经典蓝牙蓝牙 A2DP协议分析

Posted 2023-04-07 物联网布道师

A2DP 介绍

        A2DP(Advanced Audio Distribution Profile)是蓝牙高音质音频传输协议， 用于传输单声道， 双声道音乐（一般在 A2DP 中用于 stereo 双声道） ， 典型应用为蓝牙耳机。

        A2DP旨在通过蓝牙连接传输高质量的立体声音频流。它使用的基本压缩算法是SBC（Sub-Band Coding）来减小音频数据的大小，同时保持高音质，SBC压缩虽然效率较低，但是是必须支持的基本备用方案。A2DP还支持其他高级编解码器，例如AAC、aptX和LDAC，这些编解码器比SBC提供更好的音质，但这些编解码器的支持取决于设备本身的支持情况。

注意A2DP协议要与AVRCP协议区分开。 A2DP是传输音频的，而AVRCP是用来控制音频的。



蓝牙架构如下图：



 





角色介绍



        A2DP 的角色分为 Source(SRC) 和 SINK(SNK) ： 发送音频的称为 Source，接收音频的称为Sink。 例如手机连接蓝牙耳机播放音乐， 那么手机就是做 source 设备，蓝牙耳机就是sink 设备。



数据流





 





音频数据流交互如上图：

● A2DP source 的发送流程

SOURCE端 收集到 PCM 数据， 然后发送到 A2DP， A2DP 经过 codec PCM lib(SBC,MPEG-1,2 AudioMPEG-2,

4 AACATRAC family 或者自定义 encoder pcm lib)压缩成特定的音频格式， 然后交给 AVDTP， AVDTP 转交给 L2CAP,L2CAP 通过 ACL 格式转交给 HCI， 然后到达 BT chip， 通过 RF 射频出去。

● A2DP sink 的接收流程

SINK端通过 RF 接收进来数据， 然后通过 ACL 交给 HCI， 然后交给 L2CAP,L2CAP 交给 AVDTP， AVDTP 交 给 A2DP ， A2DP 收 到 的 是 remote 经 过 压 缩 的 数 据 ， 此 时 通 过 codec pcm lib(SBC,MPEG-1,2 AudioMPEG-2, 4 AACATRAC family或者自定义encoder pcm lib)解压成PCM 数据， 然后交于声卡播放 。





A2DP编码数据传输格式



编码格式支持

A2DP 协议必须支持SBC格式， 其他的格式是可选的，支持的格式如下：





 







SBC 编码格式介绍



下面重点介绍下A2DP协议中SBC的编码的element数据协议格式，其他格式不做说明。element的整个数据格式如下：





 





下面具体分析下每个字段的含义：



Sampling Frequency： 这部分是采样频率， Source 端强制要求 44.1KHz， 48KHz 支持一种， Sink要求 44.1KHz,48Khz 都支持， 对应的值如下图：







 





通道模式： Sink端要求全支持。



 

 



Block Length： 块长度



 









Subbands： 次频带



 









Allocation Method： 配置方法



 











Minimum Bitpool Value 和Maximum Bitpool Value表示编码质量。

在播放设备中可以设置 SBC 编码质量， 这个值叫 bitpool， 大概 1 bitpool = 6～7 kbit/s。 SBC 是一种复杂度较低的编码格式， 同等码率下音质稍差， 根据这个网站上的比较， 最高 328 kbit/s 的 SBC 音质大约介于 224 kbit/s 到 256 kbit/s 的 MP3 之间。 此外， 设置不当、 信号差、 设备不支持高 bitpool 等都会造成传输码率下降而使音质下降， 耳机或音箱本身的音质也是很重要的因素。 以下为不同的 bitpool 的码率 ：





 





Sink端应该将2作为最小的bitpool值，最大的bitpool值应该等于上图中的高编码质量中的的bitpool值。





SBC数据流格式



SBC数据流是由一个头部和数据流（或者）组成。





 







头部Header的长度是一个字节， bit字段如下图：



 







F bit ： 表示是否被分包， 分包为1， 不分包为0

S bit： 表示是否起始分包 起始分包为1 否则为0

L bit ： 表示否是是最后一个分包。 为1表示是最后一个分包， 否则为0



Number of frames ： 表示分包数。

●如果F bit为0，即数据不分包，则该字段表示的是数据包的帧数。

●如果F bit 为1，即数据分包，则该字段表示的是数据包剩余的分包数（包括当前分包）。





其他编码格式咱不做介绍。。。

BLE4.0教程一 蓝牙协议连接过程与广播分析

1.蓝牙简介

什么是蓝牙4.0

 

蓝牙无线技术是使用范围最广泛的全球短距离无线标准之一，蓝牙4.0版本涵盖了三种蓝牙技术，即传统蓝牙、高速蓝牙和低功耗蓝牙技术，将三种规范合而为一。它继承了蓝牙技术在无线连接上的固有优势，同时增加了高速蓝牙和低功耗蓝牙的特点。这三个规格可以组合或者单独使用。蓝牙4.0规范的核心是低功耗蓝牙（Low Energy），即蓝牙4.0BLE。该技术最大特点是拥有超低的运行功耗和待机功耗，蓝牙低功耗设备使用一粒纽扣电池可以连续工作数年之久。蓝牙4.0技术同时还拥有低成本、向下兼容、跨厂商互操作性强等特点。

蓝牙4.0 BLE的特点

蓝牙4.0 BLE技术具有如下特点：

1.高可靠性

对于无线通信而言，由于电磁波在传输过程中容易受很多因素的干扰，例如，障碍物的阻挡、天气状况等。因此，无线通信系统在数据传输过程中，具有内在的不可靠性。

蓝牙技术联盟（SIG）在制定蓝牙4.0规范时已经考虑到了这种数据传输过程中的内在的不确定性，所以在射频、基带协议、链路管理协议（LMP）中采用可靠性措施，包括：差错检测和校正、进行数据编解码、差错控制、数据加噪等，极大地提高了蓝牙无线数据传输的可靠性。另外，使用自适应跳频技术，最大程度地减少和其他2.4GHz ISM频段无线电波的串扰。

2.低成本、低功耗

低功耗蓝牙支持两种部署方式：双模方式和单模方式。

（1）双模方式，低功耗蓝牙功能集成在现有的经典蓝牙控制器中，或在现有经典蓝牙技术（2.1+EDR/3.0+HS）芯片上增加低功耗堆栈，整体架构基本不变，因此成本增加有限。

（2）单模方式，面向高度集成、紧凑的设备，使用一个轻量级连接层（Link Layer）提供超低功耗的待机模式操作。蓝牙4.0BLE技术可以应用于8bit MCU，目前TI公司推出的兼容蓝牙4.0BLE协议的SoC芯片CC2540/CC2541，外接PCB天线和几个阻容器件构成的滤波电路即可实现蓝牙网络节点的构建。

低功耗设计：蓝牙4.0版本强化了蓝牙在数据传输上的低功耗性能，功耗较传统蓝牙降低了百分之九十。

传统蓝牙设备的待机耗电量大一直是其缺陷之一，这与传统蓝牙技术采用 16~32 个频道进行广播不无关系，而低功耗蓝牙仅使用了3个广播通道，且每次广播时射频的开启时间也由传统的 22.5ms 减少到 0.6~1.2ms，这两个协议规范的改变，大幅降低了因为广播数据导致的待机功耗。

低功耗蓝牙设计了用深度睡眠状态来替换传统蓝牙的空闲状态，在深度睡眠状态下，主机（Host）长时间处于超低的负载循环（Duty Cycle）状态，只在需要运作时由控制器来启动，由于主机较控制器消耗的能源更多，因此这样的设计也节省了最多的能源。

 

3.快速启动，瞬间连接

此前蓝牙版本为人诟病的地方就在于启动速度方面，蓝牙2.1版本的启动连接需要 6s 时间，而蓝牙4.0版本仅仅需要3ms即可完成，几乎是瞬间连接。

4.传输距离极大提高

传统蓝牙传输距离为 2~10m，而蓝牙4.0的有效传输距离可达到 60~100m，传输距离提升了十倍，极大开拓了蓝牙技术的应用前景。当然，上述距离数值是在理想状态下，实际使用过程中因为各种因素的影响，比如：空气湿度、其他电磁信号干扰等等，导致实际距离可能达不到上述理论值，通过抗干扰等处理可以提高实际的传输距离。

5.高安全性

为了保证数据传输的安全性，使用AES-128 CCM加密算法进行数据包加密和认证。

蓝牙4.0BLE无线网络拓扑结构

蓝牙4.0BLE网络拓扑结构分为星型拓扑和广播组拓扑。不同的网络拓扑对应不同的应用领域，在蓝牙4.0BLE的无线网络中，不同的网络拓扑结构对网络节点的配置有不同的要求（蓝牙网络节点的类型可以分为主机、从机，也可以分为服务器、客户端，具体配置需要根据配置文件决定）。

 

 

 

 

2.蓝牙的状态以及基本连接过程

2.1 蓝牙的状态：

蓝牙具有5种状态：

待机状态（standby）        ：没有连接任何设备，没有传输和发送数据。

广播状态（Advertiser/advertising）：周期性广播状态。

扫描状态（Scanner/scanning）    ：主动寻找正在广播的设备。

发起连接状态（Initiator/initiating）：主动发起连接。

连接状态(connected)        ：已经连接。

 

2.2蓝牙的角色

主设备 从设备

2.3蓝牙的连接流程    

 

BLE连接流程		找公司服务比喻
Master	Slave	消费者	服务方
待机模式	待机模式	空闲	空闲
扫描模式	广播模式	寻找公司	发广告
扫描请求	扫描回应	咨询能提供什么服务	告知服务
连接请求		签署业务合同
连接参数请求		具体合同内容
	参数更新请求		合同修改
参数更新回应		合同回应
建立连接		签署合同
连接事件		开始业务合作

 

 

 

 

 

 

 

2.4连接事件和参数

2.4.1连接事件

主设备和从设备建立连接之后，所有的数据通信都是在连接事件（Connection Events）中进行的。

 

尖刺的波就是连接事件（Connection events），剩下的Sleeping是睡眠时间，设备在建立连接之后的大多数时间都是处于Sleeping，这种情况下耗电量比较低，而在连接事件（Connection events）中，耗电量就相对高很多，这也是BLE为什么省电的原因之一。

每个连接事件（Connection events）中，都需要由Master发起包，再由Slave回复。

 

 

2.4.2连接参数

连接参数用于规定主从机数据通信时间，如果连接参数设置不合理，就会导致连接断开。

主要连接参数有以下三个：

连接间隔（Connection interval）

 

（GAPROLE_MIN_CONN_INTERVAL && GAPROLE_MAX_CONN_INTERVAL）连接间隔，在BLE的两个设备的连接中使用跳频机制。两个设备使用特定的信道发送和接收数据，然后过一段时间后再使用新的信道（BLE协议栈的链路层处理信道的切换）。

两个设备在切换信道后发送和接收数据称为一个连接事件。尽管没有应用数据被发送和接收，两个设备仍旧会交换链路层数据（空包 Empty PDU）来维持连接。

连接间隔就是指在一个连接事件（Connection events）的开始到下一个连接事件（Connection events）的开始的时间间隔。连接间隔以1.25ms为单元，连接间隔的范围是6 ~ 3200既7.5ms ~ 4s之间。

 

 

 

从机忽略（Slave Latency）

允许Slave（从设备）在没有数据要发的情况下，跳过一定数目的连接事件（Connection events），在这些连接事件（Connection events）中不必回复Master（主设备）的包，这样就能更加省电。

范围可以是0 ~ 499

   

更详细的使用解析如下：

 

Slave Latency = OFF也就是Slave Latency为0时，Master发包，Slave必须回复，如果不回复，Master就会认为Slave那边接收不正常。

Slave Latency = ON也就是Slave Latency不为0的时候，图中Slave Latency为 3。Master发包，Slave没有数据要回复的时候，就会忽略 3 个连接事件，在第 4 个连接事件接收到Master发送的数据之后，回复Master。如果Slave有数据要发送就会唤醒，也就是说即使Slave Latency为 3，但是在Master发第二包的时候Slave有数据要回复，这个时候就会立即回复Master而不是等到 3 个连接事件之后的第 4 个连接事件去回复。

 

 

 

超时时间（Supervision Timeout）

这个参数设定了一个超时时间，如果BLE在这个时间内没有发生通信的话，就会自动断开。

单位是 10ms，该变量的范围是10 ~ 3200，折算成时间范围是100ms ~ 32s 。

连接间隔、从机时延以及超时时间这三者必须满足如下公式：

Supervision Timeout  > （1 +slaveLatency）* （connectionInterval）

上述公式必须满足，否则连接就会不正常断开。

 

 

 

 

这三个连接参数不同情况下对通信速率和功耗的影响：

 

1.Connection Interval缩短，Master和Slave通信更加频繁，提高数据吞吐速度，缩短了数据发送的时间，当然也增加了功耗。

2.Connection Interval增长，通信频率降低，数据吞吐速度降低，增加了数据发送的时间，当然，这种设置降低了功耗。

3.Slave Latency减少或者设置为 0，每次Connection Events中都需要回复Master的包，功耗会上升，数据发送速度会提高。

4.Slave Latency加长，功耗下降，数据发送速度降低。

 

 

 

 

 

 

注意修改连接参数的时候要满足一定的要求：

1.安卓设备作主设备时，连接参数满足的要求见本篇博文第二节"连接参数介绍"中提到的内容。另外实际开发过程中发现安卓设备作主设备时存在一个问题，就是部分安卓设备连接BLE设备之后，只能进行一次连接参数的修改。

 

2. 苹果系统设备作主设备时，连接参数更新的要求比较苛刻，如下：

Interval Max * (Slave Latency + 1) ≤ 2 seconds

Interval Min ≥ 20 ms

Interval Min + 20 ms ≤ Interval Max

Slave Latency ≤ 4

connSupervisionTimeout ≤ 6 seconds

Interval Max * (Slave Latency + 1) * 3 < connSupervisionTimeout

 

即：

最大连接间隔时间 *（从机延迟 + 1） ≤ 2s

最小连接间隔时间 ≥ 20 ms

最小连接间隔时间 + 20 ms ≤ 最大连接间隔时间

从机延迟 ≤ 4

超时时间 ≤ 6s

最大连接间隔时间 *（从机延迟 + 1）* 3  < 超时时间

 

所以如果你的BLE从设备需要被IOS主设备连接，那你的BLE从设备的默认申请的连接参数一定要满足上述要求，并且连接过程中修改连接参数的时候也要满足上述要求。

 

 

 

 

3.蓝牙广播的协议

蓝牙广播相关的参数有以下几种：

Advertising interval     广播间隔

Advertising_Type        广播类型

Own_Address_Type    自身地址类型

Direct_Address_Type    定向地址类型

Direct_Address        定向地址

Advertising_Channel_Map广播信道（一个广播有三个信道）

Advertising_Filter_Policy     广播过滤策略

Advertising Data        广播数据

ScanReponse Data        响应数据

 

 

 

 

Advertising_Type广播类型

   

1. 可连接的非定向广播（Connectable Undirected Event Type）：

这是一种用途最广的广播类型，包括广播数据和扫描响应数据，它表示当前设备可以接受其他任何设备的连接请求。进行通用广播的设备能够被扫描设备扫描到，或者在接收到连接请求时作为从设备进入一个连接。通用广播可以在没有连接的情况下发出，换句话说，没有主从设备之分。

鉴于此种广播类型用的最多，下面我们来讨论一下此类型下广播事件中广播包的发送情况，另外要注意在一个广播事件中，前一个"ADV_IND PDUs"的开始到相邻的下一个"ADV_IND PDUs"的开始处的时间要小于等于10ms ：

第一种情况：仅仅有广播 PDUs 。截图显示如下：

第二种情况：在广播事件的中间有"SCAN_REQ"和"SCAN_RSP PDUs"。截图显示如下：

   

第三种情况：在广播事件的结尾有"SCAN_REQ"和"SCAN_RSP PDUs"。截图显示如下：

第四种情况：在广播事件的中间接收到"CONNECT_REQ PDU"的情况。截图显示如下

2. 可连接的定向广播（Connectable Directed Event Type）：

定向广播类型是为了尽可能快的建立连接。这种报文包含两个地址：广播者的地址和发起者的地址。发起者收到发给自己的定向广播报文之后，可以立即发送连接请求作为回应。 

定向广播类型有特殊的时序要求。完整的广播事件必须每3.75ms重复一次。这一要求使得扫描设备只需扫描3.75ms便可以收到定向广播设备的消息。 

当然，如此快的发送会让报文充斥着广播信道，进而导致该区域内的其他设备无法进行广播。因此，定向广播不可以持续1.28s以上的时间。如果主机没有主动要求停止，或者连接没有建立，控制器都会自动停止广播。一旦到了1.28s，主机便只能使用间隔长得多的可连接非定向广播让其他设备来连接。

当使用定向广播时，设备不能被主动扫描。此外，定向广播报文的净荷中也不能带有其他附加数据。该净荷只能包含两个必须的地址。

3. 不可连接的非定向广播（Non-connectable Undirected Event Type）：

仅仅发送广播数据，而不想被扫描或者连接。这也是唯一可用于只有发射机而没有接收机设备的广播类型。不可连接广播设备不会进入连接态，因此，它只能根据主机的要求在广播态和就绪态之间切换。

4. 可扫描的非定向广播（Scannable Undirected Event Type）：

又称可发现广播，这种广播不能用于发起连接，但允许其他设备扫描该广播设备。这意味着该设备可以被发现，既可以发送广播数据，也可以响应扫描发送扫描回应数据，但不能建立连接。这是一种适用于广播数据的广播形式，动态数据可以包含于广播数据之中，而静态数据可以包含于扫描响应数据之中。

注意：所谓的定向和非定向针对的是广播的对象，如果是针对特定的对象进行广播（在广播包PDU中会包含目标对象的MAC）就是定向广播，反之就是非定向。可连接和不可连接是指是否接受连接请求，如果是不可连接的广播类型，它将不回应连接请求。可扫描广播类型是指回应扫描请求。

不同的广播类型对扫描请求和连接请求的不同结果如下图：

   

 

   

 

Advertising And ScanReponse Data  （广播和扫描回应数据）

 

广播数据和扫描回应数据，它们的长度都不能超过31个字节（0 ~ 31），

数据的格式必须满足下图的要求，可以包含多个AD数据段，但是每个AD数据段必须由"Length：Data"组成，其中Length占用1个octet，Data部分占用Length个字节，所以一个AD段的长度为：Length+1。

格式图如下所示：

 

 

 

注：1 octet = 1 byte = 8 bit