CEVA Bluebud Streams 无线立体声低功耗蓝牙音频设计延长了电池寿命

divine

CEVA Bluebud Streams 无线立体声低功耗蓝牙音频设计延长了电池寿命




CEVA 的 Bluebud 是实现所谓的真正无线立体声 (TWS) 耳机的交钥匙解决方案。该知识产权 (IP) 解决方案支持经典蓝牙以及蓝牙SIG去年批准的低功耗蓝牙5.2音频（LE 音频）规范。由于早期的蓝牙规范仅允许配对单个发射器和接收器，无线行业采用 TWS 来描述使两个耳塞能够传输立体声音频的专有技术。LE 音频标准引入了一种基于同步信道的新方法，允许音频源向无限数量的接收器广播一个或多个流。

LE 音频设备可以更轻松地分离左右信道或以不同的语言同步广播。允许其中的几个设备共享同一个信号源可以实现新的应用，比方说，让体育酒吧的顾客选择他们想看的比赛，用几种语言向航空公司的乘客传递信息，以及向带助听器的观众播放电影或戏剧作品的音频。

Bluebud 套件结合了多个可获许可的 CEVA 内核和一个完整的软件栈。如图 1 所示，该硬件使用一个单核处理器CEVA BX1 DSP 来运行蓝牙协议、应用程序代码和音频编解码器。处理器可以独立运行，主机 CPU 接口是可以选配的。DSP 可与CEVA RivieraWaves 产品线中的蓝牙基带配合使用，支持经典蓝牙和 BLE 5.2。Bluebud 硬件和软件 IP 现在可以获得许可。



图1 CEVA Bluebud IP

全套方案包括蓝牙基带、BX1 DSP、电源管理单元和标准音频接口。客户可以添加 CEVA或第三方射频前端 IP。模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC) 必须单独许可。

小型 DSP 运行音频和神经网络

CEVA 的 BX1 是一款 11 级流水、四路 SIMD/VLIW 的DSP；它也可以用来运行通用代码（请参阅 MPR 2/4/19“CEVA's BX Hybrid Boosts DSP Engine”）。自发布该设计以来，CEVA将其Core Mark性能提高到每兆赫 4.4 ，与 Arm 的 Cortex-M55相当（请参阅 MPR 3/9/20“Cortex-M55 Supports Tiny-AI Ethos”）。

DSP 有多种乘累加运算 (MAC) 单元：一个或两个 32x32 bit MAC和四个 16x16 bit MAC。这四个16*16 bit MAC还可以执行 16x8 和 8x8 位 MAC。BX1 支持可选的半精度、单精度和双精度浮点单元，如图 2 所示。数据和指令缓存也是可选的，缓冲区 (B) 和队列 (Q) 管理器也是可选的，它们连接到自定义加速器。独立的 B 和 Q 管理器使任务能够在加速器上运行，而不会消耗 DSP 资源。



图2 CEVA BX1 DSP

11 级 SIMD/VLIW 设计作为 Bluebud 的主计算引擎，还提供一个或两个 32x32 位 MAC 单元和四个 16x16 位 MAC 单元。

Bluebud IP 套件带有电源管理单元 (PMU) 和音频外设接口。要完成射频，设计人员必须单独授权或集成他们自己的音频模数转换器和数模转换器（ADC 和 DAC）、调制解调器和射频前端 (RFFE)。CEVA提供用于台积电 40 nmULP 技术制造的 RF前端IP，但客户可以从第三方获得硬 IP 许可。例如，瑞士研究组织 CSEM 提供22nm的 RF前端 IP。在这种 IC 设计中，Bluebud 处理器仅消耗 0.5 平方毫米，不包括数据转换器、内存和 RFFE。

Bluebud 软件包括音频编解码器、驱动程序、TWS耳机参考应用程序和 RTOS。除了立体声编解码器外，Bluebud 还附带了可改善语音通话的编解码器，适用于仍使用手机进行语音通话的场景。同时还提供适用于运动手表和智能手机的健康类的profile。

设计人员可以选择使用 CEVA SenslinQ 软件平台方便地添加其他功能选项，包括 3D 音频的集成。它甚至还提供一个图形均衡器，可以让用户根据自己的喜好调整声音。CEVA的 ClearVox 软件可进行回声消除和降噪处理，MotionEngine Hear 可处理传感器融合和触控，而 WhisPro 提供了声纹识别和基于神经网络的语音识别功能。该 IP 支持 TensorFlow Lite Micro 框架，因此客户可以快捷的部署自己的神经网络模型。

溯本清源在批准 LE 音频标准之前，设备制造商实施了各种解决方法来实现 TWS 耳机的功能。经典蓝牙的高级音频分配模式 (A2DP) 定义了传输立体声内容的数据包结构，但由于它是严格的点对点协议，接收耳机必须将信号转发到另一个耳机，如图 3(a) 所示。每个耳机只能对一个信道进行解码。这种技术对于通过有线连接的左/右扬声器来说已经足够了，但是由于两个无线耳机不同步，信道间延迟会破坏立体声声像。



图3 实现 TWS 耳机的方法

制造商在无线立体声耳机中采用了多种专有方法。与经典蓝牙 A2DP 转发方法相比，Qualcomm AptX双发方式 的电池寿命延长了 70%，而 Apple 的“监听”方法则延长了 28%。但是，使用新的 LE 音频标准，Bluebud 可以将电池寿命延长 80%。

如图 3(b) 所示，Qualcomm 率先使用了两个声道分离传输。因为这种技术消除了同步问题，所以它产生的立体声效果比经典蓝牙更好。但是，它是专有的，并且两个发射器可使传输功率翻倍。为从中受益，发射器和接收器都必须具有配备 AptX 的无线电；否则，设备必须回到转发模式。

图 3(c) 显示了 Apple 为其 AirPods 开发的技术（请参阅 MPR 10/24/16“Apple W1 Processor Powers AirPods”）。这款手机使用单个点对点 A2DP 传输，但左右耳机作为主/从设备对工作。通过采用双向链路，主设备使从设备能够“监听”自己的数据包的传输，而不是等待主设备转发它们。这种专有技术不需要额外的发射功率，但主/从设备链路对于同步至关重要。因此，AirPods 有一个天线杆，可以让链路穿过用户的下颚，而不是从耳道穿过大脑的密集路径。

对于 Bluebud，CEVA 开发了一种称为优化中继转发的技术，如图 3(d) 所示。它类似于原始的 A2DP 技术，但接收器仅使用蓝牙低功耗协议转发必要的单声道数据包。与 Apple 的 AirPods 一样，两个耳机通过双向控制信号同步播放。经过优化中继器在耳机之间产生的延迟小于 5 微秒，从射频到音频播放的延迟小于 20 毫秒，确保音频和视频显示同步。相比之下，Qualcomm 为其 aptX 技术声明了 40 毫秒的延迟。

为了平衡左右耳机之间的功耗，Bluebud 实现了自动角色切换功能，定期地交换主从耳机的职责。CEVA 使用参考芯片和模拟的方式来比较 Bluebud 与每个经典蓝牙替代品的节能效果。Bluebud 的电池寿命与 AirPods 大致相同，比 A2DP 的运行时间长 22%。尽管 Qualcomm 的技术将耳机的电池寿命延长了 70%，但它需要消耗更大的手机功率。AptX 通过消除使用微型电池的耳机之间的传输来实现更长时间的续航。对于 LE 音频传输，Bluebud 的电池寿命至少比经典方法长 80%。

感知成为现实

CEVA 通过集成其目录中的组件来开发 Bluebud 硬件，但软件栈是一个更大的挑战。现成解决方案必须支持蓝牙产品中出现的多种音频格式和设备配置。除了实现经典和新的 LE 音频协议之外，Bluebud 软件还包括一整套编解码器、应用程序配置文件和用户界面功能。

所有蓝牙产品都采用经典 A2DP 标准，该标准采用子带编码 (SBC) 编解码器，对传输速率高达 345kbps 的立体声信号进行有损压缩。尽管蓝牙 SIG 将 A2DP 传输描述为“高质量”，但压缩率仅为光盘比特率的四分之一，可能会降低保真度。

为了提高保真度，许多蓝牙芯片供应商和设备制造商使用替代编解码器，有些是免许可的，有些是专有的（例如 Qualcomm 的 AptX — 请参阅 MPR 8/21/17“Qualcomm Makes Play for Audiophiles”）。由 Fraunhofer Institute 开发的 MP3 编解码器是第一个实现心理声学（或感知）模型的，通过利用人类听觉的局限性来降低文件大小和带宽要求。此类模型会主动压缩大多数人听不到的元素，例如低幅高频音调，但它们对更容易听到的中频音调应用较少的压缩。自 Apple 首次将心理声学压缩用于 iPod 以来，发烧友们就一直在争论心理声学压缩的可感知性，但大多数听众没有注意到这种差异。

很少有蓝牙设备采用 MP3 编解码器，但许多设备使用其后继产品：免许可的高级音频编码 (AAC)。Apple 在 AirPods 和 iPhone 中实现了 AAC，尽管 250kbps 的数据速率较慢，但对该格式进行解码需要比 SBC 更多的算力和内存。由于 AAC 消耗更多功率，一些 OEM 返回去 使用SBC。Bluebud 软件包括一个采样率转换器，可以处理源设备和接收设备之间的这种差异。

除了这些传统编解码器外，Bluebud 还提供了所有 LE 音频设备都必须实现的新型低复杂度通信编解码器 (LC3)。LC3 是一种感知编解码器，支持 16 位、24 位和 32 位采样位宽以及无限数量的声道。它支持 8kHz、16kHz、24kHz、32kHz、44.1kHz 和 48 kHz 采样率，7.5 毫秒或 10 毫秒帧长。10 毫秒帧的码率为 16-320kbps；对于 7.5 毫秒帧，它是 21-427kbps。BlueBud 支持新规范的数据包丢失隐藏 (PLC) 技术，该技术消除了不可用数据和损坏帧的影响。

警惕音频的误区

蓝牙 SIG 使用 ITU 标准音频系统小缺陷主观评估方法对 LC3 进行了测试，并将其与以相同比特率运行的 SBC 进行了比较。在使用 160–345kbps 比特流进行测试时，LC3 的主观评分范围为 4.4 到 4.8 分（满分 5.0），如图 4 所示。4.0 等级表示压缩是可感知的，但不令人烦躁，5.0 表示与（非特定）参考没有明显的差异。SBC 在最大采样率下的最高得分为 4.1。



图4 比较蓝牙 LE 音频和经典编解码器

新的 LC3 编解码器以与经典 SBC 编解码器相同的采样率工作，可提高主观评估的保真度。它还为低比特率提供了卓越的保真度。（数据来源：Force Technology SenseLab）

新的 LC3 编解码器以与经典 SBC 编解码器相同的采样率工作，可提高主观评估的保真度。它还为低比特率提供了卓越的保真度。（数据来源：Force Technology SenseLab）

尽管这些测试表明 LC3 提供的感知模型在主观上优于其前代产品，但不幸的是，它也重现了几十年来的音频压缩的误区。自从近 40 年前第一张 CD 上市以来，一些批评者将傅里叶变换和奈奎斯特采样定理视为假新闻。Harry Nyquist 证明，以信号最高频率的两倍采样足以精确再现原始波形，但这些批评者继续声称，超过 16 位的量化和更高的采样率将捕获缺失的细节。

通过支持 24 位和 32 位音频样本以及 48kHz 采样频率，LC3 编解码器超越了 CD 音频标准（16 位和 44.1kHz）。虽然较高的采样频率使设计人员能够采用不太复杂的抗锯齿滤波器，这是防止带外信号失真所必需的，但它不会增加音频成分。人类听觉的上限一般被认为是 20kHz，对于大多数成年人来说要低得多，因此没有理由以亚马逊在其“超高清”音频服务中宣传的 192kHz 最大频率进行采样。

提高感知模型的位宽是一个可疑的主张，因为这些模型通过消除许多低级细节来实现其效率。最高分辨率的高保真 DAC 声称能提供真正的 24 位精度 (–146dBV)，但这样的设备放不进耳机。即使可以，耳机传感器和驱动它们的微型放大器的动态范围也要小得多。这是件好事，因为 120dB 声压级 (SPL) 是阈值，超过此阈值就会造成耳朵疼痛。此外，在室温 (20℃) 下工作的典型耳机传感器中，热噪声约为 –135DBv，掩盖了低电平信号。

升级的合理理由

许多 TWS 推广者指出，蓝牙耳机销量的快速增长是成功的标志，但领先的智能手机制造商已经从其旗舰手机上消除了有线耳机插孔，鼓励消费者改用蓝牙耳机或使用仅在手机不充电时才工作的适配器。尽管无线技术消除了混乱，但它也为这些公司创造了额外的收入。

但是，LE 音频标准提供了许多新功能，包括发射器和接收器之间的动态电源管理、多信道/多用户广播以及更精确的同步。尽管将 Bluebud 与 LE 音频相结合可能无法满足发烧友的需求，但新的编解码器可以主观地提升音质。新的优化中继转发技术将改善立体声收听体验，延迟减少将确保视频观看者在听到说话之前不会看到视频角色的嘴唇移动。消费者特别喜欢拥有几乎是经典蓝牙两倍的电池寿命。

Apple 的 AirPods 在 TWS 市场占有最大份额，但 Android 市场的碎片化为 Bluebud IP 创造了无数机会。现成的硬件和软件套件提供 LE 音频设计师所需的一切，模拟和射频组件除外。软件栈也可以处理传统的经典协议，广泛的软件插件库让客户能够差异化设计他们的产品。CEVA 的 Bluebud 是在行业开始向 LE 音频转型之际出现的，但我们预计它将成为一个受欢迎的平台。

价格和可用性

基于量产的 Bluebud 硬件和软件 IP 可以授权许可。CEVA 不披露定价。有关详细信息，请访问 www.CEVA-dsp.com/product/CEVA-bluebud/。


作者：爱集微

huqin165

谢谢分享！