BLE_Audio技术及其...视互动应用中的实时音频通信_徐乐研.pdf

2023年第47卷第4期142通 信 电 声通 信 电 声ommunication ElectroacousticsC文献引用格式：徐乐研.BLE Audio 技术及其在电视互动应用中的实时音频通信 J.电声技术，2023，47（4）：142-146.XU L Y.BLE audio technology and its real time audio communication in TV interactive applicationsJ.Audio Engineering，2023，47（4）：142-146.中图分类号：TN929.5 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2023.04.040BLE Audio 技术及其在电视互动应用中的 实时音频通信徐乐研（上海市浦东新区融媒体中心，上海 201315）摘要：随着智能电视的普及和电视观看体验的不断提升，用户对于更方便、更自由的音频传输方式的需求日益增加。蓝牙低功耗音频（BluetoothLowEnergyAudio，BLEAudio）技术是一种基于蓝牙低功耗（BluetoothLowEnergy，BLE）标准的无线音频传输技术，由 BLE 技术升级而来，为音频设备提供高质量的无线音频传输，同时具有低功耗、低延迟和简单的设备连接特性。BLEAudio 技术适用于各种应用场景，包括耳机、音箱、智能家居系统以及可穿戴设备等。基于此，详细分析 BLE、BLEAudio 技术以及 BLEAudio 技术在电视互动场景中的应用。关键词：蓝牙低功耗（BLE）；BLEAudio；无线音频传输BLE Audio Technology and Its Real Time Audio Communication in TV Interactive ApplicationsXULeyan(ShanghaiPudongNewAreaIntegratedMediaCenter,Shanghai201315,China)Abstract:WiththepopularizationofsmartTVandthecontinuousimprovementofTVviewingexperience,usersdemandformoreconvenientandfreeaudiotransmissionisincreasing.BLEAudio(BluetoothLowEnergyAudio)technologyisawirelessaudiotransmissiontechnologybasedontheBluetoothLowEnergy(BLE)standard.ItisupgradedfromBLEtechnologytoprovidehigh-qualitywirelessaudiotransmissionforaudiodevices,whilealsohavinglowpowerconsumption,lowlatency,andsimpledeviceconnectioncharacteristics.BLEAudiotechnologyissuitableforvariousapplicationscenarios,includingheadphones,speakers,smarthomesystems,andwearabledevices.ThisarticleaimstostudyandanalyzeBLEandBLEAudiotechnology,aswellastheapplicationofBLEAudiotechnologyintelevisioninteractivescenes.Keywords:BluetoothLowEnergy(BLE);BLEaudio;wirelessaudiotransmission1 BLE 技术简介蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy,BLE）技术由蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group，SIG）于 2010 年发布，即 BLE4.0 版本。该技术的发布使得蓝牙技术在低功耗应用和设备领域有了重大突破，并为可穿戴设备、物联网和其他相关领域的发展提供了更好的支持。与经典蓝牙不同，BLE将 2.4 GHz 的 ISM 频段进行重新划分，一共分成了40 个信道。其中 3 个是广播信道，另外 37 个作为面向连接的通信信道。BLE 采用了一种称为广播（Broadcast）和连接（Connection）的带宽管理方式。在广播模式下，设备可以广播信息以供其他设备接收，而不需要建立连接。这对于低功耗的应用非常有效，因为设备只需要在需要传输数据时才建立连接，而在其他时间可以进入低功耗模式以节省能量1。BLE 使用通用属性（Generic Attribute，GATT）协议来定义设备间的数据交换格式。GATT 协议基于服务和特征的概念，其中服务表示设备提供的功能，而特征表示服务的具体属性或数据。通过 GATT 协议，设备可以交换数据并执行各种操作。BLE 技术提供了一系作者简介：徐乐研（1982），男，本科，工程师，研究方向为广播电视技术。2023年第47卷第4期143Communication ElectroacousticS通 信 电 声通 信 电 声列的安全和隐私机制，以保护通信数据的安全性。它支持加密、身份验证和数据完整性等功能，确保设备间的通信是安全可靠的。这使得 BLE 成为物联网、智能家居系统、健康监测和可穿戴设备等领域的理想选择。2 BLEAudio 技术简介BLE4.0 版本的不足之处在于适合传输的数据量太小，而且广播信道容易受到其他无线通信的干扰。针对这些不足，SIG 随即发布了 BLE4.2 和BLE5.0，支持更大的数据传输量、更远的传输距离，另外扩展了广播信道的定义，可以在 BLE4.0 的非广播信道上传输扩展广播包，减少了通信干扰。2020 年 1 月，蓝牙联盟推出蓝牙 5.2 标准。该 标 准 新 增 了 LE Isochronous 信 道 的 定 义。LE Isochronous信道适合传输对实时性要求比较高的场合。除了核心的 5.2 规范之外，蓝牙联盟还定义了一系列的上层协议。这些协议构成了完整的 BLE Audio 协议栈。BLE Audio 的优势之一是其低功耗特性。与已有 20 多年的 Classic Audio（经典音频）技术相比，BLE Audio 在传输音频时消耗更少的能量，因此可以延长设备的电池寿命。这使得 BLE Audio 成为诸如耳机、音箱和智能手表等便携式设备的理想选择。BLE Audio 的连接和配对过程相对也比较简单，用户可以通过简单的配对步骤将 BLE Audio 设备连接到支持 BLE 的主设备，如智能手机或平板电脑。这使得用户可以更轻松地使用和切换设备。蓝牙 5.2 核心规范定义了面向连接的同步信道（Unicast）以及无连接的广播同步信道（Broadcast）。面 向 连 接 的 同 步 信 道 需 要 先 建 立 Connected Isochronous Group（CIG）连接，然后再建立同步信道。每个 CIG 最多可以包含 31 个 Connected Isochronous Stream（CIS）。可以认为，每个 CIS 对应了一个音频设备，实际数据传输的时间点为 CIS event，它们的时间关系如图 1 所示。无连接的广播同步信道不需要建立连接，属于单向广播通信，没有设备数量限制。无连接通信需要先创建 Broadcast Isochronous Group（BIG）。同样地，每个 BIG 也会包含多个 Broadcast Isochronous Stream（BIS），每个 BIS 都是单独的音频流。它们的时间关系如图 2 所示。3 BLEAudio在电视音频传输中的应用3.1 高质量音频分享BLE Audio 分享既可基于个人，也可基于位置。借助个人音频分享功能，可将电视连接到无线耳机，也可以让智能音箱支持多房间同步播放、多用户共享等功能，在提供语音交互的同时提供远程控制等服务2-3。本方案有以下两种实现方式。3.1.1 电视与耳机建立 GATT 连接，使用 unicast方式传输音频该方案下，耳机作为 Unicast Server 端，注册Audio Stream Control Service 服 务 以 及 Published Audio Capabilities Service 服务，耳机发出可连接的扩展广播包，打开电视，使用遥控器在设置界面搜索耳机发出的广播包，然后发起连接。连接建立成功之后，还需要进行配对加密操作。配对完成后，电视作为 Unicast 客户端，开始读取耳机端支持的音频参数等信息，配置耳机端的音频参数，建立 Connected Isochronous Stream，开始传输音频数据。双方交互的流程如图 3 所示。xx图 1 面向连接的同步信道各参数的时间关系2023年第47卷第4期144通 信 电 声通 信 电 声ommunication ElectroacousticsC图 3 耳机与电视连接交互过程3.1.2 手机作为电视助手，耳机无须与电视建立连接该方案需要使用手机作为第三方辅助设备。手机作为 Broadcast Assistant，电视作为 Broadcast Source，耳机作为 Broadcast Sink 以及 Scan Delegator。首先控制电视进入广播音频流状态，然后打开耳机。耳机发出可连接的扩展广播包，手机需要和耳机建立 GATT 连接。之后，手机获取耳机注册的Published Audio Capabilities Service 以 及 Broadcast Audio Scan Service 两个服务，得到耳机支持的音频参数以及当前的状态信息。手机开始扫描电视发出的广播音频流，得到电视的音频流参数信息，通过 GATT 协议控制耳机与电视建立广播同步，然后耳机就可以接收电视广播的音频数据了。该交互流程如图 4 所示。图 4 电视、手机和耳机的交互过程另外，通过手机本身的交互端特性，还可以极大增强现有融媒体产品在大小屏联动功能上的用户体验。比如，让收看同一信号的不同观众以线性时间参与互动留言；结合用户的健康监测设备，还能够更加科学地收集和分析用户在节目喜好上的特征数据，进行更加客观的收视行为统计。如果利用 BLE Audio 基于位置的音频分享特性，还能够开辟全新的概念和应用。例如，利用健身房、剧院、影院、会议中心和机场等公共场所的公共信息电视屏，用户通过手机及个人收听设备可以自主选择愿意接受哪个广播音频频道，在支持多语言模式的同时，还可以划定广播音频的开放或验证，从而提升访客的使用体验。3.2 音频远程控制与通信BLE Audio 还可以在连接到智能音箱或智能手机等设备后，实现音频远程控制。用户可以使xxxxxx图 2 广播同步信道各参数的时间关系2023年第47卷第4期145Communication ElectroacousticS通 信 电 声通 信 电 声用智能音箱或智能手机上的应用程序来控制电视的音量、均衡、空间音频、声场模拟以及播放/暂停等功能，无需使用电视遥控器。这种无线控制的便利性使得用户能够轻松地调整电视音频的个性化设置，甚至完成空间音频模拟计算改变声场听感。另外，通过语音识别模块，可以将语音识别、蓝牙数据与系统控制集成起来，系统设计结构如图 5 所示。使用语音识别之前，耳机需要先与电视建立BLE Audio unicast 连接。连接建立完成之后，耳机端麦克风采集语音信号，通过语音编码模块将语音信号编码成 BLE Audio 支持的 LC3 格式，通过蓝牙硬件发送给电视。电视端收到蓝牙数据之后，可以同时送到语音解码模块和语音识别模块。之后，喇叭播放控制者的语音指令，语音识别模块识别出对应的语音指令之后，发给控制中心，由控制中心做进一步的指令分类，分发给对应的应用程序以响应控制指令4-5。3.3 集合到虚拟现实应用虚拟现实（Virtual Reality，VR）是一种通过计算机生成的交互式、模拟的三维环境，让用户能够身临其境地感受和探索虚拟世界。虚拟现实技术利用头戴式显示器（Head-Mounted Display，HMD）、追踪设备、感知技术和交互装置等，创造沉浸式体验。蓝牙 BLE Audio 技术在虚拟现实中同样有着广泛的应用场景。例如，通过 VR 头盔与电视、投影等影音设备，联动构建一个虚拟的场景。该场景可以是教育培训类、互动游戏类、商务会议类、多语言电影类等等，利用 BLE Audio 的低延迟传输优势，完成实时体验。根据具体的使用场景，VR 头盔与电视可以有 unicast 和 broadcast 两种连接方式。unicast 方式适合交互类的场景，如教育培训、互动游戏、商务会议等；broadcast 方式适合单向通信场景，如多语言观影。对于 unicast 场景，用户可以使用电视作为场景中心，与朋友一起远程观看同一个节目，玩同一个互动类的游戏，或者在一个会议室里与远程办公室创建会议，由头盔创建虚拟场景，使用 BLE Audio传输语音数据。unicast 的系统拓扑结构分为两种。其中，蓝牙音频一对一场景如图 6 所示，多对多场景如图 7 所示，电视端的系统流程如图 8 所示。对于 broadcast 场景，电视作为音频源，发送包含了多语种语音的广播音频数据，每个语音作为一个单独的 BIS 流。头盔作为接收端，可以选择自己偏好的语言，提升个体个性化体验，完成多语言场景的会议同声传译。broadcast 的系统拓扑结构如图 9 所示。耳机端应用 1应用 2应用 3电视端麦克风控制中心喇叭耳机喇叭语音解码模块语音解码模块语音编码模块语音编码模块蓝牙系统软件蓝牙系统软件蓝牙硬件模块蓝牙硬件模块蓝牙无线传输图 5 耳机与电视系统通信结构蓝牙音频蓝牙音频头盔头盔电视电视以太网图 6 蓝牙音频一对一场景2023年第47卷第4期146通 信 电 声通 信 电 声ommunication ElectroacousticsC图 9 电视蓝牙音频广播拓扑结构4 结 语随着技术的发展，BLE Audio 技术提供的低功耗、高质量的无线音频传输会适用于越来越多的场合。BLE Audio 技术增加了灵活性和便利性，支持多设备互联，实现了个性化的音频体验，这使得用户能够更好地享受无线音频内容，并且在各种设备之间自由切换，满足个体个性化的需求。参考文献：1邹文婷.低功耗蓝牙广播技术及其在智能交互中的应用实例 J.电视技术，2022，46（5）：34-37.2韩丹，周祖荣.BLE 技术在智能家居中的应用浅析 J.科技视界，2015（2）：9-10.3柏海如，刘伟.一种基于 BLE 蓝牙技术实现智能终端通信系统集成 J.数字通信世界，2023（1）：58-61.4唐嘉.基于 BLEMesh 协议智能家居典型设备设计与实现 D.武汉：华中科技大学，2022.5倪俊杰，刘宗凡，邱元阳，等.蓝牙：我们可以这样用 J.中国信息技术教育，2021（3）：68-74.编辑：郭芳园图 7 蓝牙音频多对多场景图 8 电视系统流程图