Bluetooth-аудио: характеристики беспроводного звука, статья. Журнал "Stereo & Video"

Технология Bluetooth названа в честь Харальда Синезубого, древнего короля викингов. И ради всевышнего не спрашивайте почему. Лучше разберемся с действительно важными вещами: как она устроена, на что способна, чем интересна — а чем не интересна — меломану. И главное, что происходит с аудиопотоком, когда он покидает смартфон или планшет, чтобы добраться до беспроводных наушников или колонок по Bluetooth-каналу.

---

---

Сегодня без поддержки Bluetooth невозможно представить себе ни смартфон, ни планшет, ни любое другое уважающее себя мобильное устройство. Однако сама технология появилась на свет куда раньше смартфонов и планшетов — еще в 1994-м, а ее изначальной целью была замена проводов в начинке телекоммуникационных станций. Первоначально у «синего зуба» имелась масса проблем со скоростью и надежностью связи, энергоемкостью и совместимостью между различными устройствами, но со временем технология подросла, с каждой новой версией становясь заметно проворней, экономичней и способней.

На фото Харальд I Синезубый принимает крещение. Согласно легенде (неподтвержденной)
король объединил датские поселения в единую страну. Этот факт и стал идеей
для Bluetooth — связать все устройства одним протоколом

Некоторые улучшения — например, упрощение процедуры «спаривания» в версии 2.1 и серьезное уменьшение нагрузки на аккумуляторы в текущей версии 4.0 — сделали повседневную жизнь меломанов заметно комфортней. Еще больше комфорта внесло появление технологии NFC — в связке с ней Bluetooth вообще не требует никаких церемоний при взаимном распознавании приемника и передатчика, достаточно просто прикоснуться гаджетами друг к другу. Но в целом на качестве передачи звука прогресс отразился мало: в самом свежем издании Bluetooth этот процесс устроен так же, как и в его позапрошлой версии десятилетней давности. А собственно как?

35 синих зубов

Как и подавляющее большинство других беспроводных интерфейсов, Bluetooth основан на использовании радиоволн. Для передачи информации «синий зуб» использует радиочастоты в районе 2,4 ГГц — здесь же по соседству «пасутся» Wi-Fi-роутеры, беспроводные компьютерные клавиатуры и мыши, некоторые DECT телефоны и масса прочего оборудования.

Чем отличается Bluetooth от многих других беспроводных технологий? С одной стороны — относительно невысокой дальнобойностью: радиус ее действия не превышает десятка метров, а толстые стены могут дополнительно снизить этот показатель.

Что любопытно, логотип Bluetooth состоит из двух скандинавских рун: «хаглаз»
и «беркана» (аналоги латинских букв H и B)

С другой стороны — многофункциональностью. «Синий зуб» можно использовать в самых разнообразных целях: от переброски фоток на ноутбук до отправки документов на печать, от управления внешними устройствами до потоковой трансляции аудио. Неудивительно, что у Bluetooth так много различных т.н. «профилей», каждый из которых обеспечивает выполнение той или иной конкретной задачи, определяя технические параметры взаимодействия между Bluetooth-передатчиком и приемником. Общее количество профилей измеряется десятками (согласно статье на Wikipedia базовых 35 штук), за передачу звука отвечают только три. Чем они отличаются друг от друга?

Bluetooth-профили HSP, HFP и A2DP

Первый из аудиопрофилей Bluetooth носит имя HSP — Headset Profile. Как можно понять из названия, он создан для работы с мобильными гарнитурами и заточен под базовую передачу голоса со всеми вытекающими отсюда последствиями: аудио допускается только в моно формате и с битрейтом не выше 64 кБ/c. По сравнению с этим звуком даже пережатые MP3 кажутся божественным наслаждением для ушей.

Второй — HFP, Handsfree Profile — представляет собой чуть более продвинутую версию того же профиля. Его адресат — все те же монофонические гарнитуры, так что стерео по-прежнему не поддерживается, но качество звука несколько выше. Впрочем, для прослушивания музыки этот профиль по-прежнему не подходит.

Как только появился A2DP, многие Hi-Fi-производители обратили на него внимание.
Но раньше всех были небольшие компании, сделавшие адаптеры, как приведенный на фото GOgroove BlueGate, —
небольшая коробочка с ЦАПом и усилителем для наушников внутри.

Для этой цели предусмотрен специальный профиль A2DP — Advanced Audio Distribution Profile. Именно он отвечает за соединение мобильных устройств с беспроводными колонками и наушниками. Профиль A2DP позволяет источнику звука найти общий язык с беспроводной акустикой, а главное — управляет сжатием аудио для отправки по «синезубому» каналу. Избежать этой процедуры нельзя из-за невысокой пропускной способности Bluetooth, но уровень компрессии, используемые для сжатия алгоритмы и, в конечном итоге, потери в качестве звука могут заметно варьироваться. Вот тут-то, как говорится, и возникают нюансы.

Кодек SBC жмет грубее MP3

Как известно, сжимать звук можно по-разному. С потерями в качестве или без них, с низким или высоким битрейтом, с различными настройками, с применением разных кодеков. Вместо какого-нибудь из повсеместно распространенных кодеков для сжатия аудиопотока в профиле A2DP по умолчанию применяется собственный алгоритм компрессии Subband Coding — или, попросту, SBC.

Сравнение, проведенное Брентом Баттервутом (автор About.com),
показывает разницу в том, какие шумы возникают при подаче тона 5, 10, 12.5 и 20 кГц.
Синяя линия — aptX, зеленая — SBC (источник)

Обработка звука по методам SBC имеет немало общего с хорошо всем знакомым MP3-сжатием, но приоритеты выстроены несколько по-иному: главная задача — не столько минимизировать звуковые потери, сколько упростить вычисления. Все должно быть быстро, просто и легко выполнимо даже для самого хлипкого мобильного процессора.

В результате SBC обходится со звуком без лишних церемоний — например, частоты выше 14 кГц при конвертации попросту отрезаются, в результате чего частотный диапазон заметно сужается. Не удивительно, что даже при равном битрейте с MP3 (а SBC допускает битрейт до 320 кБ/c) аудио в SBC-кодировке звучит заметно хуже.

На этом графике показаны спектры при трансляции сигнала 1 кГц через aptX (синий)
и SBC (зеленый), а также 4 кГц — aptX (пурпурный) и SBC (красный) (источник)

В результате при использовании дефолтного кодировщика передача по Bluetooth ухудшает звучание не только несжатого аудио, но и обычных mp3-файлов — ведь в процессе беспроводной транспортировки они сперва декодируются, а затем вновь сжимаются, на этот раз куда грубей. К счастью, SBC — основной, но не обязательно единственный инструмент для компрессии аудиопотока, который имеется в арсенале A2DP. Есть и другие, более интересные предложения.

Advanced Audio Coding: продвинутое, но не идеальное

Базовый кодек SBC с его скромными музыкальными способностями — не лучшее средство привлечь внимание меломанов к Bluetooth-технологии. Вот почему разработчики многих «синезубых» устройств, особенно в топовом сегменте, комплектуют профиль A2DP опциональными, более продвинутыми средствами сжатия звука. Самое популярное из этих средств — алгоритм AAC.

В отличие от кодека SBC, знакомого разве что любителям поглубже покопаться в технических спецификациях Bluetooth, аббревиатура AAC неплохо известна широким народным массам. Еще бы! Ведь именно этот формат используется, например, в iTunes. Изначальной задачей разработчиков алгоритма было превзойти MP3 по качеству звучания при одних и тех же битрейтах — не случайно его имя расшифровывается как Advanced Audio Coding, «продвинутое кодирование звука».

За счет более сложных алгоритмов AAC действительно сохраняет больше музыкальной информации, чем mp3, и уж тем более SBC. Не удивительно, что его включение в набор кодеков, поддерживаемых профилем A2DP, заметно улучшает звучание Bluetooth-колонок и наушников.

Главное — убедиться в том, что кодек AAC поддерживается обоими «синезубыми» девайсами: и тем, что служит передатчиком аудиосигнала, и тем, что работает на его приеме. Если из пары таких устройств кодировку AAC способно понять лишь одно — профиль A2DP автоматически откатывает назад на базовый кодек. С вполне очевидными последствиями для звучания.

Кодек aptX имеет свой логотип, потому что разработан и запатентован компанией CSR

Кодек AptX: лучший вариант для меломана

Еще более продвинутое сжатие звука обеспечивает кодек aptX, который активно продвигает на рынке беспроводного Bluetooth-аудио компания CSR. Создатели пропагандируют его как средство для беспроводной передачи музыки «в CD-качестве».

На самом деле это не совсем так, хотя алгоритмы, лежащие в основе aptX, по принципу своей работы действительно напоминают лосслесс-кодировщики, уплотняющие аудиопоток без потери звуковой информации. Среди достоинств aptX — способность к Bluetooth-трансляции MP3 и AAC без дополнительной обработки, а значит, и без ухудшения звука.

Специальная версия aptX Low Latency, заточенная под запросы геймеров и киноманов, обеспечивает еще и минимальную задержку в доставке сигнала — а значит, просмотр кино без отставания реплик от мимики персонажей.

Кодек aptX обеспечивает передачу аудио с битрейтом до 352 кБ/с, не обрезает верхний регистр и раздвигает частотный диапазон до вполне солидных 10 Гц — 22 кГц, но высокая сложность применяемых алгоритмов требует от мобильных процессоров утроенной вычислительной мощности по сравнению с базовым SBC. Именно поэтому поддержка aptX встречается среди «синезубых» приборов довольно редко, чаще всего — в премиальном сегменте смартфонов.

Впрочем, ради того, чтобы стать обладателем смартфона с aptX, не обязательно выкладывать так уж много наличности: в каталогах Samsung, Sony, HTS и Asus представлено немало моделей с поддержкой продвинутого кодека, в том числе вполне доступных по цене.

Как и в случае с AAC, при беспроводном соединении источника звука с колонками или наушниками следует убедиться, что кодек aptX поддерживается обоими устройствами. Лишь в этом случае можно не сомневаться, что ты действительно выжимаешь из «синего зуба» максимум его музыкального потенциала.

---

Подготовлено по материалам журнала "Stereo & Video", апрель 2015 г. www.stereo.ru