蓝牙音频传输原理图

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在购买耳机,经常会看到支持SBC、AAC、aptX等等编码,这些编码是什么意思呢,又有什么区别呢。简单的说,蓝牙音频编码对于蓝牙耳机音质及其关键。

自从1994年爱立信研发出蓝牙技术,1997年被英特尔工程师命名为Bluetooth蓝牙,到2000年第一款蓝牙无线耳机问世,到现在也不过短短20年,直到2016年,苹果在新款的iPhone上,取消了传统的3.5mm耳机接口,才带来了TWS蓝牙耳机爆发增长。

蓝牙音频传输原理图

蓝牙音频编码简介

1、SBC(Sub-band coding,子带编码)

这是最早的蓝牙音频编码,是A2DP(Advanced Audio Distribution Profile,蓝牙音频传输协议)强制规定的编码格式,所有的蓝牙设备都会支持这个格式。

SBC这个编码格式最主要的问题就在于比特率较低、压缩率较高,因为蓝牙传输中间设备是需要转码,以MP3文件为例,转码过程为 MP3->PCM->SBC->PCM, 每次转码都会损失细节,导致SBC的听感会比原始的MP3要差。这些传输过程中的损失细节,会让音乐听感变差。

2、AAC(Advanced Audio Coding,高级音频编码)

AAC是1997年,由Fraunhofer IIS、杜比实验室、AT&T、Sony等公司共同开发的,基于MPEG-2技术。2000年在MPEG-4基础上更新。AAC是一种高压缩比的音频编码,主要采取两种策略:舍去与感知上无关的信号成分,去除编码后信号的冗余部分。实际上,在128Kbps比特率以下,AAC编码的效果是最好的,杜比实验室认为:AAC格式在96Kbps比特率上的表现超过了128Kbps的MP3格式;同样是128Kbps,AAC格式的音质明显好于MP3。。一般来说,同样的码率下,AAC的听感会好于MP3。apple上面ACC的音频很多,所以苹果设备基本都采用这个编码格式。

AptX

aptX原名叫apt-X,CSR在2010年将其收购,改名为aptX,而CSR于2015年被高通收购。

aptX的设计基于自适应差分脉码调制(ADPCM)原理,并没有使用心理声学或掩蔽效应技术(mp3,SBC,AAC中使用)。目前aptX共有四个版本,对比如下:

aptX的四个版本各有所长。aptX是最基础的版本。aptX Low Latency简称aptX LL,特点在于低延迟。其实人耳可以感觉到的延迟极限是70ms,而达到40ms则意味着我们不会感觉到延迟。aptX HD主打高清音频,传输速率大幅增加,并且有着更高的信噪比和更少的失真。而aptX Adaptive,就如同它名字一样,可以按需自动调节传输比特率和延时。aptX Adaptive向下兼容aptX和aptX HD。

虽然使用aptX技术需要得到高通的专利授权并支付费用,但在高通的大力推广下,aptX在安卓手机和部分蓝牙耳机上都得到了支持。

LDAC与Hi-Res Audio认证标准

LDAC编码

LDAC是索尼开发的一种音频编码,实现了以最高 990Kbps 的比特率通过蓝牙传输 24bit/96kHz 的高分辨率音频(Hi-Res Audio)。高传输码率使得高解析度的音频文件不会被过分压缩,保证了音质。

可以看到,Hi-Res音频通过LDAC编码传输,还可以较好的还原高音质,SBC则较差。

其实在上两幅对比图中,索尼有夸大LDAC技术之嫌,图片的右下角都标注了 '仅供展示使用'。图一,对于4.5Mbps的Hi-Res音频,要通过最高990Kbps的带宽传输,压缩率需要达到1:4.5,而目前最好的无损压缩率也只有1:2。实际上,LDAC是一种有损编码,即使是最后在耳机端还原成了96KHz/24bit,4.5Mbps的音频,参数上与发送端一致,但是其内容也明显不如原来的好了。所以说,LDAC可以传输CD级音质,但是并不能无损传输Hi-Res音频,只能是接近(程度未知)。

LDAC提升传输速率的原理是增加了蓝牙通信的信道,这对蓝牙天线的要求也提高了。实际上,在信号较差,或者是受到干扰的时候,LDAC还会以660Kbps或330Kbps的比特率通信,保证连接性。

2017年,从安卓8.0开始, LDAC加入了安卓开放源代码项目,以后安卓用户也可以用上原本索尼专属的技术了,不过使用LADC解码器(耳机侧)还需要索尼的专利授权。

另外LDAC编码有个缺陷,容易和WIFI干扰。

Hi-Res Audio认证标准

Hi-Res Audio全称为High-Resolution Audio,一般翻译为高解析度音频,最开始是音乐和音响设备商的营销术语,通常表示指比CD音质更好(采样率高于44.1KHz 或位深高于16bit)的音频。

2014年,日本电子信息技术产业协会(Japan Electronics and Information Technology Industries Association, JEITA)定义了Hi-Res Audio术语,含义为一种采样频率或量化位数超过CD规范的音频。

日本音响学会(Japan Audio Society, JAS)根据JEITA的定义,提出了 'Hi-Res Audio'认证标准,要求麦克风,放大电路与喇叭的频响大于40KHz,数字过程都需要96KHz/24bit及以上的规格,是针对产品的一系列规定。对于无线产品,还要附加满足其他条件,比如必须使用JAS认定的音频编码,目前只有LDAC和LHDC两种。

获得此项认证的产品可以贴上图标识,国内俗称'小金标',满足Hi-Res Audio认证的产品不仅在蓝牙音质上,而且在耳机喇叭单元上也作了要求,能更好的满足最终的效果。索尼的大量音频产品都获得了此认证。

LHDC与HWA

LHDC编码

LHDC全称Low-Latency Hi-Definition Audio Codec,是一种高音质蓝牙编解码方案,由台湾厂商 Savitech 盛微先进科技开发。

LHDC支持通过速度最高达900kbps的蓝牙连接传输 24bit/96kHz 的串流音频(也称高解析度音频)。与LDAC会先把原始音频进行升/降频到 24bit/96kHz不同,LHDC则可依照原始取样率输出,减少SRC过程的延迟。2019年9月,LHDC通过了JRS的Hi-Res Audio Wireless标准认证。

LHDC根据信号情况支持400/560/900 kbps的比特率。此外还有低延迟音频编解码器(LLAC)版本,也称为LHDC LL,端到端延迟约为30毫秒。

在应用上,从安卓10开始,LDAC加入了安卓开放源代码项目。

HWA联盟与HWA认证标准

HWA的全称是Hi-Res Wireless Audio,中文是高清无线音频。它是一项基于LHDC音频编码技术的认证标准,并非蓝牙音频编码。其性质与日本音响协会(JAS)所主导的Hi-Res Audio Wireless标准是相同的。由于HWA有点像Huawei audio的缩写,很多人误以为是华为的音频协议,这是错误的。下图是HWA的徽标:

HWA也代指HWA联盟,全称为高清音频无线传输标准与产业联盟,成立于2018年9月。HWA联盟是由华为与中国音响协会主导,华为是手机端的技术推广者以及联盟核心成员,但并非技术主导。技术主导是台湾厂商 Savitech 盛微先进科技。

HWA联盟态度较为开放,只需要是符合性能指标等方面的要求,即可申请HWA认证。HWA认证分为白金级和黄金级两种:

作为HWA联盟的主导者之一,华为手机率先支持HWA标准,下图是2018年华为P20手机的巴黎发布会截图,就特意提到了HWA。不过其实在这里把HWA标准与各音频编码并列并不合理。

其实制定一个蓝牙音频标准并不难,但是哪个标准会成为市场主流,更重要的还是看市场而不是技术,如何在高音质标准下能够保证正常的使用距离和体验才是需要关注的。虽然HWA标准被寄予厚望,但是其发展并不理想。现在华为似乎已经暂停了对HWA标准的支持。最新发布的FreeBuds Pro无线耳机也没有提到HWA或者LHDC,去年发布的FreeBuds 3耳机也只支持AAC和SBC。

懒人速读:

SBC是蓝牙唯一强制支持的编码,编码方案较为简单,但是比特率较低,压缩率较高,损失了部分细节,音质一般。

AAC的码率与SBC相当,但是得益于更好的编码技术,即使在同样的低码率下,AAC的听感也好于SBC和MP3。

Aptx的传输码率比之前两者略有所提升,同时更为高效的编码使得更多的音频细节能够得以保留,听感好于SBC以及AAC。aptX HD已经属于高清音频编码了,缺点是高通专利,需要高通芯片。

LHDC和LDAC类似,都宣称可以传输高于CD音质的音频,传输比特率达900Kbps,是目前音质最好的蓝牙音频编码,缺点就是容易受到无线信号干扰和延迟较高。

在蓝牙耳机中,音质和延迟可以算是“鱼和熊掌不可兼得”。

总的来说,从音质上,LHDC ≈ LDAC > aptX > AAC > SBC。

从延迟上,aptX> AAC>LHDC ≈ LDAC ≈ SBC

华强北耳机支持:SBC、AAC