古老無線再升級深入了解藍牙5．0技術(shù)

藍牙由4到5的進化

藍牙（Bluetooth）是一項誕生于1998年的“古老”無線技術(shù)，但它真正被人廣泛認(rèn)知的時間點，則要被推遲到2007年藍牙2.0/2.1+EDR標(biāo)準(zhǔn)的推廣。隨著PC無線網(wǎng)卡的更新，以及智能手機進入4G時代，藍牙技術(shù)則經(jīng)歷了從4.0→4.1→4.1→5.0的更新（圖1），所以在探討藍牙5.0之前，咱們還是應(yīng)該重新回顧一下藍牙4.x的特色。

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“Bluetooth Smart”（智慧藍牙），它加入了革命性的BLE協(xié)議部分，并在高度集成的設(shè)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?？梢哉f，從藍牙4.0開始，它往后的藍牙版本都開始致力于針對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行優(yōu)化升級（圖2）。

藍牙4.1標(biāo)準(zhǔn)于2013年推出，它解決了藍牙技術(shù)對4G信號有所干擾的隱患，同時還支持IPv6，可同時發(fā)射/接收數(shù)據(jù)（即同時連接多臺設(shè)備），單包數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笾狄矎?0字節(jié)上調(diào)到23字節(jié)，提升了15%的數(shù)據(jù)傳輸率。

2014年底發(fā)布的藍牙4.2標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)據(jù)傳輸指標(biāo)（可以理解為帶寬）從4.1時期的23字節(jié)提升到255字節(jié)，可容納的數(shù)據(jù)量提升了10倍有余，從而使數(shù)據(jù)傳輸速度提升了約2.5倍。此外，藍牙4.2對設(shè)備間的秘鑰管理更加嚴(yán)苛，可避免被中間人破解密鑰的事件發(fā)生，同時還允許藍牙設(shè)備通過IPv6通道進行聯(lián)網(wǎng)，讓各種穿戴式、IoT設(shè)備之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步和聯(lián)動（圖3）。

藍牙5.0的進化

藍牙5.0標(biāo)準(zhǔn)誕生在2016年，它較藍牙4.2（LE低功耗藍牙）實現(xiàn)了速度、距離和連接性方面的質(zhì)變（圖4）。從官方給出的具體指標(biāo)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米的距離后信號就已經(jīng)很微弱了）、2倍的傳輸速度（從1Mbps提升到2Mbps）、8倍的廣播數(shù)據(jù)傳輸量（可同時對多臺藍牙音頻設(shè)備輸出音頻信號，從而更容易架設(shè)環(huán)場音效）。此外，藍牙5.0增添了導(dǎo)航功能，配合無處不在的Wi-Fi和藍牙信號可以實現(xiàn)精準(zhǔn)度接近1米的室內(nèi)定位。

藍牙5.0還可以算是針對IoT設(shè)備量身定制的新一代無線標(biāo)準(zhǔn)，它的功耗比藍牙4.2更低，并對物聯(lián)網(wǎng)進行了很多底層優(yōu)化，比如引入了藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（Mesh Networking）技術(shù)（圖5），它打破了傳統(tǒng)藍牙設(shè)備間“一對一”的配對，轉(zhuǎn)變成“多對多”的信號傳輸模式，可以使藍牙5.0設(shè)備相互作為信號中繼站（類似于電力貓），從而將藍牙信號傳遞到無限遠（理論上）。

并不順利的普及之路

作為一項非?！敖o力”的無線技術(shù)，早在2017年初藍牙5.0技術(shù)就已經(jīng)“入駐”智能手機領(lǐng)域。但是，直到2018年底.藍牙5.0卻依舊沒能在豐機圈中普及.這又是為什么呢？

藍牙5.0屬于可選項

就手機處理器平臺（SoC）很多人都存在一個誤區(qū)，以為SoC是在單芯片上就集成了包括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(nèi)的很多模塊，都是以獨立芯片的形式共存于同一塊PCB主板之上的，因此一款SoC的理論參數(shù)并不代表手機可以實現(xiàn)的實際參數(shù)（圖6）。

比如，高通從驍龍636開始就已經(jīng)加入了對藍牙5.0技術(shù)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Note 5等極少數(shù)產(chǎn)品（圖7），其他手機卻大都采用驍龍636和藍牙4.2芯片搭配的方式（圖8）。原因很簡單，藍牙5.0技術(shù)并非手機的“剛需”，而藍牙5.0芯片的成本也要高于藍牙4.0芯片，所以在過去的很長一個時期，絕大多數(shù)手機廠商都對藍牙5.0“不感冒”。

華為/榮耀就是不著急推廣藍牙5.0的手機廠商代表之一，無論是搭載麒麟970的上代旗艦Mate 10/P20，還是搭載麒麟710的新機榮耀8X，哪伯麒麟970和麒麟710理論上都支持藍牙5.0，但上述手機的藍牙標(biāo)準(zhǔn)卻還停留在4.2時期。目前，該品牌旗下只有Mate 20系列、榮耀Magic 2/榮耀V20等搭載麒麟980的新品才剛剛正式引入藍牙5.0技術(shù)。

52audio曾整理過截至2018年10月支持藍牙 5.0的手機列表（圖9），雖然不算特別全，但也能印證一點—藍牙5.0并沒有在智能手機領(lǐng)域普及，它依舊是少數(shù)中高端手機的專利。

市場需求還待培育

藍牙5.0之所以沒能出現(xiàn)爆發(fā)式增長，除了藍牙5.0芯片成本較高以外（圖10），最大的制約因素還是在于市場需求不夠旺盛，因為藍牙技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ胀ㄓ脩舳赃€是比較局限。

比如，藍牙傳輸速度再快，能有Wi-Fi快？各種分享APP可以構(gòu)建無線熱點通道，輕松實現(xiàn)超過20MB/s的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境;藍牙傳輸距離再遠，有人就該擔(dān)心風(fēng)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(fā)展，但IOT是個啥很多用戶心里卻還沒有概念……

因此，在藍牙5.0還沒有殺手級應(yīng)用環(huán)境之前，手機廠商持謹(jǐn)慎的推廣態(tài)度就在情理之中了。好消息是，隨著參與藍牙5.0芯片研發(fā)的廠商越來越多（如高通、CSR，德州儀器、意法半導(dǎo)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（圖11），是最有可能引爆藍牙5.0技術(shù)的“導(dǎo)火索”。

來自藍牙5.0耳機的機會

由于Phone的“示范效應(yīng)”，越來越多的高端Android手機也流行取消3.5mm耳機孔的設(shè)計，想聽歌要么選擇USB Type-C接口的有線耳機（或USB Type-C轉(zhuǎn)3.5mm轉(zhuǎn)接線），要么就只能搭配藍牙耳機使用了。而藍牙5.0技術(shù)，則有助于提升藍牙耳機的體驗，并進一步刺激更多用戶優(yōu)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(biāo)準(zhǔn)都能向下兼容，所以購買藍牙5.0耳機時不必?fù)?dān)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?shù)浇K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(xiàn)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(jiān)測等功能，藍牙5.0可以讓上述功能變得更加行云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(xù)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（圖12）。實際上，“雙耳通話”并不是藍牙5.0的專利，包括AirPods在內(nèi)的很多藍牙4.x耳機就已經(jīng)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，雙耳通話并不受藍牙版本的限制，只能說絕大多數(shù)藍牙5.0芯片都會將雙耳通話納入標(biāo)準(zhǔn)功能，而藍牙4.x芯片想要實現(xiàn)這一功能需要多費一番功夫，比如AirPods所使用的W1芯片內(nèi)除了內(nèi)置藍牙解碼模塊之外還同時集成了一顆Wi-Fi芯片，從而使得AirPods并不需要占用兩個藍牙信道即可完成同步，最終實現(xiàn)雙耳通話的效果。

藍牙5.0對音質(zhì)的增益

藍牙耳機由于和手機之間沒有線纜相連，所以其音質(zhì)的好壞基本就取決于耳機自身的品質(zhì)。當(dāng)我們使用藍牙耳機聽歌時都是如下流程（圖13）：

1.手機內(nèi)的Codec（編譯碼器）或者DAC（數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器）對MP3等格式的音頻文件進行解碼并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號;

2.手機通過藍牙，基于A2DP協(xié)議將數(shù)字信號壓縮，再通過無線的形式發(fā)送給藍牙耳機;

3.藍牙耳機接收到壓縮后的數(shù)字信號后，通過耳機內(nèi)集成的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片將其解碼并轉(zhuǎn)換成模擬信號;

4.耳機內(nèi)部的信號放大芯片將模擬信號進行放大，并傳輸?shù)蕉鷻C內(nèi)的發(fā)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，想要實現(xiàn)高音質(zhì)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(dǎo)）和LDAC（索尼主導(dǎo)），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(zhì)。好消息是，高通和索尼為了推廣自家的技術(shù)，分別將aptX和LDAC開源給了谷歌，只要Android系統(tǒng)升級到8.0或更高就能加以支持（PC方面需要Windows 10系統(tǒng)），不過手機端想使用aptX還需要搭配高通旗下的驍龍移動平臺（其他硬件平臺需要高通授權(quán)）（圖14）。

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自身并沒有針對音頻做出什么優(yōu)化，但它更高的帶寬和傳輸速率方面的優(yōu)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。

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915.0。想體驗aptX HD或LDAC技術(shù)的高音質(zhì)，除了手機端存在系統(tǒng)限制（Android 8.0）以外，手機中播放的音樂文件本身也必須是無損格式的，同時耳機端的藍牙芯片也需要得到aptX日D或LDAC的授權(quán)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(shù)的藍牙耳機售價都不便宜。當(dāng)手機和耳機都滿足上述條件時，就能在系統(tǒng)中選擇需要的藍牙音頻編碼器的版本了（圖15）。如果編碼器為灰色不可選（圖16），就說明手機或耳機至少有一端不支持這些編碼器。

小結(jié)

無論你需不需要，藍牙5.0已經(jīng)成為了發(fā)展趨勢，2019年會有更多的手機和耳機將其納入標(biāo)準(zhǔn)功能。雖然藍牙5.0有著非常好的理論指標(biāo)，但現(xiàn)階段其最直觀的好處就是信號穩(wěn)定性、低能耗和低延遲，有利于提升藍牙耳機的聲音表現(xiàn)。但是，正如前文所述，藍牙5.0并不等于好音質(zhì)，它還需要耳機端的藍牙芯片支持更先進的aptX日DtpLDAC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(zhàn)干元的藍牙4.2耳機，依舊是個笑話。