一次搞懂【 蓝牙（Bluetooth）音频协议 】

新闻主编

一次搞懂【 蓝牙（Bluetooth）音频协议 】

【 蓝牙（Bluetooth）】
版本&用户协议 详解



蓝牙（Bluetooth）一词，取自于十世纪丹麦国王哈拉尔的名字 Harald Bluetooth，而将蓝牙与后来的无线通讯技术标准关联在一起的，是一位来自英特尔的工程师 Jim Kardach，他在一次无线通讯行业会议上，提议将 "Bluetooth" 作为无线通讯技术标准的名称

其灵感就是来源于这位统一了因宗教战争和领土争议而分裂的挪威与丹麦,而闻名于世的哈拉尔国王，国王的成就与 Jim Kardach 的理念不谋而合，他希望蓝牙也可以成为统一的通用传输标准—将所有分散的设备与内容互联互通。蓝牙的 LOGO 也来自后弗萨克文的符文组合，将哈拉尔国王名字的首字母 H 和 B 拼在一起，也就是今天大家熟知的蓝色徽标



下面我们和您一起了解一下音频传输领域范畴中常用的蓝牙协议和使用场景

HSP（手机协议，Head-Set-Profile）
最常用的配置协议，支持蓝牙耳机与移动电话使用，提供手机与耳机之间通信所需的基本功能。连接和配置好后，耳机可以作为远程设备的音频输入和输出接口

HFP（免提协议，Hands-Free-Profile）
在 HSP 协议的基础上增加了一些扩展功能，常用来让车载免提装置来控制移动电话（在车内，立体声系统用于电话音频，而车内安装的麦克风则用于通话时发送输出音频）HFP 协议还可应用于个人计算机在家中或办公环境中作为手机扬声器的使用场景

A2DP（高级音频传送协议，Advanced-Audio-Distribution-Profile）
允许传输立体声音频信号（相比用于HSP和HFP的单声道加密，质量要好得多）。A2DP 协议能够让两个同样支持蓝牙音效传输的装置互相连接，都能输出如CD音质(16 bits，44.1 kHz)般的声音，许多世界级的音频厂牌，还以此推出了拥有便携性和专业性特质的蓝牙桌面监听音箱产品


图为，可兼容 A2DP 协议的IK Multimedia公司的iLOUD MM（Micro Monitor）蓝牙桌面监听音箱

但是，如果有一方没有支持 A2DP 协议的话，这时音效就只能输出Handsfree Profile(8 bits，8 kHz)，就算耳机或扬声器是采用立体声式的设计，也只能有一般电话的单声道音质，与真正的立体声相去甚远

AVRCP（音频/视频遥控协议，Audio/Video-Remote-Control-Profile）
用于从控制器（或立体声耳机等）向目标设备（如装有 MediaPlayer 的电脑等）发送命令（比如一些前进、暂停和播放等指令）。AVRCP 协议设计用于提供控制TV、Hi-Fi设备等的标准接口。此规格用于许可单个远程控制设备（或其它设备）控制所有用户可以接入的A/V设备。也可以与 A2DP 协议或 VDP 协议配合使用

当两台蓝牙设备建立连接时，它们会获取对应设备提供的协议。当蓝牙定义设备之间的物理无线连接时，蓝牙协议会建立这些设备，能够使用蓝牙技术交换的命令和功能。HSP和HFP蓝牙协议是典型单声道蓝牙耳机操作所需的规格，A2DP和AVRCP蓝牙协议对于立体声音频传输很重要


图为，拥有蓝牙连接开/关，可兼容 A2DP 协议 的IK Multimedia公司的iLOUD MM（Micro Monitor）蓝牙桌面监听音箱

下面我们和您一起，沿着蓝牙核心协议的版本轨迹，再来了解一下蓝牙技术的发展和未来的趋势走向


【 1.1 版本 】：

属于蓝牙传输协议的早期设计，容易受到其他通信产品的同频率信号的干扰，影响通讯质量，传输速率约在748~810kb/s，早期版本虽然也支持Stereo音效的传输要求，但只能够以（单工）方式工作，加上带宽频率响应等指标不理想，并不算是最好的立体声（Stereo）传输工具
传输方式：
单工：单工通信是单向信道，发送端和接收端的身份是固定的，发送端只能发送信息，不能接收信息；接收端只能接收信息，不能发送信息，数据信号仅从一端传送到另一端，即信息流是单方向的半双工：半双工数据传输允许数据在两个方向上传输（但不能同时传输），它实际上是一种切换方向的单工通信全双工：允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力

【 1.2 版本 】：
增加了抗干扰跳频功能(主旨针对改善软体)，支持Stereo音效的传输要求，与上一个版本一样，也是只有748~810kb/s的传输速率，只能够作（单工）方式工作，因为带宽频率响应还是不理想，所以依然无法作为立体声（Stereo）传输工具被广泛应用和推广

【 2.0 版本 】：
蓝牙2.0版本是1.2版本的改良提升版，允许和支持（双工）的工作方式，传输速率也有明显提升，约在1.8M/s~2.1M/s，（即，一边做语音通讯，同时传输文件/高质量的图片以及Stereo音频传输）。蓝牙2.0版本的内核，还增加了Stereo译码芯片，则连A2DP（Advanced Audio Distribution Profile）也可以不需要了

【 2.1 版本 】：
Bluetooth SIG（Special Interest Group）蓝牙技术联盟，为了继续改善蓝牙技术上存在的问题，于是推出了【Bluetooth 2.1+EDR版本】的蓝牙使用协议

改善装置配对流程：以往在连接过程中，需要利用个人识别码来确保连接的安全性，而改进过后的连接方式则是会自动使用数字密码来进行配对与连接，举例来说，只要在手机选项中选择连接特定装置，在确定之后，手机会自动列出当前环境中可使用的设备，并且自动进行连结

短距离的配对方面：也具备了在两个支持蓝牙的设备之间互相进行配对与通讯传输的NFC（Near Field CoMMunication）机制

更佳的省电效果：蓝牙2.1版加入了Sniff Subrating的功能，透过设定在2个装置之间互相确认讯号的发送间隔，来达到节省功耗的目的

Sniff-Subrating（减速呼吸）模式：一种可以让蓝牙设备连接时减少电源功耗的有效途径

蓝牙2.1版本，还将蓝牙设备之间相互确认的讯号发送时间间隔，从旧版的0.1秒延长到了0.5秒左右（如此可以让蓝牙芯片的工作负载大幅降低，也可让蓝牙可以有更多的时间可以彻底休眠）根据官方的报告，采用此技术之后，蓝牙装置在开启蓝牙联机之后的待机时间可以有效延长5倍以上，并且开始支持全双工通信模式

【 3.0 HS（High Speed）版本 】：
2009年4月21日，蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)正式颁布了新一代标准 "Bluetooth Core Specification Version 3.0 High Speed"(蓝牙核心规范3.0版高速)协议，蓝牙3.0的核心是"Generic Alternate MAC/PHY"(AMP)，这是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任务动态地选择正确射频
作为新版协议，蓝牙3.0的传输速率提高到了大约24Mbps (即可在需要的时候调用802.11WI-FI用于实现高速数据传输)，是蓝牙2.0的八倍，可以轻松用于录像机至高清电视、PC至PMP、UMPC以及打印机之间的资料传输。功耗方面，通过蓝牙3.0高速传送大量数据自然会消耗更多能量，但由于引入了增强电源控制(EPC)机制，再辅以802.11高速传输模式，实际空闲功耗会明显降低，蓝牙设备的待机耗电问题，算是得到了初步解决。另外，配备了蓝牙2.1模块的PC理论上可以通过升级固件让蓝牙2.1设备也支持蓝牙3.0

【 4.0 版本 】:
蓝牙4.0版本为3.0版本的升级标准协议，最重要的特性是省电，极低的运行和待机功耗（即使使用一粒纽扣电池，也连续工作数年之久）此外，低成本和跨厂商互操作性，3毫秒低延迟、AES-128加密等诸多特色，可以用于计步器、心律监视器、智能仪表、传感器物联网等众多领域，大大扩展蓝牙技术的应用范围

AES是密码学中的高级加密标准（AES全称：Advanced Encryption Standard），又称【Rijndael 加密法】，AES-128，即通过128 位加密密钥算法进行媒体服务和传输数据

蓝牙4.0 广泛应用于医疗设备、体育器材、家庭数码影音、安全保障等诸多领域，并支持两种部署方式：单模式和双模式

单模式（Single mode）：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和简单的设备恢复，以及可靠的点对多点数据传输，还能让联网传感器在蓝牙传输中安排好低功耗蓝牙流量的次序，同时还有高级节能和安全加密连接
注：Single mode只能与BT4.0互相传输无法向下兼容（与3.0/2.1/2.0无法相通）

双模式（Dual mode）：将低功耗蓝牙功能，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
注：Dual mode允许向下兼容可与BT4.0传输，也可以跟3.0/2.1/2.0传输

【 4.1 版本 】:
针对通讯功能的改进是蓝牙 4.1版本，最为重要的升级改进之一，如果说蓝牙 4.0协议主打的是省电特性的话，那么蓝牙4.1版本协议的研发方向，主旨就是IOT（全联网），也就是把所有设备都联网的意思

4.1版本特别在批量数据传输速度上有了明显的提升，众所周知蓝牙传输的传输速率一直非常"渣"，特别是和跨入千兆的WiFi传输相比毫无可比性。所以蓝牙4.1在已经被广泛使用的蓝牙4.0 LE基础上进行了升级，使得批量数据可以以更高的速率传输。当然这并不意味着可以用蓝牙高速传输流媒体视频，这一改进的主要针对的还是同时期兴起的可穿戴设备。（如健康手环，其发送出的数据流并不大，通过蓝牙4.1能够更快速地将跑步、游泳、骑车等过程中收集到的信息传输到手机等设备上，用户就能更好地实时监控运动的状况



另外，上一代采用了蓝牙4.0 LE版本的设备大多数都被贴上了“BluetoothSmart（指蓝牙耳机、键鼠等扩展设备）” 和“Bluetooth SmartReady（指PC、平板、手机等这样的连接中心设备）”的标志。这些设备之间不能进行角色互换，只能进行1对1连接。而在蓝牙4.1技术中，就允许设备同时充当“Bluetooth Smart” 和“Bluetooth Smart Ready”两个角色的功能，这就意味着能够让多款设备连接到一个蓝牙设备上。举个例子，一个智能手表既可以作为中心枢纽，接收从健康手环上收集的运动信息的同时，又能作为一个显示设备，显示来自智能手机上的邮件、短信

除此之外，可穿戴设备常出现的连不上网的问题，也可以通过蓝牙4.1进行解决。新标准加入了专用通道允许设备通过 IPv6 联机使用。（比如，如果有蓝牙设备无法上网，那么通过蓝牙4.1连接到可以上网的设备之后，该设备就可以直接利用IPv6连接到网络，实现与WiFi相同的功能。尽管受传输速率的限制，该设备的上网应用有限，不过同步资料、收发邮件之类的操作还是完全可以实现的）这个改进的好处在于传感器、嵌入式设备只需蓝牙便可实现连接手机、连接互联网，相对而言WiFi多用于连接互联网，在连接设备方面效果一般，无法做到蓝牙的功能
IPv6 是英文 Internet Protocol Version 6 ( 互联网协议第6版 ) 的缩写，是互联网工程任务组 ( IETF ) 设计的用于替代 IPv4 的下一代 IP 协议，其地址数量号称可以为全世界的每一粒沙子编上一个地址 ，由于 IPv4 最大的问题在于网络地址资源不足，严重制约了互联网的应用和发展。IPv6的使用，不仅能解决网络地址资源数量的问题，而且也解决了多种接入设备连入互联网的障碍

蓝牙4.1版本，还针对设备之间的连接和重新连接进行了很大幅度的修改，可以为厂商在设计时提供更多的设计权限，包括设定频段创建或保持蓝牙连接，这些改变使得蓝牙设备连接的灵活性有了非常明显的提升（比如，两款带有蓝牙4.1版本的设备之前已经成功配对，重新连接时只要将这两款设备靠近，即可实现重新连接，完全不需要任何手动操作，非常的简单）
另外4.1版本，还专门针对4G进行了优化，确保可以与4G信号和平共处，这个改进被蓝牙技术联盟称为“共存性”。因为在实际的应用中，如果这两者同时传输数据，那么蓝牙通信就可能受到手机网络信号的干扰，导致传输速率的下降。因此在全新的蓝牙4.1标准中，一旦遇到蓝牙4.1和4G网络同时在传输数据的情况，那么蓝牙4.1就会自动协调两者的传输信息，从而减少其它信号对蓝牙4.1的干扰，以解决传输速率下降的问题

【 4.2 版本 】 :
2014年12月4日颁布的蓝牙4.2版本，针对数据传输速度和隐私保护程度进行了改善，可直接通过 IPv6 和 6LoWPAN 接入互联网。在新的标准下蓝牙信号想要连接或者追踪用户设备必须经过用户许可，否则蓝牙信号将无法连接和追踪用户设备。速度方面变得更加快速，两部蓝牙设备之间的数据传输速度提高了2.5倍，因为蓝牙智能（Bluetooth Smart）数据包的容量提高，其可容纳的数据量相当于此前的10倍左右

6LoWPAN：是一种基于IPv6的低速无线个域网标准（即IPv6 over IEEE 802.15.4），6LoWPAN所具有的低功率运行的潜力使它很适合应用在从手持机到仪器的设备中，而其对AES-128加密的内置支持，为认证和安全性打下了坚实的基础

IEEE 802.15.4 标准，设计用于开发可以靠电池运行1到5年的紧凑型低功率廉价嵌入式设备(如传感器)。该标准使用工作在2.4GHz频段的无线电收发器传送信息，使用的频带与Wi-Fi相同，但其射频发射功率大约只有Wi-Fi的1%

【 5.0 版本 】 :
2016年6月16日发布的蓝牙5.0版本,不但搭载了更先进的蓝牙芯片，而且支持左右声道独立接收音


图为，搭载蓝牙5.0无线传输技术内核的Monkey Banana Gibbon Air 蓝牙监听音箱

1.更快的传输速度
蓝牙5.0版本的蓝牙传输速度上限为2Mbps，是之前4.2LE版本的两倍

2.更远的有效距离
蓝牙5.0的另外一个重要改进是，它的有效距离是上一版本的4倍，因此在理论上，当你拿着手机站在距离蓝牙音箱300米的地方，它还是会继续放着你爱的歌。也就是说，理论上，蓝牙发射和接收设备之间的有效工作距离可达300米。当然，实际的有效距离还取决于你使用的电子设备


图为，搭载蓝牙5.0无线传输技术内核的Monkey Banana Gibbon Air 蓝牙监听音箱操控面板

3.导航功能
此外，蓝牙5.0还添加了更多的导航功能，因此该技术可以作为室内导航信标或类似定位设备使用，结合 WiFi 可以实现精度小于1米的室内定位。举个例子，如果你是路痴，你仍可以使用蓝牙技术，在诺大的商业中心找到路

4.物联网功能
物联网还在持续火爆，因此，蓝牙5.0针对物联网进行了很多底层优化，力求以更低的功耗和更高的性能为智能家居服务

5.升级硬件
此前的一些蓝牙版本更新只要求升级软件，但蓝牙5.0很可能要求升级到新的芯片。不过，旧的硬件仍可以兼容蓝牙5.0，你就无法享用其新的性能了（从2017年开始，众多移动通讯设备厂商纷纷搭载植入了蓝牙5.0芯片，大名鼎鼎的"苹果"就是第一批使用该项技术的厂商之一

6.更多的传输功能
全新的蓝牙5.0能够增加更多的数据传输功能，硬件厂商可以通过蓝牙5.0创建更复杂的连接系统，比如坐标或位置服务。因此通过蓝牙设备发送的广告数据可以发送少量信息到目标设备中，甚至无需配对

7.更低的功耗
现今蓝牙已经是智能手机的必备功能之一，随着智能设备和移动支付等越来越多需要打开蓝牙，才能享受便利功能逐渐融入人们的生活之中，蓝牙的功耗成为了智能手机待机时间的一大杀手。为此蓝牙5.0将大大降低了蓝牙的功耗，使人们在使用蓝牙的过程中再也不必担心待机时间短的问题

8.真正支持无损传输
支持24bit/192KHz的无损音源传输，对现有的WiFi高保真无损音频传输形成巨大的威胁

【 5.1 版本】:
5.1版本蓝牙协议，加入了测向功能和厘米级的定位服务，这项功能的加入使得室内的定位会变得更加精准，并且在小物体的位置上也能准确定位避免物品遗失

【 5.2 版本】:
新增了三个功能，包括LE同步信道(LE Isochronous Channels)、增强版ATT(Enhanced ATT)及LE功率控制(LE Power Control)。而且5.2的传输距离更快、距离更远、功耗更低

蓝牙5.2主要优点包括：通过更低的功耗和有时间限制的数据通信来实现更有效的连接。低能耗(LE )同步频道允许音频传输在多个设备间交互，另外LE功率控制可以优化发射机的功率。这些特性使得在蓝牙设备在2.4GHz频率范围内与其他无线设备得以更好地共存，并有效地改善了用户体验

【 5.3 版本】:
蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）在2021年7月13日正式发布了最新的蓝牙核心规范5.3版本。相比蓝牙5.2，蓝牙5.3通过改善低功耗蓝牙中的周期性广播、连接更新以及频道分级，进一步提升了低功耗蓝牙的通讯效率和蓝牙设备的无线共存性，同时，蓝牙的功耗也有所下降

- 那么不同版本之间的蓝牙是否兼容呢？

蓝牙版本是向下兼容的。比如你的手机支持蓝牙4.2，蓝牙耳机支持5.0，那么连接手机后使用的是4.2协议的蓝牙
实际上，蓝牙5.0相比蓝牙4.2能够提升接近两倍的数据传输速度，从1Mbps提高到2Mbps，传输距离增加4倍，理论有效工作距离能够达到300米，即使你家是大别墅都不用担心断连

所以当我们在选购无线蓝牙产品用于听歌、游戏、定位等应用场景时，尽量优先挑选支持蓝牙5.0以上版本协议的设备


图为，搭载蓝牙5.0无线传输技术内核的Monkey Banana Gibbon Air 蓝牙监听音箱