ТОП-5: Bluetooth аудио-кодеков — aptX + (HD), LDAC, AAC и SBC

Как выбрать, изменить, узнать Bluetooth кодек — на телефоне android?

1. Чтобы изменить Bluetooth кодек на любой из поддерживаемых на вашем телефоне, нужно активировать «Меню Разработчика».

Меню Разработчика, можно активировать вот так:

2. После, в меню разработчика, нужно найти «Аудиокодек для передачи через Bluetooth» и выбрать нужный кодек:

Выбираем нужный кодек — LDAC, aptX, aptX HD, AAC, SBC.

Что лучше: слушать музыку по проводу или через Bluetooth?

Ниже мы разберемся какой из распространённых Bluetooth-кодеков лучше и стоит ли слушать музыку по беспроводу в общем. Начнем с того, стоит ли слушать музыку «по воздуху»?

Основные понятия передачи звука по Bluetooth

Звук по Bluetooth сейчас передаётся через профиль A2DP. Это часть потока, специализированная под трансляцию аудио-сигнала.

Теоретически, этот профиль не имеет ограничений на занимаемую полосу передачи данных. Но существует ограничение для всего формата: не более 1 Мбит\с. Соответственно, несжатый звук даже формата CD (там битрейт около 1,4 Мбит\с) по Bluetooth передать невозможно.

Зачем же все эти ограничения? Энергоэффективность. Иначе не было бы возможности слушать беспроводные наушники по 20 часов. А если и была бы, то аккумуляторы ощутимо пригибали бы голову к земле. 😀

Беспроводные наушники в первую очередь – это удобство

Сигнал по Bluetooth «упаковывается» на источнике и «распаковывается» на конечном устройстве (наушниках, колонках и т. п.). Соответственно, оба устройства должны поддерживать кодек, по которому передаются данные. Или будет использован «младший» вариант.

Если ваш телефон поддерживает, например, LDAC (а он добавлен в Android, начиная с 8 версии на уровне ОС), а наушники только SBC, то прелестей высокого разрешения вы не почувствуете, передача будет идти по SBC.

Что такое битрейт, думаю, известно всем. Это количество бит, используемых для передачи данных в секунду. Чем он выше, тем, очевидно, лучше. Но тем больше требуется ресурсов, в частности, энергопотребления, места на диске и т. д.

Для оптимизации ресурсов уже давно используется сжатие: с потерями и без. Сжатие без потерь (lossless) использует алгоритмы, позволяющие уменьшить битрейт и размер файла без изменения оригинала. То есть, из lossless можно восстановить точную копию изначального несжатого файла.

Максимальный битрейт Bluetooth-кодеков

1. Когда нужно сильнее уменьшить битрейт и\или размер файла, он сжимается путём отбрасывания «несущественных» бит информации. То есть выбранный кодек по своим алгоритмам «решает», в каком диапазоне частот данных нет (или ими можно пренебречь), и откидывает их. Из полученного файла нельзя восстановить несжатый оригинал.
2. Алгоритмы у кодеков бывают разные: некоторые исключают только высокочастотные звуки, некоторые основываются на психоакустике. Для большинства разница между хорошим lossy треком и его lossless вариантом пренебрежительно мала или отсутствует.
3. Кроме «отбрасывания» при сжатии с потерями имеет место добавление «перекрывающих» блоков информации. Эта часть алгоритма имеет своей целью выравнивание сигнала и исправление ошибок квантования.

1. Частота дискретизации показывает, на какое количество «дискретных» отрезков делится аналоговый сигнал для записи в цифровом виде. Чем она больше, тем ближе «цифра» к оригиналу. Измеряется в герцах. Это понятие неразрывно связано с частотным диапазоном.
2. Человек слышит звуки от 20 Гц до 20 кГц. Было доказано, что для квантования (отцифровки) аудио-сигнала без потерь, частота дискретизации должна более чем в 2 раза превосходить частотный диапазон изначального аудио-сигнала. Соответственно CD-качества в 44.1 кГц вполне достаточно – от этого закона и отталкивались создатели формата.
3. Разрядность определяет, сколько бит необходимо для квантования каждого из упомянутых выше отрезков. Чем больше, тем лучше. Логично, что формат аудио (или кодек) считается тем лучше, чем выше у него битность и частота дискретизации. 16 бит и 44.1 кГц для CD против 24 бит и 88.2 (и больше) кГц для Hi-Res аудио.

Частота дискретизации

Уровень фонового шума определяет, когда полезный сигнал становится неотличим от «шума» алгоритма сжатия кодека, в данном случае. Чем ниже этот уровень, тем шире динамический диапазон конечного сигнала, тем более тихие звуки мы можем различить.

Пример: уровень шума LDAC 990 кбит\с

На графиках правильнее всего ориентироваться от самого верхнего пика, он может заглушить более тихие звуки. Важен не только уровень пиков, но и то, насколько они ровные («плотные»). Стандартные уровни фонового шума указаны на графиках пунктиром для 16-битного качества и верхней границей красной зоны для 24 бит.

Все кодеки «пытаются» сэкономить ширину потока. Кроме всех прочих ухищрений, шумы квантования по возможности выносятся в ВЧ диапазон выше 20 кГц. Человек этих звуков не слышит, поэтому алгоритм оправдан.

Показатель уровня принимаемого сигнала выступает в роли индикатора качества связи. Измеряется в дБм (децибел-милливатт). По вертикальной оси отложены потерянные секунды при воспроизведении звука.

• До -60 дБм – уровень, достаточный для передачи данных в реальном времени;
• На -70 дБм могут начинаться артефакты и прерывания;
• Ниже -80 дБм – ощутимые задержки и потери пакетов;

Качество соединения для разных кодеков

Если потери секунд (пакетов) начинаются на -80 дБм, значит при среднем расстоянии (от кармана до уха) от источника до приёмника (наушников) связь будет стабильной, почти без помех. Если раньше (-60, -70), то связь будет нестабильной: с обрывами и «заиканиями».

• Битность: 16 и 24 бит
• Частота дискретизации: 44.1 и 48 кГц
• Битрейт: 279 – 420 кБ\с (динамический, адаптивный)
• Задержка: 50-80 мс

Как можно понять из названия, aptX Adaptive имеет переменный битрейт (279 – 420 кБ\с), который автоматически адаптируется под окружающие условия и качество воспроизводимых файлов. Не особо понятно? Тогда чуть подробнее.

• Битрейт. Как видно, он ниже, чем у aptX (352 кБ\с) и у aptX HD (576 кБ\с). Однако, по заявлению производителя, Adaptive использует более эффективные алгоритмы сжатия, позволяющие получать хорошее качество звука при меньшем битрейте. Это можно проверить только на своём опыте. Ждём повсеместного внедрения. 😉
• Переменный битрейт. Можно отметить, что у LDAC, например, битрейт тоже не постоянный. Но там он может быть установлен (автоматически или вручную) только в трёх вариантах: 330 кБ\с, 660 кБ\с и 990 кБ\с. А у aptX Adaptive порогов изменения нет, битрейт может меняться и на 10 кБ\с, и на сотни – в рамках заявленного диапазона. То есть, настройка более тонкая.
• Зачем вообще нужен переменный битрейт? Для улучшения качества связи в зависимости от качества материала и окружающих условий. Кодек рассчитывает много параметров «на лету» и моментально подстраивает битрейт под них.

Pioneer SE-CL6BT поддерживают aptX

• Качество исходного материала. Если изначальный битрейт у файла низкий, то нет смысла «запаковывать» его в более высокий. Так, например, бывает когда простой aptX передаёт файл с битрейтом в 256 кБ\с, кодируя его в 352 кБ\с. То есть, идёт лишняя нагрузка на пропускную способность беспроводного соединения: можно было занять 256 кБ\с, а занято 352 кБ\с.
• Окружающие условия. Данный кодек подстраивается и под «загруженность» эфира. Он использует телефон для того, чтобы мониторить обстановку в эфире (в полосе частот, которые используются Bluetooth и другими беспроводными протоколами) и подстраивает битрейт соответственно. То есть, если помех нет, а файл хорошего качества, то выделяется максимальная полоса – 420 кБ\с. А если вокруг всё «забито», битрейт снижается автоматически, чтобы обеспечить качественную связь.
• Задержки. Adaptive обладает хорошими показателями: 50-80 мс. Это хуже, чем у aptX Low Latency (30-40 мс), но на слух в 95% случаев эта разница будет неотличима. И этот показатель значительно ниже средних 150-200 мс у других кодеков.

AptX HD почти покрывает слышимый человеком диапазон: «потолок» на 19 кГц. Результат вполне неплох, ведь мало кто, старше 25 лет вообще слышат что-то выше 18 кГц. Заявлена максимальная частота дискретизации в 48 кГц. Для кодирования тут, судя по всему, хватило бы и 40 кГц (19*2 = 38).

Частотный диапазон SBC, aptX, aptX HD

Максимальный битрейт aptX HD – 576 кбит\с. Соответственно, Hi Res звук битрейтом 4,5 Мбит\с сжимается в соотношении 8:1, а CD качество в 2,5 раза. При сжатии сигнал разделяется на 4 частотные полосы и квантуется 24 битами с переменной разрядностью.

Логично предположить, что передача звука CD-качества будет происходить с не очень большими потерями.

AptX HD по уровню фонового шума далёк от 24-битного аудио, особенно в высокочастотном диапазоне. Соответственно, есть искажения и шумы, которые могут «маскировать» тихие детали записей высокого разрешения. Ведь они рассчитаны на бОльший динамический диапазон.

Уровень фонового шума aptX HD

Зато почти по всему диапазону уровень шума соответствует параметрам CD-качества. Судя по всему, 16-битные записи через aptX HD слушать вполне комфортно, потери и искажения невелики.

Потери пакетов у aptx HD начинаются на -70 дБм, и довольно резко возрастают сразу после этой отметки. Надёжность соединения относительно невелика. Скорее всего, при прослушивании источника с небольшого расстояния (в кармане) проблем с передачей не будет. Но минимальные помехи (поворот головы, препятствие, другие беспроводные сети) могут очень легко вызвать «заикания» и прерывания музыки.

aptX HD – светло-красный график

Учитывая, что по битрейту данный кодек занимает больше половины полосы пропускания Bluetooth, результат ожидаем. Комфортное прослушивание, в принципе, возможно.

Частотный диапазон aptX слабо отличается от aptX HD. «Срезаются» только частоты выше 19 кГц. Максимальный битрейт – 352 кбит\с. Соответственно, сжатие файла CD-качества происходит в соотношении 4:1.

Частотный диапазон SBC, aptX, aptX HD

Кодек также, как и HD версия, делит звуковой диапазон на 4 полосы, квантование осуществляется с переменной глубиной до 16 бит.

Потери получаются ощутимые, впрочем, сопоставимые с хорошим mp3. А его далеко не все отличат от lossless на слух. 😉

AptX действительно даёт результат, близкий к 16-битному аудио. Особенно, если учесть среднестатистический слух и уровень громкости. Уровень фонового шума тут примерно на -12 дБ выше, чем у aptX HD.

Уровень фонового шума aptX

Через aptX вы услышите чуть меньше тихих звуков в записи, но сильных искажений и шумов при этом не будет.

AptX начинает «терять секунды» на -80 дБм, что говорит о стабильном соединении в среднестатистических условиях. Впрочем, потери резко увеличиваются после этого «порога». Ощутимые «заикания» начнутся тут раньше, чем, например, у SBC в аналогичных обстоятельствах.

aptX – тёмно-красный график

Стабильность связи тут ощутимо выше, чем у aptX HD, что может стать решающим в выборе кодека для передачи музыки.

SBC передаёт частотный диапазон вплоть до 19 кГц. Однако, искажений на верхней границе тут ощутимо больше, чем у кодеков линейки aptX. Максимальный битрейт в 320 кбит\с предполагает сжатие 16-битного звука в соотношении 4,4:1.

Частотный диапазон SBC, aptX, aptX HD

Интересно, что для отцифровки SBC делит частотный диапазон на 4-8 полос (в зависимости от версии), что зачастую больше, чем у aptX (HD).

При передаче по SBC «шумов» ощутимо больше, чем у других кодеков. На графике видны далеко отстоящие друг от друга пики, он не особо «плотный» на нижних частотах. Всё это говорит о разного рода искажениях. Кроме того, версий SBC много и качество они дают разное.

Уровень фонового шума SBC

«Потрескивания» и «заикания» были обязательными атрибутами в начале развития «беспроводного звука». Не в последнюю очередь тому причиной был SBC.

Потери пакетов по SBC начинаются на достаточном для стабильной связи уровне (-80 дБм). Тут с ним может соревноваться только AAC. Соединение будет надёжным, не смотря на большинство препятствий и помех. И лаги начнутся на внушительном расстоянии от источника.

SBC – светло-серый график

Существует три варианта работы LDAC – 3 разных битрейта: 990 кбит\с, 660 кбит\с и 330 кбит\с. Только первый даёт битрейт, аналогичный сжатому без потерь CD-качеству. Остальные 2 режима и близко не подобрались даже к CD, не говоря уже о Hi-Res.

Сжатие же Hi Res даже для приоритета качества составляет 4,5:1

Из графика видно, что в режиме приоритета качества LDAC достигает 47 кГц, что примерно соответствует Hi Res. Режим 660 кбит\с – только 30 кГц, что достаточно для CD-качества. А вот приоритет соединения выдаёт лишь 18 кГц, что даже ниже, чем у aptX. И, само собой, ниже, чем должно быть у CD-качества.

LDAC диапазон частот

Квантование сигнала осуществляется с переменной глубиной от 12 до 24 бит при разделении диапазона на 16 полос. Это наиболее точный алгоритм среди всех рассмотренных кодеков.

LDAC квантование на основе чувствительности слуха

По графикам видно, что в приоритете качества LDAC на части диапазона вполне соответствует стандартам 24 бит. Однако, на высоких частотах всё же немало шума, особенно в районе 15 кГц. Режим 660 кбит\с на ВЧ местами даёт больше шума, чем должно быть даже для 16-битного качества. В режиме приоритета соединения LDAC показывает себя даже хуже, чем стандартный SBС, что явно не соответствует звуку высокого разрешения.

По уровню фонового шума можно сделать вывод, что LDAC соответствует CD-качеству в двух из трёх режимах. 990 кбит\с приближаются к стандартам Hi Res, но не соответствуют им, особенно, если брать высокочастотный диапазон.

Из графика понятно, что LDAC в приоритете соединения, как и другие кодеки «низкого разрешения» (SBC, AAC и даже aptX) начинают терять пакеты только при -80 дБм. То есть, нужно большое расстояние или препятствия для потерь пакетов.

LDAC – три синих графика

Остальные режимы LDAC начинают терять пакеты гораздо раньше, на уровне -60 дБм, а aptX HD – на -70 дБм. Что говорит о нестабильности передачи. Учитывая, что измерение было проведено на расстоянии от кармана до уха, стабильность LDAC в режиме приоритета качества оставляет желать лучшего.

AAC на Huawei P20 Pro «срезает» ВЧ очень рано: около 14 кГЦ. Эти частоты слышат даже совсем немолодые люди, если не было проблем со слухом. Samsung Galaxy Note 8 (через AAC) ограничивает верхний порог до 17 кГц. Но iPhone 7 справляется лучше: около 19 кГЦ.

Верхняя граница частотного диапазона AAC

Битрейт у данного кодека самый низкий: всего 252 кбит\с. Это говорит о весьма ощутимом сжатии звука. Впрочем, тут интересна реализация.

На графике видно, что уровень фонового шума при использовании AAC у Huawei P20 Pro и Galaxy Note 8 ощутимо выше, чем у iPhone 7. В промежутках между пиками (тестовыми сигналами) видно, что AAC хорошо отфильтровывает места, где «звуковой информации» нет.

Уровень шума AAC

Алгоритмы, используемые в AAC, учитывают психоакустику. Громче всего тестовый звук на 1 кГц (в этом диапазоне наш слух наиболее чувствителен), и шум вокруг него также наиболее высокий. Получается, что кодек AAC «маскирует» более тихие звуки на одной и той же частоте под более громкими: чем громче звук, тем выше фоновый шум.

AAC даёт наиболее качественное соединение. Судя по графику, даже чуть лучше, чем SBC. Учитывая низкий битрейт, это неудивительно.

AAC – тёмно-серый график