基于意法半導(dǎo)體STM32WBA55G-DK1 無線藍(lán)牙LE audio解決方案

作者：時(shí)間：2024-06-24 來源：大大通

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低功耗藍(lán)牙音訊是一項(xiàng)新功能，可透過低功耗藍(lán)牙進(jìn)行音訊串流。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202406/460255.htm

現(xiàn)在幾乎所有藍(lán)牙裝置都在使用藍(lán)牙低功耗。需要雙模式控制器透過經(jīng)典藍(lán)牙傳輸音訊的音訊串流裝置除外。藍(lán)牙特別興趣小組 (Bluetooth? SIG) 提出了一種透過藍(lán)牙低功耗啟用和增強(qiáng)音訊串流的解決方案。

經(jīng)典藍(lán)牙(BR/EDR) 音訊已經(jīng)是當(dāng)今世界上最常用的音訊無線系統(tǒng)。下一代藍(lán)牙低功耗音訊即將到來。與傳統(tǒng)的藍(lán)牙相比，低功耗藍(lán)牙降低了功耗，并為音訊串流帶來了全新的可能性。

其中之一是Auracast?廣播音訊。 Auracast? 是新的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)。它使聽眾能夠向多個(gè)用戶共享音訊。它是根據(jù)以下三個(gè)基本原理定義的：

分享您的音訊：Auracast? 廣播可讓您邀請其他人分享您的音訊體驗(yàn)，并拉近我們之間的距離
讓世界變得安靜：Auracast? 廣播音訊讓您能夠在公共場所充分享受電視節(jié)目，解除曾經(jīng)的靜音并創(chuàng)造更完整的觀看體驗(yàn)
聽到最好的聲音：Auracast? 廣播讓您可以在任何地方聽到最好的聲音。

有關(guān) Bluetooth? 低功耗音訊和 Auracast? 的更多資訊： ^[1]^[2]^[3]^[4]

STMicroElectronics 推出的 STM32WBA 可透過 STM32 實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙?低功耗音訊。透過STM32WBA55G-DK開發(fā)套件，使用者可以存取嵌入式藍(lán)牙?低功耗音訊軟體，從而允許用戶對其進(jìn)行測試和使用。有四個(gè)可用的演示，可以在用例設(shè)定檔中找到。這些應(yīng)用程式包含在 STM32CubeWBA MCU 套件中。

2. LC3編解碼器

藍(lán)牙低功耗音訊基于新的音訊編解碼器：LC3，用于低復(fù)雜性通訊編解碼器。它是由弗勞恩霍夫 (Fraunhofer)設(shè)計(jì)的。這款編解碼器可以在藍(lán)牙低功耗音訊產(chǎn)品中免費(fèi)使用，這意味著藍(lán)牙低功耗音訊是完全可互通的，而不依賴供應(yīng)商特定的編解碼器。

LC3 帶來了新的質(zhì)量，高于經(jīng)典藍(lán)牙音訊上使用的強(qiáng)制編解碼器。這款編解碼器主要是為嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)的，具有較低的復(fù)雜性和較低的記憶體占用，但仍具有較高的品質(zhì)。

LC3：

通道獨(dú)立：可設(shè)定/用于單聲道或立體聲流
適用于音樂和語音（從窄帶：8kHz 到全帶：48kHz）
與行動(dòng)編解碼器完美配合（減少音訊損失）。
允許非常低的延遲（在音訊設(shè)定檔中定義）

將 LC3 與經(jīng)典藍(lán)牙音訊的典型編解碼器進(jìn)行比較：

LC3 的品質(zhì)比 SBC 高得多，但復(fù)雜性更高
LC3 的品質(zhì)比 OPUS 更好，但復(fù)雜性更低
LC3 的品質(zhì)低于 LDAC 或 aptX（及其無損版本），因?yàn)樗鼈兊膹?fù)雜性要高得多。

有關(guān) LC3 及其在我們解決方案中的整合的相關(guān)資訊可以在這里找到：LC3 編解碼器。

如果您需要更多信息，請參閱以下由藍(lán)牙 SIG 進(jìn)行的有關(guān) LC3 的一些研究： ^[5]^[6]

3.鏈路層和同步通道Link Layer and isochronous channels

藍(lán)牙低功耗音訊也基于藍(lán)牙 5.2 選擇的功能：同步通道。這是鏈路層功能。此功能允許透過新連接傳輸：同步流。

有兩種類型的同步流：

連接同步串流(CIS)：使用戶能夠透過藍(lán)牙連線獲得音訊串流。這是處理藍(lán)牙低功耗音訊的經(jīng)典方法（一臺(tái)設(shè)備一個(gè)連接，例如耳機(jī)）。透過兩個(gè) CIS，使用者可以將同步音訊串流傳輸?shù)絻蓚€(gè)不同的裝置（用于耳塞或助聽器）
廣播等時(shí)流(BIS)：使用戶能夠向任何能夠接收該音訊串流的接收器廣播一個(gè)或兩個(gè)音訊串流。它不需要連接，這意味著可以有無限數(shù)量的接收器。

這兩種類型的同步流為藍(lán)牙低功耗添加了新功能：

它定義了整個(gè)串流媒體時(shí)間的系統(tǒng)延遲（沒有任何漂移）。此延遲低于經(jīng)典藍(lán)牙音訊。
同時(shí)它也定義了重傳。應(yīng)用程式可以請求優(yōu)先考慮盡可能低的延遲的系統(tǒng)（這可能會(huì)導(dǎo)致由于最小重傳而丟失一些資料包），或者優(yōu)先考慮更好的品質(zhì)的系統(tǒng)（這確保接收所有資料包，但可能導(dǎo)致更高的延遲）。

將同步串流與經(jīng)典藍(lán)牙音訊進(jìn)行比較，可以注意到一些重要的差異：

HFP/HSP	A2DP	帶有 BAP 的藍(lán)牙 LE 音頻
資料透過 SCO（面向同步連線）傳送	資料透過 ACL（面向異步連線）傳送	資料透過同步資料流（CIS 或 BIS）發(fā)送
數(shù)據(jù)是連續(xù)的	數(shù)據(jù)是連續(xù)的	資料按時(shí)間戳同步
SCO中沒有重傳	所有資料包都會(huì)被傳輸，如果鏈路品質(zhì)較差，則會(huì)導(dǎo)致無限重傳	數(shù)據(jù)可以重傳，但有時(shí)間有效性，過了一定時(shí)間就過時(shí)了
延遲始終相同但未定義	延遲未定義，可能會(huì)有一些滯后或漂移。	延遲始終在系統(tǒng)中定義，并且在串流傳輸期間不能更改。

它使發(fā)送者能夠以無線電方式“傳輸”音訊。為了透過 ACL 連線啟動(dòng)單播音訊串流，單播用戶端和服務(wù)器交換有關(guān)串流品質(zhì)、重傳、音訊通道數(shù)量（單聲道/立體聲）和延遲的資訊。

除了同步頻道之外，Bluetooth? 低功耗音訊還需要兩個(gè)功能：

擴(kuò)展廣告：例如，它可以提供公開某些音訊功能所需的更多信息
定期廣告：此功能啟用廣告，這是周期性的而不是隨機(jī)的。觀察者可以同步獲取一些信息，并查看一段時(shí)間內(nèi)的任何變化。

4.音訊簡介

現(xiàn)在，藍(lán)牙低功耗音訊的基礎(chǔ)（LC3 和同步通道）已啟用，藍(lán)牙SIG 開發(fā)了一個(gè)全新的框架，能夠配置所有類型的音訊串流：

音訊框架的基礎(chǔ)是音訊串流管理，由基本音訊設(shè)定檔 (BAP) ^[7]定義。它是藍(lán)牙?低功耗音訊的強(qiáng)制性設(shè)定檔。它定義了流類型、配置、功能、品質(zhì)、延遲等。

BAP 與三種服務(wù)一起使用：

發(fā)布的音訊功能服務(wù)(PACS)Published audio capabilities service：用于公開設(shè)備的音訊功能。
音訊串流控制服務(wù)（ASCS）Audio stream control service ：啟用設(shè)定單播流。
廣播音訊掃描服務(wù)（BASS）Broadcast audio scan service：允許請求客戶端代表服務(wù)器掃描廣播音訊串流。

BAP 定義了兩種類型的串流：單播和廣播，如下所列。

5.單播Unicast

單播是基于連線的同步串流 (CIS) 的連線音訊串流。這意味著透過單播，您可以透過 CIS 建立連接的音訊串流。要建立單播流，首先需要一個(gè) ACL 連線來透過 GATT 和 LLCP 交換所有有用資訊。單播分為兩個(gè)角色：

單播客戶端：建立與單播服務(wù)器的連接，發(fā)現(xiàn)其功能并配置音訊流。該角色由智能手機(jī)、筆記型電腦、電視等使用。
單播服務(wù)器：通告其角色，公開其功能，接受單播服務(wù)器設(shè)定音訊串流。耳機(jī)、揚(yáng)聲器、某些助聽器、某些耳塞甚至麥克風(fēng)都可以使用此角色。

此外，單播客戶端可以同步串流傳輸?shù)絻蓚€(gè)單播服務(wù)器。

為了透過 ACL 連線啟動(dòng)單播音訊串流，單播用戶端和服務(wù)器交換有關(guān)串流品質(zhì)、重傳、音訊通道數(shù)量（單聲道/立體聲）和延遲的資訊。

流可以是

單向（用于音樂）或雙向（用于通話）。這稱為音頻流的拓?fù)?。它們是由單播客戶端從單播服?wù)器公開的內(nèi)容中選擇的。 BAP 規(guī)格中列出了所有可能的拓樸。^[7]
低品質(zhì)或高品質(zhì)。單播客戶端還根據(jù)單播服務(wù)器公開的內(nèi)容選擇品質(zhì)。所有這些可能性也列在 BAP 規(guī)格中。^[7]
低延遲或高可靠性。這是在單播客戶端和單播服務(wù)器之間交換的。 BAP 規(guī)范中對此進(jìn)行了描述。^[7]

主要用例是：

1 部電話連接到 1 個(gè)耳機(jī)/揚(yáng)聲器（請參閱圖 5.1）
1 支手機(jī)連接 2 個(gè)耳塞/助聽器（見圖 5.2）

圖 5.1 帶耳機(jī)的單播

圖 5.2 使用某些耳塞進(jìn)行單播

6.播出 Broadcast

廣播是一種非連接的音訊串流，基于廣播等時(shí)流（BIS）。任何能夠掃描并同步到該音訊串流的接收器都可以聽到它。這是一個(gè)新的用例，允許無限數(shù)量的用戶收聽相同的音訊串流。

它可以是手機(jī)上與朋友分享的音樂，也可以是直接翻譯成另一種語言的會(huì)議通知，也可以是直接在耳塞中接收的火車通知。

該流是公開的，但可以加密，并且需要密碼才能同步。由于串流是廣播的，因此只能是單向的。

BAP 還增加了另一個(gè)功能。由于廣播沒有連接，用戶需要一種方法來直接在接收器上同步到串流。但大多數(shù)時(shí)候，這些設(shè)備沒有任何螢?zāi)换虬粹o太少，無法有效地選擇音訊串流。這個(gè)角色稱為廣播助理，可以是電話，例如控制聽力設(shè)備。手機(jī)將掃描所選流的資訊并將其發(fā)送到聽力設(shè)備。

廣播定義了四種角色：

廣播來源：建立BIS并透過擴(kuò)展廣告和定期廣告來廣告所有資訊。
廣播接收器：掃描廣告找到廣播來源，并同步接收音訊串流
掃描委托者：公開其功能并等待廣播助理接收廣播源的一些資訊和命令。掃描委托者還具有廣播接收器角色，以同步到所選的廣播來源。
廣播助理：掃描廣告尋找廣播來源，發(fā)現(xiàn)掃描委托人功能。它將廣播來源的資訊傳送給掃描委托者。

主要用例是：

1 部電話/筆記型電腦/電視將相同的音訊傳送到多個(gè)音訊裝置。
公共場所向任何想要透過藍(lán)牙接收的人發(fā)布 1 個(gè)公告。
1 段為聽力損失人士播放的影片或會(huì)議，或翻譯成其他語言。

以下是火車站向任何人廣播的公告范例。揚(yáng)聲器（或任何音訊設(shè)備）可以將自身同步到廣播來源（請參閱圖 6.1）?；虻靡嬗诰哂袕V播助理角色的智能手機(jī)（見圖 6.2）。

圖 6.1 廣播接收器架構(gòu)

廣播接收器架構(gòu)

圖6.2 直播助手架構(gòu)

7.遠(yuǎn)端控制設(shè)定檔 Remote control profiles

通用音訊框架也定義了新的設(shè)定檔來控制一些音訊連結(jié)進(jìn)程：

現(xiàn)在音訊串流已啟動(dòng)，裝置需要其他設(shè)定檔來設(shè)定收聽部分。我們在聽音樂、打電話嗎？這就是這些其他配置文件的作用，增加了與任何設(shè)備的更多互通性。

媒體控制設(shè)定檔(MCP)Media control profile 及其服務(wù)（（通用）媒體控制服務(wù) - GMCS 和 MCS）：外圍設(shè)備將能夠透過任何操作來控制中央設(shè)備：啟動(dòng)、暫停、播放、停止媒體以及讀取一些資訊如曲目名稱、曲目位置、下一首曲目等^。

呼叫控制設(shè)定檔(CCP) Call control profile及其服務(wù)（（通用）電話承載服務(wù) - GTBS 和 TBS）：外設(shè)能夠執(zhí)行電話可以執(zhí)行的任何操作：接聽、拒絕、保持、終止呼叫，并且還可以查看一些諸如呼叫^者姓名、訊號(hào)、提供者等資訊。

協(xié)調(diào)集識(shí)別設(shè)定檔(CSIP) Coordinated set identification profile及其服務(wù)（協(xié)調(diào)集識(shí)別服務(wù) - CSIS）：它使多個(gè)裝置能夠識(shí)別為協(xié)調(diào)集（例如耳塞或音響系統(tǒng)）。有了這種訊息，中央設(shè)備就能夠連接到該組的所有設(shè)備并將它們配置在一起，以進(jìn)行音訊串流和控制。^[10]

麥克風(fēng)控制設(shè)定檔（MICP）Microphone control profile 及其服務(wù)（麥克風(fēng)控制服務(wù) - MICS）：它允許使用者控制音訊輸入選擇及其屬性，例如音量偏移、靜音和取消靜音等^[11]

音量控制設(shè)定檔(VCP)Volume control profile 及其服務(wù)（音量控制服務(wù) - VCS、音量偏移控制服務(wù) - VOCS、音訊輸入控制服務(wù) - AICS）：它允許使用者控制音訊串流的音量、偏移量、目前音量音量位置、靜音和取消靜音等。^[12]

通用音訊設(shè)定檔( CAP)Common audio profile 能夠透過以下所有設(shè)定檔控制 BAP，從而建立處理音訊串流的完整框架。它可以將呼叫或媒體的某些命令與音訊串流的開始/停止連結(jié)起來，或讀取其資訊（音樂標(biāo)題、呼叫者姓名...）。也可以將指令連結(jié)在一起放在一組協(xié)調(diào)的耳機(jī)中（如兩個(gè)耳塞）。^[13]

有關(guān)配置文件及其參數(shù)/可能性的更多詳細(xì)資訊在架構(gòu)和整合中列出。