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【技術(shù)專欄】泰凌微電子藍(lán)牙低功耗音頻應(yīng)用流程分析 —— Headset

泰凌微電子 ? 來源:未知 ? 2023-11-08 08:40 ? 次閱讀

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背景介紹

藍(lán)牙低功耗音頻(Bluetooth LE Audio,以下簡(jiǎn)稱:LE Audio)代表著下一代智能音頻設(shè)備的功能趨勢(shì),LE Audio技術(shù)基于藍(lán)牙核心規(guī)范5.2版本引入的連接同步數(shù)據(jù)流(Connected Isochronous Stream,簡(jiǎn)稱CIS)傳輸特性。CIS基于設(shè)備間建立的低功耗藍(lán)牙ACL連接,在相連設(shè)備間建立固定時(shí)間間隔(ISO Interval)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的雙向數(shù)據(jù)流傳輸通道。由Central(手機(jī)、電腦或平板等)發(fā)起的CIS是CIG (Connected Isochronous Group)的成員,每個(gè)CIS對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的音頻流,每個(gè)Central設(shè)備可以有多個(gè)CIG。

耳麥(headset)是耳機(jī)(headphone)與麥克風(fēng)(microphone)的整合體。實(shí)際上就是耳機(jī)跟麥克風(fēng)整合成為一體,通常Headset的耳機(jī)是播放立體聲音頻,麥克風(fēng)采集單聲道音頻。本文主要介紹基于LE Audio的Headset應(yīng)用流程分析。

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Headset場(chǎng)景圖

2

Ellisys抓包流程分析

Headset的音頻源設(shè)備通過CIG的CIS來傳播音頻數(shù)據(jù),Headset端發(fā)送可連接的擴(kuò)展廣播(EA),Central端掃描到Headset端設(shè)備信息后先跟其建立ACL連接,兩端交互LE Audio的音頻能力以及配置ASE端點(diǎn),然后再由Central發(fā)起建立CIS連接。

擴(kuò)展廣播:

  • ADV_EXT_IND PDU——擴(kuò)展廣播PDU

  • AUX_ADV_IND PDU——輔助廣播PDU

  • AUX_CHAIN_IND PDU——輔助鏈廣播PDU(可選)

ADV_EXT_IND PDU在37,38,39主頻段進(jìn)行廣播,它的擴(kuò)展頭字段包含一個(gè)AuxPtr字段,其中包含使其能夠與輔助AUX_ADV_IND PDU同步的數(shù)據(jù)。ADV_EXT_IND PDU的AuxPtr字段指向AUX_ADV_IND,即AuxPtr的值指向ADV_EXT_IND PDU廣播所在的其余0~36個(gè)頻段中的一個(gè)。

wKgZomVK2g2AZV2aAACkPrHthK4338.png

AUX_ADV_IND PDU包含一個(gè)Adv Data字段,其中包含Appearance、RSI(Resolvable Set Identifier)、ASCS(Audio Stream Control Service)、CAS(Common Audio Service)和TAMS(Telephony and Media Audio Service)。Appearance聲明Headset設(shè)備外觀,RSI聲明支持CSIS(Coordinated Set Identification Service),TMAS聲明設(shè)備支持Call Terminal和Unicast Media Receiver。

wKgZomVK2g6AZJL3AADyOk31TZU840.png

ASE狀態(tài)機(jī)簡(jiǎn)介

ASCS中定義了Audio Stream Endpoint(簡(jiǎn)稱 ASE) ,ASE又分為Source ASE和Sink ASE,其狀態(tài)機(jī)流轉(zhuǎn)分別如下圖所示,包含以下幾個(gè)狀態(tài):

  • Idle——待機(jī)態(tài),初始化默認(rèn)處于Idle狀態(tài)。

  • Codec Configured——音頻參數(shù),如采樣率、位寬、幀長(zhǎng)等配置完成。

  • QoS Configured——連接參數(shù),如PHY、Retransmit Num、Max Transport Latency等配置完成。

  • Enabling——使能態(tài),client和server之間的CIS開始建立或者已經(jīng)建立完成。

  • Streaming——流狀態(tài),音頻流建立完成,音頻數(shù)據(jù)可以在client和server之間傳遞。

  • Releasing——釋放態(tài),音頻資源釋放,該狀態(tài)是一個(gè)中間態(tài),可通過除Idle態(tài)外的任何一個(gè)狀態(tài)進(jìn)入。

  • Disabling——失效態(tài),音頻流停止,該狀態(tài)只是一個(gè)中間態(tài),可通過Receive stop ready操作退回到QoS Configured狀態(tài)。需要注意:該狀態(tài)只有Source ASE才擁有。

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Source ASE狀態(tài)機(jī)流轉(zhuǎn)圖

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Sink ASE狀態(tài)機(jī)流轉(zhuǎn)圖

接下來通過抓包來更加直觀的觀察上述的的音頻流過程:

首先挑選一個(gè)ADV_EXT_IND PDU包,通過AuxPtr可以同步到它指向的AUX_ADV_IND PDU所在的頻段11和偏移位置1.02ms。

wKgZomVK2g6AVHe5AAGeilGHYh4881.png

然后通過AUX_CONNECT_REQ和AUX_CONNECT_RSP進(jìn)行ACL連接,完成加密和服務(wù)發(fā)現(xiàn)等流程,包括下面要介紹的ASE交互流程。

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Central端發(fā)現(xiàn)Headset端Sink和Source支持的音頻能力,包括采樣率、采樣周期、編碼方式等參數(shù)。Sink音頻能力是Headset的音頻播放(揚(yáng)聲器),Source音頻能力是Headset的音頻采集(麥克風(fēng)),下圖Source支持的詳細(xì)音頻參數(shù),Sink端與其類似。

wKgZomVK2g-AH_B4AAY7ECPrTPk555.png

這部分通過抓包詳細(xì)解析CIS配置流程:

下圖為CIS配置抓包的完整流程,1是Codec Config流程,2是QoS Config流程,3是建立CIS連接通道,4是Enabling流程,5是Streaming流程。下面詳細(xì)分析每個(gè)流程的具體內(nèi)容。

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1、Central端對(duì)Headset端上下行的Codec進(jìn)行配置,包括上行MIC采樣率16kHz、下行雙聲道音頻采樣率48kHz,幀長(zhǎng)10ms、位寬16bits等參數(shù),Headset端會(huì)回復(fù)是否配置成功。

wKgZomVK2g-ALXYVAAIpgIVbclQ661.png

2、Central端對(duì)Headset端上下行的QoS進(jìn)行配置,包括2M的PHY、Retransmision Number為13,Max Transport Latency為40ms等參數(shù),Headset端會(huì)回復(fù)是否配置成功。

wKgZomVK2g-AdR99AAGAIDqL4gM386.png

3、Central端發(fā)起CIS Request進(jìn)行CIS的建立流程,包括ISO Interval為10ms,Sub Interval為1.410ms和開始建立CIS的錨點(diǎn)等參數(shù)。

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4、Central端發(fā)起Enable控制命令,Headset端回復(fù)Enabling成功,回復(fù)Sink ASE和Sourc ASE端Enabling的ASE ID、CIS ID等參數(shù)。

wKgZomVK2g-AX5jtAAEC7zU7Fdw839.png

5、Central端發(fā)起Enable控制命令,Headset端回復(fù)Streaming成功,回復(fù)Sink ASE和Sourc ASE端Streaming的ASE ID、CIS ID等參數(shù)。

wKgZomVK2hCABJpwAADtrQF6-mo932.png

3

結(jié)合代碼分析CIS音頻流建立過程

下面我們結(jié)合Telink的b91_ble_audio_sdk中的LE Audio的應(yīng)用代碼來解析一個(gè)CIS音頻流建立過程:

  • CIS Audio服務(wù)配置,以及ASE Sink和ASE Source的音頻能力參數(shù)配置表

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wKgZomVK2hCAaIGZAABj302FsoU955.png

  • 設(shè)置擴(kuò)展廣播,參數(shù)設(shè)置可以對(duì)應(yīng)上面抓包

wKgZomVK2hCAEweBAALUN7F0lEo555.png

  • 注冊(cè)profile事件回調(diào)函數(shù)表,下圖僅列出對(duì)應(yīng)ASE Sink和ASE Source配置流程的一些回調(diào)函數(shù)

wKgZomVK2hCAQZmoAAARJj5hLKk638.png

wKgZomVK2hGAW9osAAB1IiKWhvc061.png

  • 設(shè)置codec的默認(rèn)參數(shù)

wKgZomVK2hGAMJDRAABW1c_8UG8555.png

擴(kuò)展廣播配置完成后會(huì)在ble協(xié)議棧運(yùn)行起來后開始廣播。Central設(shè)備在掃描到廣播后進(jìn)行ACL連接,并在完成ASE流程后發(fā)起CIS流程建立。

  • 數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送處理

wKgZomVK2hGAR7Q3AAAOmmbxvaI072.png

wKgZomVK2hKAZhgoAAARoMsVfAQ998.png

將代碼燒錄到Telink B91 EVK,支持CIS的手機(jī)打開藍(lán)牙即可搜索到"tlk_le_headset"設(shè)備,點(diǎn)擊連接即可與手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,或者采用配套的dongle進(jìn)行通信測(cè)試。

4

展望

藍(lán)牙5.2 LE Audio技術(shù)將極大擴(kuò)展無線音頻的應(yīng)用場(chǎng)景。藍(lán)牙5.2帶來的無線多重串流音頻技術(shù),將從根本上改變?nèi)藗儗?duì)無線音頻技術(shù)的使用習(xí)慣,為用戶帶來全新的體驗(yàn),也為用戶和市場(chǎng)帶來無限可能。如果需要Ellisy抓包日志歡迎聯(lián)系我們。

關(guān) 于 泰 凌

泰凌微電子致力于為客戶提供一站式的低功耗高性能無線連接SoC芯片解決方案,包括經(jīng)典藍(lán)牙,藍(lán)牙低功耗,藍(lán)牙Mesh,Zigbee,Thread,Matter,Apple HomeKit,Apple“查找(Find My)”,和私有協(xié)議等低功耗2.4GHz多協(xié)議無線連接系統(tǒng)級(jí)芯片和豐富的固件協(xié)議棧。公司產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于智能照明,智能家居/樓宇,智能遙控,無線外設(shè),智能零售,穿戴設(shè)備,無線音頻,智能玩具,物流追蹤,智慧城市等各類消費(fèi)和商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中。

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