助力真无线发展 蓝牙LE Audio解析

张丁山

今年1月，蓝牙技术联盟发布了新一代的蓝牙5.2技术规范，其中最受用户关注的特性就是蓝牙音频技术，即LEAudio（Low Engery音频）o这项技术解决了目前蓝牙技术的最大痛点：多点传输问题，也增加了不少新特性，或将从根本上改变TWS（真无线立体声）耳机行业。

从蓝牙说起

蓝牙技术的初衷原本是在小型移动设备及相关外设之间进行通讯及数据传输，以取代线缆。因此，蓝牙主要以BR/EDR（基础速率和增强速率）工作在无需授权的2.4GHz ISM频道，也就是我们常说的经典蓝牙。这项技术到现在已经过8个版本的更新，速度从最初1.1版本的748Kb/s，增加到4.0版本的24M b/s，并逐步改进了抗干扰、稳定性和能耗表现。

按照创造者们的想法，蓝牙键盘和鼠标才算是最接近初衷的产品形态之一。没想到蓝牙在音频传输领域特别吃香，据悉在2019年里，蓝牙音频产品的发货量超过10亿台。

为了解决传输音质问题，基于A2DP（ Advanced Audio DistributionProfile高级音频发送配置协议）的SBC、AAC、APT-X、LDAC等各种编码技术相继出现，为了远程听歌还能控制设备的AVRCP（ Audio/VideoRemote Control Profile音频视频远程控制协议）也应用广泛，人们在用藍牙传输音频这项技能上疯狂升级，从而也赋予了蓝牙更多的可能。

当然，很多音频发烧友们对蓝牙总是嗤之以鼻。因为蓝牙的带宽远不够传输无损音频，更不用说码率更高的DSD、DFF音频，所以必须经过有损编码降低码率，实际上SBC、AAC、apt-X等编码格式都是一种降低码率向蓝牙速率妥协的产物。那这样一来，蓝牙传输音频会经过两次解码和一次编码：源文件→ PCM→AAC/SBC/apt-x→PCM。由于编码有损，那么源文件是否为无损Hi-Fi意义并不大，就算索尼的LDAC也只敢宣称接近Hi-Res，所以蓝牙音频很难满足音频发烧友的需求。当然，这也跟耳机本身的素质有一定的关系。

除了速度问题，对于厂商们而言还有个不大不小的问题，蓝牙数据只能点对点传输。A2DP传输立体声，是由蓝牙接收芯片堆栈数据之后解码得到左右声道信号，但没法做到让蓝牙分别同时传输左右声道，所以我们看到，凡是欣赏音乐的蓝牙耳机，左右单元都会有线缆连接成一个整体。当然，用惯了有线耳机的我们，对这种设计不会感到不妥，厂商们对这种非常成熟的方案也喜闻乐见。本来大家相安无事，但这时有人出来搅局——苹果公司，它“剪”掉了耳机上的所有线缆，仿佛在无线耳机市场投下了一颗“炸弹”。

苹果剪掉了耳机线

2016年，苹果打着“重新发明了无线耳机”的旗号推出了AirPods，采用二分音符造型，左右单元完全独立的耳机引起了极大争议。我们知道，苹果的产品，如同奔驰生产的汽车，都逃不过真香定律。只是这时候人们才发现，iPhone取消3.5mm耳机口原来是在下一盘很大的棋。

苹果并不只是在AirPods的造型上标新立异，而是在两个独立单元里塞进了太多领先的功能，真正实现了无缝体验。所有的这一切，都是基于苹果的Apple Wl芯片实现的。关于这颗芯片的参数、内在技术、传输协议，官方一直三缄其口。不过我们能够总结出几个特点，Wl首先是极大地简化了蓝牙耳机的连接配对，只要靠近iPhone或Apple Watch即刻配对完成。通过iCloud与Mac与iPad进行连接，AirPods可以在不同设备之间自由切换。同时，其连接稳定性和连接范围也是友商的蓝牙耳机望尘莫及的。其次，Wl配合耳机内置的语音加速感应器、光学传感器等，能够自动感应和控制音频、麦克风，戴上之后马上就能播放音乐。最后，Wl功耗控制非常出色，一次充电也可以连续使用5小时，配合充电盒，总续航时间能超过24小时。

针对经典蓝牙的三大痛点：连接便利性和稳定性、多点协同传输、能耗问题，Apple Wl都交出了超出预期的答卷。至于音质方面，Apple Wl谈不上有多好的音质表现，只能说对于普通消费者日常通勤够用，毕竟普通用户看重的是：方便、好用，以至于虽然AirPods有各种花样丢失方式，但销量依然挡不住。

山头林立的TWS

其实，AirPods并不是全球首款TWS耳机。比如三星在AirPods之前就推出过Galaxy Gear IconX。但由于经典蓝牙的天生缺陷，大多只能采用主副耳方案，手机端的音频信号通过蓝牙传输到主耳机中，再通过主耳机将信号传输到副耳机。这种方案的致命问题是主耳机充当信号中继，功耗会比副耳机高，造成两个单元的续航、使用寿命差异;二是蓝牙信号需要经过主耳机处理，很容易出现两个单元之间音频不同步、耳机和手机之间音画延迟明显等问题。

那么AirPods如何解决这个问题？说起来也不复杂，Wl芯片与耳机之间通过私有协议，可以分别同时接收手机发出的信号，还经过私有协议进行信息同步，保证了低延迟与双耳音频同步共存。此后，苹果推出的Hl耳机芯片，切换设备的速度是上一代的2倍，连接速度是之前的1.5倍。至于具体怎么实现的，没人知道，这可是苹果的商业机密和专利壁垒。

不过，友商们也没有闲着。各大SoC方案厂商纷纷推出了各种TWS主控方案，仅目前能够数出来的已经有十多种。例如BES恒玄BES2300支持LBRT低频转发技术，改进了左右耳机的同步质量;REALTEK瑞昱RTL8763B具有双耳通话功能和很好的兼容性;高通的QCC5124芯片还整合了蓝牙和主动降噪功能，体现整体方案优势;华为麒麟Al芯片配置了全新的双通道同步传输技术和356MHz高速率音频处理单元，在提供稳定快速的蓝牙连接的同时，也降低了音频与视频同步的延迟。

造成TWS山头林立这样的局面，除了安卓生态圈没有统一的标准外，经典蓝牙作为最底层协议是造成这种问题的关键所在，厂商们也是被逼无奈才推出了各种方案。

知错能改的新标准

今年年初，蓝牙技术联盟发布了最新的蓝牙5.2技术规范，最大的亮点就是加入了LE Audio技术标准，它拥有四个新特性：支持多重串流音频、采用全新的LC3音频编解码方案、支持广播音频，助听支持。翻译成人话就是，LE Audio不光改善了音质，还直接从最底层支持多点传输音频，解决TWS的专利和兼容性的问题，同时开启了新的语音共享模式。

首先我们来看多重串流音频，这一技术的难点在于各条传输通道的同步性。LE Audio具有一条LE同步通道叫LE Isochronous Channels可以工作在连接模式和广播模式。在连接模式下，该同步通道使用LE-CIS（LE连接的同步数据流，LE ConnectedIsochronous Stream）传输方式，它提供了一种协议，规定发送端的每帧数据会带有一个时间窗口，接收端在该窗口之外接收到的数据将被丢弃。这意味着接收端仅接收窗口时间内的数据，从而保证多个从设备接收数据的同步。LE-CIS仍是一种点对点模式。另一种是Connected IsochronousGroups （CIG）模式，可以看做是多个CIS实例的組合。同一个CIG内的CIS具有相同的时间期限，所以能够保证同一个组内的数据是同步的。

而广播模式称为BIS（ BroadcastIsochronous Stream），单从名字上可以看出与CIS的区别在于一个是连接一个是非连接。多个BIS就组成了一个BIG。BIG的一个周期广播的协议数据内包含有针对每个BIS的时间窗口，便于每个接收端独立同步。

这项特性让TWS中最令人头痛的连接和同步问题迎刃而解，让TWS实现了更短的延迟，语音控制服务会更加无缝。在多音频源的情况下，设备间的切换也能更加顺畅。顺带着还开启了一页新技能：广播音频。该技能让音频源能够向不限数量的接收器广播一个或多个音频串流。这种广播有开放式的，允许任何范围内的接收器设备参与;也有封闭式的，仅允许具有正确密钥的接收器设备参与。这就类似于Wi-Fi的使用方法，用户进入一个公共场所之后，可以自行选择接收哪一个广播音频，就像选择接入哪个Wi-Fi热点一样，只是有的需要密码有的不需要而已。

第二大特性是新的LC3编码格式将取代老掉牙的SBC。LC3是一种低复杂性通信编解码器，它以更低的码率提供同等质量的音频。以码率为1.5Mbps的音频为例，通过LC3可以将其压缩至192Kbps。由于可以以更低的数据传输速率实现不逊于SBC的音质，耗电将进一步减小，厂商可以根据情况选择更小的电池，让产品更加小巧。官方表示LC3能够提供最高48KHz、320Kbps的音频，而且即使码率降低50%，音质也比SBC好。这种说法来自基于ITU-RB S.1116-3规范的音频损伤标度测试，结果表明官方说的并不假。这就为制造商带来了便利，可更好地优化产品，比如对于不需要太高音质的产品，通过低码率LC3可以让产品更加省电。

不过在音质方面，LC3现有的规格还不足以取代LDAC、aptX-HD等高清编码格式，至于实际表现的差别，也有待未来产品上市后再看。

低功耗、LC3和多重串流功能，带来了LE Audio的最后一个特性就是助听支持。据世界卫生组织（WHO）估计，由于不正确的听力习惯，全球11亿年轻人在35岁之前可能有听力受损的风险。LE Audio可以为助听器提供无线通话、无线音频播放、无线视频浏览、无线语音助手等各种功能，并极大地缩小体积，甚至完全做成TWS耳机的外观，需要助听器又怕被嘲笑的人也不会有心理障碍了。当然这只是一方面，最重要的好处来自广播音频，比如在机场、电影院、剧院等公共场所，广播音频可以直接传输到听力受损人士的助听器，让他们在这些嘈杂的环境中有更好地听觉体验。

功耗方面，蓝牙5.2规定了对于发射功率的动态管理，通过监控接收信号强度RSSI，来通知发射端增加或减少发射功率。这将使接收灵敏度保持在一个最佳的范围内，从而更好控制功耗。

写在最后

LE Audio给蓝牙音频带来了更多的可能，能够从基础架构上为所有的开发者提供一个更好和更灵活的平台。同时，在音频使用场合，LE Audio除了对于个人听音，还能在使用音频的各个行业中得到更广泛的应用，并且也能和经典蓝牙设备兼容。不过，按照蓝牙技术联盟的估计，消费级LE Audio产品可能会在2021年才能广泛上市，消费者需要做的就是耐心等待。