突破蓝牙编码

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如今，许多手机制造商在其产品说明中将蓝牙列为最突出的特点之一。全球越来越多的国家和地区通过立法，强制用户在驾驶中拨打或接听电话时使用免提设备或耳机；在这个方面，蓝牙是一种理想的无线解决方案，因此越来越多的手机都采用了蓝牙技术，这已成为一种趋势。佩带着蓝牙耳机漫步街头也越来越被社会所接受，并提高了蓝牙在电话上的配售率。配售率逐年不断提高，耳机与移动电话搭配（“捆绑”）提供的情况越来越多，这也有助于运营商和手机厂商将其产品差异化。所有这些趋势均说明了一点：语音通话越来越依赖于蓝牙。

        随着蓝牙耳机使用率的提高，用户也开始要求其语音信号的质量达到固定电话的通话质量。所以，面对不断提高语音信号质量以及降低功耗等压力，本文旨在探讨解决这些问题的一种蓝牙技术方法。

蓝牙语音面临的难题

        在蓝牙无线链路上传输的信息“数据”有两种基本形式：异步数据和同步语音。异步意味着信息不需要以连续数据流的方式传输——只要所有数据能够达到目的地，并重新组合成原来的形式即可（例如对传输不敏感的图像），当图像数据被细分为数据块并在蓝牙链路处于安静模式时传输。至于语音流量，用户则不能容忍他们的各个部分通话内容在不同的时间抵达对方，或者通话内容被拆解。流畅而实时的信息（音频流）对于可用的语音连接非常重要。

        为此，蓝牙技术设计支持两种类型的空中接口：蓝牙技术规范包含支持数据流量的ACL（异步无连接）数据包和支持语音流量的SCO（同步面向连接）数据包。SCO属于电路交换技术，它提供对称同步业务，并在固定的时间间隔内预留时隙，因此适合对时间要求较高的数据，如语音。蓝牙技术规范还支持每个主设备拥有三个同步语音信道（SCO链路）。

        语音信道采用连续可变斜率增量调制（CVSD）语音编码方案，并且SCO规定数据包不得重传。蓝牙技术中选用CVSD CODEC，是因为它在处理丢失或损坏的语音样本时非常可靠。背景噪音越高，干扰水平就越高，而CVSD编码语音却可以接受误码率达4%的语音。

        当输出位显示预测值比输入波形大或小时（二进位制中，用1或0来表示值的变化），这种增量调制方案就会遵循波形。为了降低这种基本二进位方法的斜率过载效应，可以进行音节压扩：按照平均信号斜率调整步长。输入CVSD编码器的是每秒64k样本的线性PCM信号。

        蓝牙技术规范v1.2版寻求解决SCO连接的一些局限性：SCO的上下行码率为固定的64Kbps，并且不允许数据包重传。蓝牙v1.2推出扩展型SCO（eSCO）传输，允许损坏数据包的重传；这样可以提高SCO的传输质量，而SCO传输质量对于传输质量不一定是“二进位”的连接非常重要，例如音频或视频数据的传输。但是，尽管蓝牙目前支持重传功能，蓝牙语音数据包仍然通过默认的CVSD编码系统进行编码。这就给语音流量处理方式的改善留下了余地。

        举例来说，在第六代蓝牙技术中，CSR公司解决了CVSD作为语音流量编码方法的局限，引入了射频（特别是扫描技术）的各项改进内容，提高了灵敏度和传输功率。对手机制造商而言还有另外一个好处，即这些无线电改进项目极大地节省了功耗。

        在蓝牙上增加基于PCM的编码技术后，就能够降低语音和音频流量所需的数据速率，并提高潜在容量，或极大地降低蓝牙系统所需的功耗。蓝牙芯片市场的领导者CSR公司在其BlueCore6产品系列中实现了这一点，该系列产品于2007年9月上市。


        CSR公司开发的最领先的技术——AuriStream™，通过eSCO连接采用自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）CODEC来实现更高的音频质量，与通过标准SCO连接的CVSD编码信号相比，功耗可节省40%。随着蓝牙耳机应用的持续增长，更长的通话时间对于长途旅行的商务用户或重要的电话会议显得至关重要。

        ADPCM是一种众所周知并已被广泛接受的CODEC技术，它是CVSD的理想补充。后者能够处理误码，因此克服了蓝牙没有重传功能，只能依赖于SCO数据包来传输语音的不足。但是，eSCO能够探测误码并对数据包进行重传，所以没有必要再依赖CVSD了。

        ADPCM与CVSD的不同之处在于：它的取样速度慢，并能够发现样本之间的不同。ADPCM以32Kbps的较低速率（CVSD的速率为64Kbps）传输固定电话质量的信号，因此蓝牙传输器和接收器只需大约一半的运行时间。CSR公司的试验证明，该方法与所有其它蓝牙系统采用的CVSD编码技术相比，能够为蓝牙系统节省40%的功耗。

        在评估音频质量水平方面，平均意见得分（MOS）是一种普遍接受的ITU-T音频质量衡量标准，其中1代表最低质量而5代表最高质量（根据ITU的标准，得5分几乎是不可能的）。64Kbps的CVSD编码语音信号（不允许重试）的MOS得分为2.46；32Kbps码率的ADPCM CODEC（允许2次重试）的MOS得分为4.14。更为确切地说，如果采用ADPCM，可使蓝牙连接的语音通话达到更高的通话质量（就是说达到固定电话的通话质量）。

        ADPCM编码在质量方面还有其它的优点。在嘈杂的环境中，通过采用CSR公司BlueCore6采用了AuriStream技术的耳机与同样采用了AuriStream的手机相连接，可以使语音拨号变得更为精确，操作也更简单。

        因为CSR公司BlueCore6上采用的AuriStream可支持32Kbps速率的ADPCM（为CVSD的数据速率64Kbps的一半），所以还有潜力支持更多的语音信道。CVSD传统上支持三个同步SCO语音信道。虽然现在的蓝牙技术规范规定仅支持三个信道，但采用蓝牙增强型数据速率（蓝牙技术规范v2.0或v2.1，数据速率高达3Mbps）的32Kbps链路ADPCM，将有可能支持多达七个更高质量的eSCO信道。。

        当蓝牙设备需要与没有采用CSR公司AuriStream技术的蓝牙产品连接时，CVSD仍可提供支持。蓝牙技术规范中仍然批准CVSD。目前，只有采用BlueCore6技术的产品才能获益于CSR公司采用ADPCM的AuriStream技术。在与非AuriStream的蓝牙设备连接时，BlueCore6将退回到CVSD编码。

        蓝牙技术规范为语音通讯提供了一个坚实的基础。但是，想要使其产品获得最佳语音质量的设计者需要考虑的是：CSR公司采用ADPCM编码的AuriStream等其它技术的应用，能否使他们离自己的目标更近。