基于A2DP框架的近距離無線音頻通信研究

隨著藍牙技術(shù)在電子產(chǎn)品中的日益普及，藍牙音頻設(shè)備也層出不窮，其中具有免提功能的藍牙耳機和藍牙音頻網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用是最典型的例子。但免提單元與音頻網(wǎng)關(guān)進行音頻傳輸建立起來的SCO連接，僅能支持64Kb/s電信級語音質(zhì)量的音頻流，這也就限制了藍牙音頻質(zhì)量的提高，同時也影響了藍牙的娛樂消費市場。為了滿足人們對高質(zhì)量音頻的需求，進一步擴大藍牙產(chǎn)品市場，藍牙特殊興趣小組SIG組織，在藍牙 1.1規(guī)范的應(yīng)用框架基礎(chǔ)上又單獨提出了高級音頻分發(fā)框架（Advanced Audio Distribution Profile，A2DP）。該框架利用了在L2CAP層建立起來的ACL異步無連接鏈路來傳輸高質(zhì)量的單聲道或者立體聲音頻數(shù)據(jù)，有效負載的傳輸速率可以達到300～400Kb/s。

A2DP框架概述
在娛樂消費市場中，A2DP實例化應(yīng)用就是用音樂播放器把音頻數(shù)據(jù)通過ACL連接發(fā)送到耳機或者音箱上。目前的框架規(guī)范中，并不支持同步的一點對多點的廣播式音頻分發(fā)，而對于點對點音頻的分發(fā)，又存在著兩種不同的角色，一個是信源設(shè)備（SRC），這種設(shè)備作為發(fā)起者將數(shù)字音頻流發(fā)送到Piconet網(wǎng)中；另一個是信宿設(shè)備，是接收信源發(fā)出的音頻流的設(shè)備。如果藍牙音樂播放器是信源設(shè)備，那么與之交互的藍牙耳機就是信宿設(shè)備，信源和信宿的區(qū)別就在于，它是發(fā)起者還是接收者。下面對該框架所涉及的具體協(xié)議和其依賴框架進行分析。

1 A2DP應(yīng)用框架
在典型的藍牙音頻相關(guān)框架的整體結(jié)構(gòu)中，A2DP框架所處的位置如圖1所示。
服務(wù)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用框架（SDAP）所提供的功能，是向其他藍牙設(shè)備提供自身所具備的服務(wù)，并且能夠使用遠程設(shè)備所提供的服務(wù)和功能。在實際應(yīng)用中，幾乎所有框架都支持服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）。藍牙音頻視頻遙控應(yīng)用框架（AVRCP）實現(xiàn)了藍牙設(shè)備之間的遙控功能，例如，音樂播放器的前進、后退、停止、播放等控制信令的傳輸。免提功能頭戴式設(shè)備應(yīng)用框架（HFP/HSP），最主要的應(yīng)用就是實現(xiàn)了藍牙耳機的免提功能和某些藍牙設(shè)備的音頻網(wǎng)關(guān)功能。

高級音頻分發(fā)框架（A2DP）依賴于通用音頻視頻分發(fā)框架（GAVDP），GAVDP定義了設(shè)置音頻和視頻流傳輸?shù)牟襟E，而A2DP則進一步定義了音頻流傳輸?shù)膮?shù)和步驟細節(jié)。

在實際應(yīng)用中，邏輯鏈路控制適配層協(xié)議（L2CAP）要求比較高的可靠性，基帶的廣播數(shù)據(jù)分組將被禁止使用，因此，L2CAP層并不支持可靠的多點傳輸信道，這也就是A2DP框架不支持多點廣播式音頻分發(fā)的主要原因之一。而對于面向高層協(xié)議的開發(fā)和應(yīng)用者，L2CAP層協(xié)議是透明的，因此這里對A2DP輕型框架具體實現(xiàn)的相關(guān)描述，也僅限于L2CAP層以上，A2DP相關(guān)的協(xié)議及框架如AVDTP、GAVDP等協(xié)議模塊的設(shè)計。

圖1 藍牙音頻框架整體結(jié)構(gòu)

圖1中的藍牙主機控制接口HCI層，是協(xié)議棧中軟硬件的接口。這里所涉及的硬件環(huán)境是主機與主機控制器連接模型，HCI層以上的協(xié)議（如SDP）在主機上運行，而以下的協(xié)議（如傳輸層的藍牙基帶協(xié)議等）由藍牙主機控制器硬件來完成，這樣既保證了底層協(xié)議傳輸?shù)姆€(wěn)定性，又支持了上層應(yīng)用協(xié)議的可擴展性。一旦在市場條件成熟，藍牙技術(shù)的硬件部分就可以被更快的硬件射頻技術(shù)所取代，高層傳輸協(xié)議經(jīng)過移植仍然可以沿襲使用，大大縮短藍牙產(chǎn)品的研發(fā)周期。

2 A2DP框架協(xié)議棧
A2DP是音頻傳輸框架，它通過藍牙傳輸層和對等設(shè)備，把音頻數(shù)據(jù)流從音頻信源（SRC）到音頻信宿（SNK）進行分發(fā)，因此該框架所包含的協(xié)議棧也分為兩個部分，具體表現(xiàn)如圖2所示。

圖2 A2DP框架協(xié)議棧

基帶協(xié)議（Baseband Protocol）、鏈路管理協(xié)議（LMP）、邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）及服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP），在藍牙核心協(xié)議規(guī)范中都有定義。而藍牙音頻視頻分發(fā)傳輸協(xié)議AVDTP則定義了藍牙設(shè)備之間數(shù)據(jù)流句柄的參數(shù)協(xié)商、建立和傳輸過程以及相互交換的信令實體形式，該協(xié)議是A2DP框架的基礎(chǔ)協(xié)議。

輕型A2DP框架協(xié)議實現(xiàn)
這里所提出的A2DP框架協(xié)議的實現(xiàn)集中在音頻信源端，并未設(shè)計信宿端。之所以定義為輕型的，是因為在A2DP規(guī)范1.0基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)了此規(guī)范所規(guī)定的強制性功能，即在信源端僅僅實現(xiàn)了高級音頻分發(fā)的基本功能，如立體聲音頻的傳輸，只支持低復(fù)雜度子帶編解碼（SBC）標準，而對其他編解碼標準并未涉及；在A2DP模塊的實現(xiàn)中并未包括任何的編解碼能力，這是在用戶層上實現(xiàn)的，是上層應(yīng)用程序在設(shè)置階段，通過配置協(xié)商來做相應(yīng)的編碼，解碼和音頻內(nèi)容的轉(zhuǎn)換工作；AVDTP模塊的功能不包括校驗和報告，也不包括媒體多路復(fù)用，校驗和報告通道的建立。

1 協(xié)議模塊劃分
A2DP框架協(xié)議劃分了3個模塊：A2DP模塊、GAVDP模塊和AVDTP模塊，另外還包括測試協(xié)議棧所需要的Audio應(yīng)用程序測試模塊。對于GAVDP，雖然該功能模塊包括音頻/視頻兩種數(shù)據(jù)流的傳輸與分發(fā)，但是由于這里側(cè)重對音頻流進行討論，所以視頻流相關(guān)模塊（VDP）并未實現(xiàn)。圖3是具體實現(xiàn)模塊劃分圖。