常識科普:深刻了解藍牙5.0無線技巧

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摘要:想體驗aptX HD或LDAC技術的高音質,除了手機端存在系統(Android 8.0)限制以外,手機中播放的音樂文件本身也必須是無損格式的,同時耳機端的藍牙晶片也需要得到aptX HD或LDAC的授權才可以,而這是一筆不小的費用,所以市面上支持這兩大技術的藍牙耳機售價都不便宜。而藍牙5.0技術,則有助於提升藍牙耳機的體驗,並進一步刺激更多用戶優先挑選支持藍牙5.0功能的手機和耳機。

作為最古老的無線傳輸技術之一,藍牙如今已經迭代更新到了5.0版本,絕大多數新款手機和藍牙耳機,也都將藍牙5.0技術列入了標配選項。那麼,和我們更熟悉的藍牙4.x相比,藍牙5.0都有了哪些改變?它又能為藍牙外設帶來多少喜人的進化?

藍牙由4到5的進化

藍牙(Bluetooth)是一項誕生於1998年的「古老」無線技術,但它真正被人廣泛認知的時間點,則要被推遲到2007年藍牙2.0/2.1+EDR標準的推廣。隨著PC無線網卡的更新,以及智慧型手機進入4G時代,藍牙技術則經歷了從4.0→4.1→4.1→5.0的更新,所以在探討藍牙5.0之前,咱們還是應該重新回顧一下藍牙4.x的特色。

知識科普:深入瞭解藍牙5.0無線技術

在藍牙3.0時代,藍牙技術聯盟曾帶來過HS(High Speed)高速協議,允許移動設備之間借道Wi-Fi通道做到24Mbps的傳輸速度。而從藍牙4.0開始,我們所接觸的藍牙設備大都主打低功耗藍牙(BLE,如藍牙4.2LE),速度和功耗的平衡才是藍牙未來的發展方向。面對大量低功耗且結構緊湊型設備的需求,晶片製造商正逐漸將主控制器和射頻等功能集成在一顆單晶片里,形成了BLE SoC再提供給客戶使用。

藍牙4.x的變化

和早期的藍牙版本相比,藍牙4.0曾被官方稱為「Bluetoothsmart」(智慧藍牙),它加入了革命性的BLE協議部分,並在高度集成的設備中增加了低功耗的物理層和鏈路層,具備更省電、成本低、低延遲、連接距離增加和AES-128加密等特性。可以說,從藍牙4.0開始,它往後的藍牙版本都開始致力於針對物聯網設備進行優化升級。

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藍牙4.1標準於2013年推出,它解決了藍牙技術對4G信號有所干擾的隱患,同時還支持IPv6,可同時發射/接收數據(即同時連接多台設備),單包數據傳輸的最大值也從20字節上調到23字節,提升了15%的數據傳輸率。

2014年底發布的藍牙4.2標準,它主要在傳輸速度和安全性方面做出了較大的改進。藍牙4.2的最大單包數據傳輸指標(可以理解為帶寬)從4.1時期的23字節提升到了255字節,可容納的數據量提升了10倍有餘,從而使數據傳輸速度提升了約2.5倍。此外,藍牙4.2對設備間的秘鑰管理更加嚴苛,可避免被中間人破解密鑰的事件發生,同時還允許藍牙設備通過IPv6通道進行聯網,讓各種穿戴式、IoT設備之間做到數據的同步和聯動。

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藍牙5.0的進化

藍牙5.0標準誕生在2016年,它較藍牙4.2(LE低功耗藍牙)做到了速度、距離和連接性方面的質變。

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從官方給出的具體指標來看,藍牙5.0較之藍牙4.2可以帶來4倍的傳輸距離(300米,但這只是理論值,要知道藍牙4.2在超過10的距離後信號就已經很微弱了)、2倍的傳輸速度(從1Mbps提升到2Mbps)、8倍廣播數據傳輸量(可同時對多台藍牙音頻設備輸出音頻信號,從而更容易架設環場音效)。此外,藍牙5.0增添了導航功能,配合無處不在的Wi-Fi和藍牙信號可以做到精準度接近1米的室內定位。

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藍牙5.0還可以算是針對IoT設備量身定制的新一代無線標準,它的功耗比藍牙4.2更低,並對物聯網進行了很多底層優化,比如引入了藍牙網狀網路(meshnetworking)技術,它打破了傳統藍牙設備間「一對一」的配對,轉變成「多對多」的訊號傳輸模式,可以使藍牙5.0設備相互作為信號中繼站(類似於電力貓),從而將藍牙信號傳遞到無限遠(理論上)。

並不順利的普及之路

作為一項非常「給力」的無線技術,早在2017年初藍牙5.0技術就已經「入駐」智慧型手機領域。但是,直到2018年底,藍牙5.0卻依舊沒能在手機圈中普及,這又是為什麼呢?

藍牙5.0屬於可選項

就手機處理器平台(SoC)很多人都存在一個錯誤,以為SoC是在單晶片上就集成了包括CPU、GPU、ISP、Modem、Wi-Fi、藍牙、電源管理等所有模塊。實際上,包括Modem、Wi-Fi、藍牙、電源管理在內的很多模塊,都是以獨立晶片的形式共存於同一塊PCB主板之上的,因此一款SoC的理論參數並不代表手機可以做到的實際參數。

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小提示

同樣是藍牙5.0晶片,也會根據客戶的需求,在功能和性能上出現差異化,比如為了追求低功耗長待機而取消對雙模、高清協議的支持。

比如,高通從驍龍636開始就已經加入了對藍牙5.0技術的支持,但市面上搭載驍龍636且支持藍牙5.0的手機卻僅限紅米Note5等極少數產品,其他手機大都卻採用驍龍636和藍牙4.2晶片搭配的方式。

市場需求還待培育

藍牙5.0之所以沒能出現爆發式增長,除了藍牙5.0晶片成本較高以外,最大的制約因素還是在於市場需求不夠旺盛,因為藍牙技術的應用領域對普通用戶而言還是比較局限。

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比如,藍牙傳輸速度再快,能有Wi-Fi快?各種分享APP可以構建無線熱點通道,輕鬆做到超過20MB/s的數據傳輸環境;藍牙傳輸距離再遠,有人就該擔心風險了——偷手機的賊都離開地鐵站了,戴著藍牙耳機聽歌的你卻還沒有任何察覺;藍牙5.0雖然可以助力IoT的發展,但IoT是個什麼很多用戶心里卻還沒有概念……

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因此,在藍牙5.0還沒有殺手級應用環境之前,手機廠商持謹慎的推廣態度就在情理之中了。好消息是,隨著參與藍牙5.0晶片研發的廠商越來越多(如高通、CSR、德州儀器、意法半導體、Nordic、Dialog、東芝和炬力等),藍牙5.0的獵裝門檻也在逐漸下降。相對來說,新一代類似蘋果AirPods藍牙耳機,是最有可能引爆藍牙5.0技術的「導火索」。

來自藍牙5.0耳機的機會

由於iPhone的「示範效應」,越來越多的高端Android手機也流行取消3.5mm耳機孔的設計,想聽歌要麼選擇USB Type-C接口的有線耳機(或USB Type-C轉3.5mm轉接線),要麼就只能搭配藍牙耳機使用了。而藍牙5.0技術,則有助於提升藍牙耳機的體驗,並進一步刺激更多用戶優先挑選支持藍牙5.0功能的手機和耳機。

藍牙5.0對功能的改進

藍牙標準都能向下兼容,所以購買藍牙5.0耳機時不必擔心沒有匹配的手機搭配使用。藍牙5.0憑借更高的帶寬可以將語音指令傳輸到終端的速度從90ms縮減到40ms左右,因此它對耳機的功能有著很大的幫助。比如現在很多藍牙耳機都集成了語音助手、手勢控制、主動降噪、健康監測等功能,藍牙5.0可以讓上述功能變得更加行雲流水而沒有半分延遲的感覺。此外,藍牙5.0模塊的耗電更低,可以再度延長藍牙耳機的續航時間。

需要注意的是,很多類似AirPods的藍牙5.0對耳耳機(兩個耳機分離,沒有線纜相連)在宣傳中都會主打「雙耳通話」功能(通話時兩邊耳機都能出聲),給人一種好像只有藍牙5.0才能享用這一特殊功能的錯覺。

實際上,「雙耳通話」並不是藍牙5.0的專利,包括AirPods在內的很多藍牙4.x耳機就已經支持雙耳通話功能了,而以捷波朗臻律為代表的藍牙5.0耳機反而只能單邊(右邊)出聲。

可見,雙耳通話並不受藍牙版本的限制,只能說絕大多數藍牙5.0晶片都會將雙耳通話納入標準功能,而藍牙4.x晶片想要做到這一功能需要多費一番功夫,比如AirPods所使用的W1晶片內除了內置藍牙解碼模塊之外還同時集成了一顆Wi-Fi晶片,從而使得AirPods並不需要占用兩個藍牙信道即可完成同步,最終做到了雙耳通話的效果。

藍牙5.0對音質的增益

藍牙耳機由於和手機之間沒有線纜相連,所以其音質的好壞基本就取決於耳機自身的品質。當我們使用藍牙耳機聽歌時都是如下流程:

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1.手機內的Codec(編譯碼器)或者DAC(數字模擬轉換器)對MP3等格式的音頻文件進行解碼並轉換成數字信號;

2.手機通過藍牙,基於A2DP協議將數字信號壓縮,再通過無線的形式發送給藍牙耳機;

3.藍牙耳機接收到壓縮後的數字信號後,通過耳機內集成的數模轉換晶片將其解碼並轉換成模擬信號;

4.耳機內部的信號放大晶片將模擬信號進行放大,並傳輸到耳機內的發聲單元處,最終輸出適合人耳聆聽的聲音。

問題來了,藍牙的帶寬(傳輸速率)有限,理論上很難直接輸出CD級別的音頻信號,想要做到高音質就只能從「如何更高效利用已有帶寬」的方面入手。為此,使用藍牙耳機聽音樂時需要先將音頻信號進行音頻編碼(壓縮),也就是聽歌流程中的第二個步驟。

目前常見的藍牙音頻傳輸格式由弱到強依次為SBC、AAC、aptX/aptX HD(高通主導)和LDAC(SONY主導),其中只有aptX HD和LDAC才能做到真正的「無損」,帶來接近Hi-Fi的完美音質。好消息是,高通和SONY為了推廣自家的技術,分別將aptX和LDAC開源給了Google,只要Android系統升級到8.0或更高就能加以支持(PC方面需要Windows10系統),不過手機端想使用aptX還需要搭配高通旗下的驍龍移動平台(其他硬件平台需要高通授權)。

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理論上,藍牙4.2的傳輸速率(1Mbps)就足以滿足aptX HD和LDAC編碼的需求了,因為LDAC編碼最高也只支持24bit/96kHz的990kbps音頻傳輸。但是,從用戶實際的反饋來看,支持LDAC的藍牙4.2耳機存在一定的延遲和卡頓問題,唯有藍牙5.0才能完美適配。因此,雖然藍牙5.0自身並沒有針對音頻做出什麼優化,但它更高帶寬和傳輸速率方面的優勢,卻可令其有效地消除藍牙耳機和有線耳機之間的物理傳輸瓶頸。

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需要注意的是,想體驗藍牙5.0,需要手機端和耳機端都支持藍牙5.0。想體驗aptX HD或LDAC技術的高音質,除了手機端存在系統(Android 8.0)限制以外,手機中播放的音樂文件本身也必須是無損格式的,同時耳機端的藍牙晶片也需要得到aptX HD或LDAC的授權才可以,而這是一筆不小的費用,所以市面上支持這兩大技術的藍牙耳機售價都不便宜。當手機和耳機都滿足上述條件時,就能在系統中選擇需要的藍牙音頻編碼器的版本了,如果編碼器為灰色不可選,就說明手機或耳機至少有一端不支持這些編碼器。

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小結

無論你需不需要,藍牙5.0已經成為了發展趨勢,2019年會有更多手機和耳機將其納入標準功能。雖然藍牙5.0有著非常好的理論指標,但現階段其最直觀的好處就是信號穩定性、低能耗和低延遲,有利於提升藍牙耳機的聲音表現。但是,正如前文所述,藍牙5.0並不等於好音質,它還需要耳機端的藍牙晶片支持更先進的aptX HD和LDAC解碼,同時還得配合更好的喇叭單元。百元的藍牙5.0耳機就想挑戰千元的藍牙4.2耳機,依舊是個笑話。

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