知识科普:深入了解蓝牙5.0无线技术

作为最古老的无线传输技术之一,蓝牙如今已经迭代更新到了5.0版本,绝大多数新款手机和蓝牙耳机,也都将蓝牙5.0技术列入了标配选项。那么,和我们更熟悉的蓝牙4.x相比,蓝牙5.0都有了哪些改变?它又能为蓝牙外设带来多少喜人的进化?

蓝牙由4到5的进化

蓝牙(Bluetooth)是一项诞生于1998年的“古老”无线技术,但它真正被人广泛认知的时间点,则要被推迟到2007年蓝牙2.0/2.1+EDR标准的推广。随着PC无线网卡的更新,以及智能手机进入4G时代,蓝牙技术则经历了从4.0→4.1→4.1→5.0的更新,所以在探讨蓝牙5.0之前,咱们还是应该重新回顾一下蓝牙4.x的特色。

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在蓝牙3.0时代,蓝牙技术联盟曾带来过HS(High Speed)高速协议,允许移动设备之间借道Wi-Fi通道实现24Mbps的传输速度。而从蓝牙4.0开始,我们所接触的蓝牙设备大都主打低功耗蓝牙(BLE,如蓝牙4.2LE),速度和功耗的平衡才是蓝牙未来的发展方向。面对大量低功耗且结构紧凑型设备的需求,芯片制造商正逐渐将主控制器和射频等功能集成在一颗单芯片里,形成了BLE SoC再提供给客户使用。

蓝牙4.x的变化

和早期的蓝牙版本相比,蓝牙4.0曾被官方称为“Bluetoothsmart”(智慧蓝牙),它加入了革命性的BLE协议部分,并在高度集成的设备中增加了低功耗的物理层和链路层,具备更省电、成本低、低延迟、连接距离增加和AES-128加密等特性。可以说,从蓝牙4.0开始,它往后的蓝牙版本都开始致力于针对物联网设备进行优化升级。

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蓝牙4.1标准于2013年推出,它解决了蓝牙技术对4G信号有所干扰的隐患,同时还支持IPv6,可同时发射/接收数据(即同时连接多台设备),单包数据传输的最大值也从20字节上调到23字节,提升了15%的数据传输率。

2014年底发布的蓝牙4.2标准,它主要在传输速度和安全性方面做出了较大的改进。蓝牙4.2的最大单包数据传输指标(可以理解为带宽)从4.1时期的23字节提升到了255字节,可容纳的数据量提升了10倍有余,从而使数据传输速度提升了约2.5倍。此外,蓝牙4.2对设备间的秘钥管理更加严苛,可避免被中间人破解密钥的事件发生,同时还允许蓝牙设备通过IPv6通道进行联网,让各种穿戴式、IoT设备之间实现数据的同步和联动。

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蓝牙5.0的进化

蓝牙5.0标准诞生在2016年,它较蓝牙4.2(LE低功耗蓝牙)实现了速度、距离和连接性方面的质变。

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从官方给出的具体指标来看,蓝牙5.0较之蓝牙4.2可以带来4倍的传输距离(300米,但这只是理论值,要知道蓝牙4.2在超过10的距离后信号就已经很微弱了)、2倍的传输速度(从1Mbps提升到2Mbps)、8倍广播数据传输量(可同时对多台蓝牙音频设备输出音频信号,从而更容易架设环场音效)。此外,蓝牙5.0增添了导航功能,配合无处不在的Wi-Fi和蓝牙信号可以实现精准度接近1米的室内定位。

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蓝牙5.0还可以算是针对IoT设备量身定制的新一代无线标准,它的功耗比蓝牙4.2更低,并对物联网进行了很多底层优化,比如引入了蓝牙网状网络(meshnetworking)技术,它打破了传统蓝牙设备间“一对一”的配对,转变成“多对多”的讯号传输模式,可以使蓝牙5.0设备相互作为信号中继站(类似于电力猫),从而将蓝牙信号传递到无限远(理论上)。

并不顺利的普及之路

作为一项非常“给力”的无线技术,早在2017年初蓝牙5.0技术就已经“入驻”智能手机领域。但是,直到2018年底,蓝牙5.0却依旧没能在手机圈中普及,这又是为什么呢?

蓝牙5.0属于可选项

就手机处理器平台(SoC)很多人都存在一个误区,以为SoC是在单芯片上就集成了包括CPU、GPU、ISP、Modem、Wi-Fi、蓝牙、电源管理等所有模块。实际上,包括Modem、Wi-Fi、蓝牙、电源管理在内的很多模块,都是以独立芯片的形式共存于同一块PCB主板之上的,因此一款SoC的理论参数并不代表手机可以实现的实际参数。

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小提示

同样是蓝牙5.0芯片,也会根据客户的需求,在功能和性能上出现差异化,比如为了追求低功耗长待机而取消对双模、高清协议的支持。

比如,高通从骁龙636开始就已经加入了对蓝牙5.0技术的支持,但市面上搭载骁龙636且支持蓝牙5.0的手机却仅限红米Note5等极少数产品,其他手机大都却采用骁龙636和蓝牙4.2芯片搭配的方式。

市场需求还待培育

蓝牙5.0之所以没能出现爆发式增长,除了蓝牙5.0芯片成本较高以外,最大的制约因素还是在于市场需求不够旺盛,因为蓝牙技术的应用领域对普通用户而言还是比较局限。

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比如,蓝牙传输速度再快,能有Wi-Fi快?各种分享APP可以构建无线热点通道,轻松实现超过20MB/s的数据传输环境;蓝牙传输距离再远,有人就该担心风险了——偷手机的贼都离开地铁站了,戴着蓝牙耳机听歌的你却还没有任何察觉;蓝牙5.0虽然可以助力IoT的发展,但IoT是个啥很多用户心里却还没有概念……

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因此,在蓝牙5.0还没有杀手级应用环境之前,手机厂商持谨慎的推广态度就在情理之中了。好消息是,随着参与蓝牙5.0芯片研发的厂商越来越多(如高通、CSR、德州仪器、意法半导体、Nordic、Dialog、东芝和炬力等),蓝牙5.0的猎装门槛也在逐渐下降。相对来说,新一代类似苹果AirPods蓝牙耳机,是最有可能引爆蓝牙5.0技术的“导火索”。

来自蓝牙5.0耳机的机会

由于iPhone的“示范效应”,越来越多的高端Android手机也流行取消3.5mm耳机孔的设计,想听歌要么选择USB Type-C接口的有线耳机(或USB Type-C转3.5mm转接线),要么就只能搭配蓝牙耳机使用了。而蓝牙5.0技术,则有助于提升蓝牙耳机的体验,并进一步刺激更多用户优先挑选支持蓝牙5.0功能的手机和耳机。

蓝牙5.0对功能的改进

蓝牙标准都能向下兼容,所以购买蓝牙5.0耳机时不必担心没有匹配的手机搭配使用。蓝牙5.0凭借更高的带宽可以将语音指令传输到终端的速度从90ms缩减到40ms左右,因此它对耳机的功能有着很大的帮助。比如现在很多蓝牙耳机都集成了语音助手、手势控制、主动降噪、健康监测等功能,蓝牙5.0可以让上述功能变得更加行云流水而没有半分延迟的感觉。此外,蓝牙5.0模块的耗电更低,可以再度延长蓝牙耳机的续航时间。

需要注意的是,很多类似AirPods的蓝牙5.0对耳耳机(两个耳机分离,没有线缆相连)在宣传中都会主打“双耳通话”功能(通话时两边耳机都能出声),给人一种好像只有蓝牙5.0才能享用这一特殊功能的错觉。

实际上,“双耳通话”并不是蓝牙5.0的专利,包括AirPods在内的很多蓝牙4.x耳机就已经支持双耳通话功能了,而以捷波朗臻律为代表的蓝牙5.0耳机反而只能单边(右边)出声。

可见,双耳通话并不受蓝牙版本的限制,只能说绝大多数蓝牙5.0芯片都会将双耳通话纳入标准功能,而蓝牙4.x芯片想要实现这一功能需要多费一番功夫,比如AirPods所使用的W1芯片内除了内置蓝牙解码模块之外还同时集成了一颗Wi-Fi芯片,从而使得AirPods并不需要占用两个蓝牙信道即可完成同步,最终实现了双耳通话的效果。

蓝牙5.0对音质的增益

蓝牙耳机由于和手机之间没有线缆相连,所以其音质的好坏基本就取决于耳机自身的品质。当我们使用蓝牙耳机听歌时都是如下流程:

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1.手机内的Codec(编译码器)或者DAC(数字模拟转换器)对MP3等格式的音频文件进行解码并转换成数字信号;

2.手机通过蓝牙,基于A2DP协议将数字信号压缩,再通过无线的形式发送给蓝牙耳机;

3.蓝牙耳机接收到压缩后的数字信号后,通过耳机内集成的数模转换芯片将其解码并转换成模拟信号;

4.耳机内部的信号放大芯片将模拟信号进行放大,并传输到耳机内的发声单元处,最终输出适合人耳聆听的声音。

问题来了,蓝牙的带宽(传输速率)有限,理论上很难直接输出CD级别的音频信号,想要实现高音质就只能从“如何更高效利用已有带宽”的方面入手。为此,使用蓝牙耳机听音乐时需要先将音频信号进行音频编码(压缩),也就是听歌流程中的第二个步骤。

目前常见的蓝牙音频传输格式由弱到强依次为SBC、AAC、aptX/aptX HD(高通主导)和LDAC(索尼主导),其中只有aptX HD和LDAC才能做到真正的“无损”,带来接近Hi-Fi的完美音质。好消息是,高通和索尼为了推广自家的技术,分别将aptX和LDAC开源给了谷歌,只要Android系统升级到8.0或更高就能加以支持(PC方面需要Windows10系统),不过手机端想使用aptX还需要搭配高通旗下的骁龙移动平台(其他硬件平台需要高通授权)。

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理论上,蓝牙4.2的传输速率(1Mbps)就足以满足aptX HD和LDAC编码的需求了,因为LDAC编码最高也只支持24bit/96kHz的990kbps音频传输。但是,从用户实际的反馈来看,支持LDAC的蓝牙4.2耳机存在一定的延迟和卡顿问题,唯有蓝牙5.0才能完美适配。因此,虽然蓝牙5.0自身并没有针对音频做出什么优化,但它更高带宽和传输速率方面的优势,却可令其有效地消除蓝牙耳机和有线耳机之间的物理传输瓶颈。

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需要注意的是,想体验蓝牙5.0,需要手机端和耳机端都支持蓝牙5.0。想体验aptX HD或LDAC技术的高音质,除了手机端存在系统(Android 8.0)限制以外,手机中播放的音乐文件本身也必须是无损格式的,同时耳机端的蓝牙芯片也需要得到aptX HD或LDAC的授权才可以,而这是一笔不小的费用,所以市面上支持这两大技术的蓝牙耳机售价都不便宜。当手机和耳机都满足上述条件时,就能在系统中选择需要的蓝牙音频编码器的版本了,如果编码器为灰色不可选,就说明手机或耳机至少有一端不支持这些编码器。

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小结

无论你需不需要,蓝牙5.0已经成为了发展趋势,2019年会有更多手机和耳机将其纳入标准功能。虽然蓝牙5.0有着非常好的理论指标,但现阶段其最直观的好处就是信号稳定性、低能耗和低延迟,有利于提升蓝牙耳机的声音表现。但是,正如前文所述,蓝牙5.0并不等于好音质,它还需要耳机端的蓝牙芯片支持更先进的aptX HD和LDAC解码,同时还得配合更好的喇叭单元。百元的蓝牙5.0耳机就想挑战千元的蓝牙4.2耳机,依旧是个笑话。

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