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APT-X蓝牙音频技术介绍
2018-02-06知识编号:134176
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知识点描述:


什么是apt-X


apt-X是一种基于子带ADPCM(SB-ADPCM)技术的数字音频压缩算法。原始算法由Stephen Smyth 博士于20世纪80年代提出。由Audio Processing Technology(现已被csr合并)公司发展并命名为apt-X。最初研发apt-X是为了用于专业音频与广播领域,近几年,在 Bluetooth无线音频传输领域apt-x由于其低延时,容错性好,高音质等优点大有取代SBC(Sub-band Coding)之势。apt-X家族中实用的有aptX Bluetooth, aptX Enhanced, aptX Live(2007年推出),aptX Lossless(2009年推出)。


为何采用apt-X?


我们先从蓝牙最基本的规范说起,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 2.1Mbps。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24Mbps,但是数据传输实际是通过 WiFi 进行的,支持该特性的设备会标记为“蓝牙 3.0+ HS”。而蓝牙 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。



音频传输蓝牙各个版本协议都是相同的;


带宽而言,蓝牙2.0+EDR的可用数据传输速率都达到了2.1Mbps,而一般的CD音质只需1.4Mbps即可,那为什么说蓝牙不支持无损音频呢?这其中的原因就是音频传输协议。蓝牙的音频传输一直都是采用A2DP协议(蓝牙音频传输模型协议),这一从蓝牙1.0规范就存在的协议自然不会允许当时的蓝牙音频传输带宽达到CD音质,所以A2DP规定经过蓝牙传输的音频数据都要经过压缩,最高码率也不过512Kbps。现在包括蓝牙4.0的音频传输依然采用的是A2DP这一协议,所以,使用蓝牙4.0其实和使用蓝牙2.0在音频传输上是没有区别的。


那么A2DP协议是如何规定蓝牙音频的呢?


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(APT-X就是专有编码格式)。使用任一编码格式,那么必须播放端和接收端都要支持这种蓝牙音频格式才行,当然SBC格式是每一个蓝牙耳机和播放设备都肯定支持的。事实上整个蓝牙音频传输过程要经历两次解码和一次编码,如果我们播放的原本是一个APE无损音频文件,那么整个默认过程就是播放设备将APE解码为PCM,再将PCM编码为SBC,SBC文件传输到接收端,接收端最后再把SBC解码为PCM输出。换句话说,我们听到的早就不是我们播放的那个原生音频文件了。更为恼火的是,因为当时蓝牙传输带宽有限,所以A2DP在规定音频编码格式的时候,同时也限制了每个音频格式最大的码率。以最常见的SBC为例,A2DP规定单声道SBC最大码率为320Kbps、双声道最大码率为512Kbps,在44.1KHz采样频率下,A2DP的双声道最大码率也不过328Kbps(市面上蓝牙播放产品将会严格按照A2DP的推荐编码,因为即使超过上限码率的编码也没意义,接收端不支持就没法发声了)。一般来说,最常见的SBC编码在相同码率下要比其他格式的音频音质稍弱一些,最高 328Kbps 的 SBC 音质大约介于 224 Kbps 到 256 Kbps 的 MP3 之间,不过由于需要接收端和播放器端的统一,所以SBC依然是最常见的蓝牙音频编码格式。此外像AAC和MP3这两种格式在A2DP协议下最高码率只有320Kbps,这也是为什么蓝牙音频音质不佳的原因。


A2DP允许专有的格式,而APT-X就是这种专用的编码格式。APT-X提升蓝牙音质的方式其实并不复杂,它只是在编解码原理上对原有的SBC等格式进行了优化。



APT-X的延迟非常低:


原有的SBC等方案是基于帧的传输方式,这种传输方式最大的问题在于浪费数据帧空间,而且只有在获得完整的数据包之后,才可以进行编解码工作。这使得SBC、MP3以及AAC等方案在进行蓝牙传输的时候,延迟往往会比较高,通常在100ms至500ms之间,而且这种延迟并不固定,比较麻烦。这也是为什么我们用蓝牙听歌的时候,往往会发现播放的时间和听到的时间略有不同的原因(当然往往会忽略)。


此外,在编解码过程中,像SBC这几种解码方法会使用相当具破坏性的压缩技术来处理音频数据,使其能通过蓝牙传输。在编解码过程中,它们将扔掉自认为不重要的音频元素,仅重现有限的音频带宽,这就使得我们听到的音乐细节和原有音乐在素质上差距很大(尤其是在音箱/耳机素质较高,且你耳朵灵敏的情况下)。而APT-X是一种针对16bit或者更高位数声音波形数据的一种有损压缩算法,它将声音流中每次采样的16bit数据以4bit存储,算法非常的简单,是一种低空间消耗、高质量声音获得的好途径。其最大的好处就是可以最大可能保留原有的音频元素,使得最终压缩的音频文件尽量还原原有的细节。


此外,APT-X编码方式的优势还在于工作流程,和SBC要收到完整数据包才开始编解码(不要理解为收完整首歌曲才解码)不同,APT-X从收到指令开始就开始编解码工作,这样在整个音频传输过程中,也大大减少了延迟,基本上使用APT-X编码播放蓝牙音乐,延迟大概在40ms左右。


就是因为优化过的编解码方式,在码率大小变化不大的情况下,APT-X蓝牙音频在音质和延迟上都要强于AAC、MP3以及SBC,虽说它还无法完全达到CD音质的水准,但是已经非常接近了。


apt-X特点:


——缩率:4:1(aptX Live 为8:1,SBC为3:1到6:1之间);


——Word Depth:支持16bit,24bit音频(aptX Enhanced还支持20bit音频);


——解码延时:采样频率48kHZ时<2ms;(SBC为2.5ms 缓冲时间);


——dynamic range(响度) :16bit时>92dB,24bit时>120dB(aptX Enhanced 20bit时>112dB,SBC 16bit时为70dB至75dB);


——data rates:352kbps(SBC为320kbps);


——频率响应范围:20Hz-22kHz(aptX Enhanced为10Hz-24kHz,SBC为20Hz-17kHz);


——高达48kHz的采样频率(8,16,24,32,44.1,48kHz);


——容错性好(BER<1:10,000时完美再生);


——完整的AUTOSYNC 编解码同步方案,再同步时间<3ms;


——硬件低复杂度,由单芯片实现;单声道或立体声编解码;


——单声道或立体声编解码;


——低功率消耗。


优点:


高品质的音频,硬件复杂度低,设备要求低只需单设备即可实现22.5kHz的双通道立体声。


缺点:


不是Free(版税方式:一次性付费)。

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