破解藍牙的密碼:ADPCM語音編碼速率慢一半 省電與話質更勝一籌

本文作者:admin       點擊: 2007-10-11 00:00
前言:
Auristream是CSR最重要的技術發展,以32Kbps(CVSD 64Kbps資料速率的一半)支援ADPCM編解碼技術,以達到更高的音效品質,並且與在標準SCO連結之上使用CVSD編碼訊號相比可節省高達40%的功耗。這對於長途旅行的商務旅客或常使用電話會議等需要較長通話時間的使用者而言絕對是一項好消息。

目前全球有越來越多的國家立法禁止開車時手持行動電話,藍牙所提供的語音傳輸遂成為一項理想的通話方案,因此大多數的手機製造商都為產品搭配了免持聽筒套件或藍牙耳機,藍牙也就成為產品主打的功能訴求,手機整合藍牙技術儼然成為一項必然的趨勢。隨著手機藍牙連接率的逐年攀升,行動電話搭售耳機也成為行動服務業者和手機廠商在建立產品差異化時的首選,由此足以顯示藍牙語音傳輸的趨勢已不容忽視。
 
隨著藍牙耳機使用率的成長,使用者也開始要求等同於一般電話的語音傳輸品質。今日的廠商除了必須面對高品質語音需求的壓力外,還要克服持續存在的功耗問題,以下我們將探討透過藍牙技術解決這些挑戰的諸多方法之一。

藍牙語音傳輸的挑戰
「資訊」透過藍牙無線傳輸鏈傳遞可分為二種基本形式:異步資料(asynchronous data)和同步語音(synchronous voice)。「異步」意謂資訊並不需要以持續的資料流方式傳送,只要最後所有資料都送達目的地,再重新組合成原始格式即可;以影像檔為例,影像資料可以被拆解成片段的資料位元,等待藍牙鏈路不忙碌的時候再分別傳送。但是,若是語音串流,使用者就絕對無法忍受他們的對話被切割成片段的內容或在不同的時間送達。因此,流暢且即時的串流語音鏈路是符合語音傳輸需求的必備條件。

藍牙在設計上就是以支援這二種類別的介面為目標:藍牙規格包括支援資料流量的異步無連結(Asynchronous Connectionless; ACL)封包,以及支援語音流量的同步連結導向(Synchronous Connection Oriented; SCO)封包。SCO屬於電路交換,它擁有對稱的同步服務並且在固定的時間間隔保留時槽(slot reservation),可適用於例如語音等具時間敏感性的資料。藍牙規格允許每一個主(master)裝置擁有三個同時並行的語音通道(SCO鏈路)。

語音通道使用連續可變斜率差調變(Continuous Variable Slope Delta Modulation; CVSD)編碼體系,而SCO並不允許重新傳輸失敗的封包。CVSD編解碼器獲得藍牙採納的原因是為處理遭丟棄或損毀的語音樣本方面提供較好的強韌性。當背景噪音增加時,干擾層級也會提高,然而儘管CVSD的位元錯誤率高達4%,仍屬可接受的範圍。

這種Delta調變體系遵循一種波形,其中的輸出位元將指示是否預測值小於或大於輸入波形(以二進碼而言,就是用0或1呈現數值變化)。為減少這種二進碼方法的斜率超負載效應(slope overload effects),CSR運用了音節式壓縮與擴張(syllabic companding),也就是讓步進大小(step size)依照平均訊號斜率而調節。輸入CVSD編碼器的是每秒64k 取樣率的線性脈波編碼調變(Pulse Code Modulation; PCM)訊號。

SCO的uplink和downlink位元傳輸率固定在64Kbps,而且不允許重傳封包,為了解決SCO連結的一些限制,藍牙v1.2規格提出了延伸SCO(Extended SCO; eSCO),支援重新傳輸失敗的封包,如此一來就可以提高SCO的傳輸品質,這對於不必然因為「二進碼問題」而影響傳輸品質的連結(例如音訊或視訊資料傳輸)而言是很重要的一點。但是儘管藍牙現在能支援重新傳輸,藍牙語音封包仍繼續採用預設的CVSD系統編碼,這麼做也為語音流量處理方式提供了改善的空間。

CSR第六代藍牙技術的關鍵所在
舉例來說,CSR的第六代藍牙技術已解決了CVSD在語音流量編碼上的限制,並且藉由強化射頻效能(特別是掃描技術方面)改善靈敏度和傳輸功率。這些射頻效能上的改良大幅的節省功耗,為手機製造商帶來更多的效益。

藉由增加一種以PCM為基礎的編碼技術,可以為藍牙減少語音和視訊流量所需的資料傳輸率,並提升潛在的容量或大幅降低藍牙系統的功率。CSR在今年9月最新推出的BlueCore6藍牙晶片就已採用了這項技術。

CSR最重要的技術發展就是Auristream,它在eSCO之上採用適應性差動脈波編碼調變(Adaptive Differential Pulse Code Modulation; ADPCM)編解碼技術,以達到更高的音效品質,並且與在標準SCO連結之上使用CVSD編碼訊號相比可節省高達40%的功耗。這對於長途旅行的商務旅客或常使用電話會議等需要較長通話時間的使用者而言絕對是一項好消息。

ADPCM是一種知名且普及的編解碼器,為CVSD提供了一項理想的相輔相成方案。CVSD可以處理位元錯誤,因此為仰賴SCO封包傳輸語音的藍牙克服了欠缺再傳輸能力的問題。然而,由於eSCO提供了錯誤偵測和封包再傳輸功能,因此藍牙已不再需要仰賴CVSD。

ADPCM和 CVSD的差別在於,它以較慢的速率來取樣並可以區別樣本之間的差異。相較於CVSD的64Kbps,ADPCM是以緩慢的32Kbps速率攜載固定線路品質訊號,因此藍牙發射器和接受器約只需一半的作業時間。根據CSR的測試結果顯示這種方法和其他所有藍牙系統採用的CVSD編碼技術相比可以節省高達40%的功耗。

而在音效品質的評量方面,根據國際電信聯盟電信標準化部門(ITU-T)所認可的品質評量法-平均主觀評分(Mean Opinion Score),1代表最低品質5為最高品質(根據ITU,評分5是不可能達到的),CVSD以64Kbps取樣率編碼語音訊號(不允許重試),獲得2.46的MOS評分;而ADPCM編解碼器以32Kbps速率編碼(允許重試二次),MOS評分則達到4.14。換句話說,透過轉移到ADPCM,藍牙語音傳輸通訊的確可以達到一般電話品質。

此外,ADPCM編碼技術也提供了其他效益,例如透過採用搭載Auristream技術的BlueCore6晶片的藍牙耳機與另一支同樣採用Auristream的行動電話通話時,即使通話者處於吵雜的環境,雙方也能維持正確且清晰的通話品質。

由於BlueCore6的Auristream技術以32Kbps(CVSD 64Kbps資料速率的一半)支援ADPCM,因此具有支援較多語音通道的潛能。傳統上CVSD可以支援三個同時並行的SCO語音通道。雖然今日的藍牙規範只陳述三個,然而透過ADPCM的32Kbps鏈路採用Bluetooth Enhanced Data Rate強化資料傳輸率(v2.0或v2.1藍牙規範,最高資料速率達3Mbps),則具有支援多達七個更高品質eSCO通道的潛能。

CVSD仍然是藍牙規格要求的編碼方法。雖然目前唯有採納BlueCore6設計的產品才能受惠於CSR Auristream技術所支援的ADPCM編碼,但當藍牙裝置需要連接一個並未採納CSR Auristream技術的既有藍牙產品時,CVSD仍可以用來支援建立連結。

藍牙規格為語音通訊提供一個穩固的基礎。CSR Auristream技術ADPCM編碼則為那些希望為產品提供最高語音品質的設計工程師們,提供了一個進一步實現目標的管道。

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