Bluetooth проблемите: как отказът от 3,5 мм жак доведе до тоталното объркване на безжичния звук

През 2016 година Apple за пореден път учуди света, като представи iPhone 7 без стандартното 3,5 мм гнездо. Корпорацията от Купертино обясни този свой ход с това, че това гнездо пречи на създаването на качествена защита от вода. Дали това е така или не е можем да спорим много, но с тази си стъпка Apple подтикна развитието на безжичните слушалки и активно участва в този процес с различните модели AirPods.

И така към днешен ден липсата на стандартно 3,5 мм гнездо в смартфона вече не изглежда нещо необичайно. Използването на 3,5 милиметровия жак намаля, а на пазара започна масовото предлагане на безжични слушалки с всякакви форми и размери. Могат да бъдат закупени съвсем евтини модели, каквито са например Xiaomi AirDot, предлагащи минимум възможности и посредствено качество, както и флагманските Sony WH-1000XM4 с цена на топ смартфон, които предлагат отлично погасяване на шумовете и имат многобройни настройки.

Но с прехода към Bluetooth звук се появи нов проблем: при свързването на безжичните слушалки, към някое устройство, единственото което можем да кажем е, че звук ще има. Но неговото качество и латентност могат да бъдат твърде съмнителни. За да се реши този проблем се налага да се потопим в ада на Bluetooth кодеците. Да започваме.

SBC – много добър стандартен кодек, който бе погубен от драйверите

Разбира се, при създаването на какъвто и да било стандарт за обмен на данни – в нашия случай звук, е необходимо да бъде създадена неговото базова и достъпна за всички реализация. Именно по този начин се появи Bluetooth кодека SBC (SubBand Codec). Той има минимални изисквания към хардуера и с него могат да работят дори съвсем обикновените мобилни телефони с бутони. Този кодек работи с базов психоакустичен модел и позволява много промени. Той е безплатен и отворен, и е достъпен от вече над 15 години. Това би трябвало да направи останалите кодеци просто ненужни, ако не бе едно ‘но’.

При 99% от компютърните устройства, този кодекс е твърдо настроен към битрейт 328 Kb/s. За сравнение, стандартното CD Audio с 16 бита и 44,1 KHz има четворно по-висок битрейт – малко над 1,4 Mb/s. Като резултат от това, дори и при слушането на стрийм музика с ниско качество, този битрейт вече не е достатъчен и психоакустиката започва да изрязва горните честотни диапазони – всичко над 16-18 KHz и в този тесен битрейт дава предимство на по-ниските честоти, които всички чуват. Като резултат от това, при слушането на различни музикални произведения с по-широк диапазон – например, женски вокал, качеството на звука може осезателно да падне. Което е причината SBC кодекът традиционно да се счита за неподходящ за качествена музика.

Масло в огъня налива и това, че много производители на безжични слушалки просто не настройват DSP (Digital Signal Processing) в своите устройства за този кодек. Чипът DSP в слушалките подготвя звука непосредствено преди неговото възпроизвеждане и може да бъде накаран да върши много неща – например, именно DSP процесорът е отговорен за погасяването на шумовете. И още, той е състояние частично да поправя грешките на другите кодеци с мощта на еквалайзер. И докато производителите на слушалки регулират звука и настройват своите устройства за работа с различните  AAC или AptX кодеци, никой нищо не прави със SBC. Дори и Sony в своите аудиофилски решения от серията WH-1000XM не се занимава със SBC и дори няма какво да говорим за по-опростените безжични слушалки.

В крайна сметка SBC звучи още по-зле на фона на уж съвременните кодеци. Но има един любопитен момент – той може да звучи дори по-добре дори и от AptX HD с битрейт от 576 Kb/s. Не е сложно – този кодек може да се мащабира в много широки предели и неговият теоретически максимум е малко над 1,5 Mb/s – тоест той може да прехвърля дори и CD Audio без компресия! Само че в твърде шумния 2,4 GHz диапазон за подобна скорост може само да се мечтае, а и далеч не всички слушалки я поддържат. Но повечето предлагани решения на пазара могат да работят със SBC при битрейт 400-600 Kb/s.

Битрейтът от около 500 Kb/s е напълно достатъчен, за да не започне психоакустиката да реже каквито и да било честоти и на теория SBC внася по-малко изкривявания в звука сравнение с новите кодеци на Qualcomm (да AptX е техен). Но всичко бе погубено от драйверите – нито във Windows, нито в macOS и iOS няма начин за промяна на стандартния битрейт от 328 Kb/ в посока нагоре. Така нареченият SBC HD с висок битрейт се предлага само за Android със специализирания фърмуер LineageOS. Ето защо този нелош кодек бе погубен от драйверите.

През 2020 година все още не можем да слушаме Bluetooth стерео при включен микрофон на слушалките

Навярно всички са забелязали, че при отговор на позвъняване с поставени безжични слушалки, качеството на звука осезателно пада. Причината е, че слушалките влизат в режим на безжични монитори (HFP, Hands-Free Profile). В този режим те могат да подават звука от микрофона на слушалките към смартфона, само че в този случай смартфонът започва да подава моно звук. Разбира се, за разговор това е достатъчно – за ясното разпознаване на човешката реч не е необходимо стерео. Но през 2020 година ние сме свикнали да разговаряме и едновременно с това да слушаме музика или да играем. В този случай плоският моно звук с ниско качество разваля всичко.

Ето защо, ако искате да слушате качествена стерео музика и едновременно с това да общувате с помощта на микрофона, налага се да използвате външен микрофон – например този на смартфона. Подобна ситуация се наблюдава при стандартния профил A2DP (Advanced Audio Distribution Profile) със SBC или по-съвременен кодек. Но така губите свободата на движение. Това ограничение бе логично – в началото на века, когато Bluetooth звукът се зараждаше, безжичните слушалки се използваха само за разговори, а изчислителната мощност на слабичките процесори в слушалките не бе достатъчна за едновременната работа със стерео звук и микрофон.

Но съвременния свят, в който слушалките поддържат сложни математически кодеци, каквито са например AAC или LDAC, предлагащи погасяване на шумовете и още много други неща, напълно е възможно да бъде разширен профилът A2DP по такъв начин, че да работи само със стерео звук. Уви, засега това не се прави и при всяко позвъняване, качеството на звука рязко се влошава.

AptX – маркетинговият кодек, който стана популярен

Често пъти се случва така, че на един нов пазар, лидер става не този, който е представил най-доброто решение, а този, който първи е представил някакво решение. Такава е ситуацията с кодека Apt-X, разработен от професор Стивън Смит от Кралския университет на Великобритания още през 1980-те години за бързо подаване на качествен звук към различната преносима апаратура от това време и въобще за бърз запис на качествен звук. По-късно правата за тогавашния все още Apt-X са закупени от CSR, която направи този кодек безжичен и го преименува в AptX. Оттогава тази компания с удоволствие продава този кодек на всички.

Основната идея на AptX е CD Audio предаване с почти оригинално качество. Според спецификациите, постигната е компресия 4:1, но битрейтът е до 352 Kb/s при 16 бита и 44,1 KHz. Ясно е, че не се осигурява въпросното ‘почти оригинално качество’ – максималната компресия без загуби не превишава 2:1, така че при използването на AptX все пак има загуба на данни. Но доколко голяма е тази загуба? Да се спрем върху това.

Тъй като AptX е чисто математически кодек, който винаги покрива целия честотен диапазон до 22 KHz, може да ни се стори, че би трябвало да е по-добър в сравнение със SBC, който нерядко реже високите честоти. Уви, на практика това съвсем не е така. Основният принцип на този кодек е квантуването – тоест, използването на точно определен брой битове за всеки поддиапазон. И така, за звуците с честоти от 0 до 5500 Hz се използват 8 бита, от 5500 до 11 000 – 4 бита, от 11 000 до 16 500 и от 16 500 до 22 000 – по два бита.

Това е основната красота на този кодек: 16 бита ни дават повече от достатъчен за нашите уши звуков диапазон от 96 децибела. Но 2 бита дават само 12 децибела – това е съвсем малко и шумовете на високите честоти би трябвало много отчетливо да се чуват. Но доктор Смит не е бил глух и още по-малко глупав, понеже е решил, че не е необходимо всеки път са се отчитат абсолютните значения на този диапазон, както се прави при обичайната PCM модулация. Той е използвал ADPCM модулацията, при която се пресмята само разликата (делтата) между текущия и предишния семпъл. По този начин дори в два бита могат да се ‘натикат’ пълноценни 96 децибела. Само че, както навсякъде в безжичния звук, и ток има едно ‘но’.

Да се получат всичките 96 децибела е възможно само в най-добрия случай. В реалността динамичния диапазон при високите честоти може да се свие до 40-50 децибела, за да се подобри ситуацията. В AptX се използват специални таблици за корекция на ADPCM, които са обучени с помощта на определен брой тракове. Тоест, колкото е по-близо вашата музика към тази, която е използвана от специалистите на CSR, толкова по-високо ще бъде качеството на звука.

В най-лошия случай, когато се възпроизвежда само една нота с определена честота, а на другите честоти няма сигнал и е тихо, шумът се чува съвсем ясно. Ако имате слушалки с AptX, то усилете малко силата на звука и чуйте клипа по-долу там, където са по високите честоти (над 7 KHz). Ще има моменти в които заедно с пищенето ще чуете и звук, който много прилича на сипещ се пясък. Да, това са въпросните шумове на квантуването:

В същата ситуация, но при използването на SBC кодека, няма никакви шумове. Ето как един древен и опростен кодек изпреварва маркетинговия AptX. Разбира се, при повечето реални музикални произведение тези шумове не се чуват – там ADPCM се справя напълно търпимо. Но тук има един друг проблем: често използваният битрейт от около 300 Kb/s не е достатъчен за качествена музика дори и от стрийм услугите. А като се има предвид, че AptX не може да изключва рядко използваните диапазони, както прави SBC, то той започва да внася големи изкривявания.

От друга страна, съвременните DSP процесори в слушалките прилагат оптимизации за AptX и освен това използват еквалайзери за някои честотни диапазони. По този начин звукът предаден с помощта на кодека на Qualcomm наистина звучи по-добре от ‘стандартния’ SBC. Но като цяло и двата кодека осигуряват сравнимо качество на звука и изобщо не може да става дума за ‘почти CD Audio’, както твърди маркетинговият отдел на компанията.

Край на първа част. Във втората и последна част ще разгледаме латентността на безжичните кодеци и бъдещето на Bluetooth звука