurden und EDR unterstützen, sollen Bitraten von bis zu 730 kbps unterstützen können.

Aus irgendeinem Grund haben die Bluetooth-Stacks, die ich für Linux (PulseAudio), Android, Blackberry und macOS getestet habe, künstliche Grenzen für den Maximalwert des Bitpool-Parameters, was sich direkt auf die maximale Bitrate auswirkt. Dies ist jedoch nicht das größte Problem. Fast alle Kopfhörer begrenzen den maximalen Bitpoolwert auf 53.
Wie ich bereits gesehen habe, funktionieren die meisten Geräte auf einem modifizierten Bluetooth-Stack mit einer Bitrate von 551 kbit / s einwandfrei, ohne Aussetzer oder Knistern. Diese Bitrate wäre jedoch unter normalen Umständen in normalen Bluetooth-Stacks niemals konstant.

Ändern Sie den Bluetooth-Stack
Jeder Bluetooth-Stack, der mit dem A2DP-Standard kompatibel ist, unterstützt den Zweikanalmodus, kann jedoch nicht über die Schnittstelle aktiviert werden.

Fügen wir der Schnittstelle einen Schalter hinzu! Ich habe Patches für Android 8.1 und Android 9 erstellt, die dem Stack volle Dual-Channel-Unterstützung hinzufügen, dem Moduswechselmenü in den Entwicklertools den Modus hinzufügen und Dual-Channel-SBCs so behandeln, als wären sie ein zusätzlicher Codec wie aptX, AAC oder LDAC (Android) nennt es HD Audio), indem Sie den Bluetooth-Geräteeinstellungen ein Häkchen hinzufügen.

Bluetooth-Probleme Teil 4

AptX ist ein beliebter Marketing-Codec

In einem neuen Markt ist es oft nicht derjenige, der die beste Lösung gefunden hat, der zum Marktführer wird, sondern derjenige, der zuerst seine Lösung gefunden hat. Dies war der Apt-X-Codec, der in den 1980er Jahren von Professor Stephen Smith von der britischen Queen’s University entwickelt wurde, um qualitativ hochwertigen Sound schnell auf verschiedene Laptops zu übertragen und im Allgemeinen schnell Audio in hoher Qualität aufzunehmen. Anschließend wurden die Rechte an dem damaligen Apt-X von CSR gekauft, wodurch der Codec 2009 drahtlos wurde und in AptX umbenannt wurde. Nun, im Jahr 2015 hat Qualcomm dieses Unternehmen gekauft, das nun die Rechte an AptX besitzt und es freiwillig an alle verkauft.

Die Hauptidee hinter AptX ist es, Audio-CDs mit nahezu Originalqualität anzubieten. Tatsächlich sehen wir eine 4: 1-Komprimierung, dh die Bitrate betrug bis zu 352 kbps bei 16 Bit und 44,1 kHz. Daher ist hier nicht von “fast” die Rede: Die maximale verlustfreie Komprimierung überschreitet 2: 1 nicht, sodass beim Streaming von Sound mit AptX immer noch Daten verloren gehen. Aber wie stark? Wir werden weiter unten darüber sprechen.

Da AptX ein rein mathematischer Codec ist, der immer den gesamten Audiobereich bis 22 kHz abdeckt; es scheint, als sollte es besser sein als der SBC, der oft die hohen Frequenzen ausschaltet. In der Tat ist dies leider nicht der Fall. Das Grundprinzip dieses Codecs ist die Quantisierung, dh die Zuweisung einer bestimmten Anzahl von Bits für jedes Teilband: Beispielsweise werden 8 Bits verwendet, um Schall von 0 bis 5500 Hz, von 5500 bis 11000 Hz – 4 Bits, 11000 zu übertragen bis 16500 Hz und 16500 bis 22000 Hz sind 2 Bit.

Bluetooth-Probleme Teil 2

Infolgedessen klingt SBC im Kontext “fortgeschrittener” Codecs noch schlechter.

Es gibt jedoch einen interessanten Punkt: Mit einer Bitrate von 576 kbps kann es sogar noch besser klingen als AptX HD. Wie ist das? Es ist ganz einfach: Wie ich bereits geschrieben habe, kann dieser Codec in einem sehr weiten Bereich skaliert werden, und sein theoretisches Maximum liegt bei etwas mehr als 1,5 Mbit / s, dh er kann sogar CD-Audio ohne Komprimierung weitergeben! In unserem lauten 2,4-GHz-Band ist diese Geschwindigkeit natürlich nur in Träumen möglich, und nicht alle Kopfhörer unterstützen sie. Die überwiegende Mehrheit der Lösungen auf dem Markt kann jedoch mit SBC mit einer Bitrate von 400 bis 600 Kbit / s arbeiten.

Infolgedessen reicht dies für die Psychoakustik aus, um die Frequenzen nicht mehr abzuschalten, und theoretisch führt SBC noch weniger Verzerrungen in den Klang ein als die neueren Codecs von Qualcomm (ja, AptX gehört zu ihnen). Aber hier wurde alles von den Treibern verwöhnt: Weder unter Windows noch unter MacOS oder iOS können Sie die Standard-Bitrate von 328 kbps nach oben ändern. Die sogenannte SBC HD mit einer höheren Bitrate ist nur für Android mit benutzerdefinierter LineageOS-Firmware verfügbar. Wie ich anfangs sagte, wurde SBC nicht durch eine schlechte Implementierung “getötet” – es wurde von schlechten Treibern getötet, und dieser Codec selbst ist sehr gut.

Im Jahr 2020 können wir über Bluetooth immer noch keinen Stereoton hören, wenn wir das Headset-Mikrofon verwenden

Ich denke, viele Benutzer haben festgestellt, dass bei der Beantwortung eines Anrufs mit drahtlosen Kopfhörern die Klangqualität erheblich abnimmt. Was passiert ist, dass die Kopfhörer in den Kopfhörermodus wechseln (HFP, Freisprechprofil). In diesem Modus können sie Ton vom Mikrofon des Kopfhörers zum Smartphone übertragen, der Ton des Smartphones wird jedoch nur in Mono ausgegeben. Dies reicht natürlich für ein Gespräch aus – für ein klares Sprachverständnis benötigen Sie keine Stereoanlage. Aber im Jahr 2020 sind wir es oft gewohnt, gleichzeitig zu reden und Musik zu hören oder zu spielen, und in diesem Fall verdirbt natürlich ein flacher Mono-Sound mit geringer Qualität alles.

Wenn Sie Musik in Stereo hören und gleichzeitig chatten möchten, müssen Sie daher ein externes Mikrofon (z. B. ein Smartphone) verwenden. In diesem Fall wird das Standardprofil A2DP (Advanced Audio Distribution Profile) mit mindestens SBC (oder einem anderen “vollständigen” Codec) verwendet. Aber natürlich haben Sie keine Bewegungsfreiheit. Diese Einschränkung war in den frühen 2000er Jahren logisch, als der Bluetooth-Sound noch in den Kinderschuhen steckte – Kopfhörer wurden nur für die Kommunikation verwendet, und die schwachen Prozessoren in den Kopfhörern reichten einfach nicht aus, um gleichzeitig mit Stereoklang und einem Mikrofon zu arbeiten.

In der modernen Welt, in der Kopfhörer komplexe mathematische Codecs wie AAC oder LDAC mit Rauschunterdrückung und anderen Chips unterstützen, war es jedoch durchaus möglich, das A2DP-Profil auf die Fähigkeit zu erweitern, Ton in Stereo zu empfangen und zu senden.