通过BLE实现全双工立体音频流

1、前言

在无线蓝牙领域，既能满足超低功耗，又能进行全双工语音通讯，一直是市场上的需求，比如：无线门铃，短距离对讲机等应用。针对 BLE 语音相关的应用场景，ST 推出了FP-AUD-BVLINKWB1 这个软件包供客户评估。

本文将对这个软件包展开介绍，该软件包主要包含以下特性：

• 使用 Opus v1.3 编码和解码，通过 BLE 实现全双工立体音频流。

• 使用自定义 BlueVoiceOPUS 协议，通过 API 即可使用 Opus 功能。

• 源码包含数字音频捕获和处理。

• 可以通过 USB 进行音频流的回放。

• 可使用麦克风扩展板 X-NUCLEO-CCA02M2 + Nucleo 开发板 P-NUCLEO-WB55的组合或者探索板 STM32WB5MM-DK。

       • 兼容 STBLESensor App。

• 免费开源。

感兴趣的话欢迎从以下网址下载该软件包进行评估：

https://www.st.com/en/embedded-software/fp-aud-bvlinkwb1.html

2、软件介绍

2.1. 软件架构

• Hardware Abstraction: 硬件抽象层，使用了 STM32 的 HAL 库提供底层的硬件驱动。

• BSP 层：在 HAL 层之上，提供了板级支持包，包含了 SPI, ADC, LED 和 User Button等驱动。

• Middleware 层：中间件层，主要包含了以下内容：

o STM32 WPAN：提供 BLE，Thread，Zigbee 等协议相关的接口 API，本应用只使用了 BLE 协议。

o USB Device：提供各种不同 USB device 类的实现，本应用中只使用了 USBAudio 类。

o PDM Lib：提供了数字麦克风 PDM 信号到 PCM 信号转换的软件实现。

o OPUS：开源第三方的 OPUS 库，版本 v1.3。

2.2. Opus 简介

Opus 是完全开源免费的高通用性音频编解码协议，由 Internet Engineering Task Force (IETF)标准化。

Opus 可以处理广泛的音频应用，包括 IP 语音、视频会议、游戏内聊天，甚至远程现场音乐表演。它可以从低比特率窄带语音缩放到非常高质量的立体声音乐，并且具备以下特点：

• 比特率范围：6kb /s 到 510 kb/s

• 采样率范围：8kHz(窄带)到 48kHz(全带) • 帧大小：2.5 ms 到 60 ms

• 比特率，采样率，可动态调节帧大小

• 支持固定比特率(CBR)和可变比特率(VBR)

• 支持语音和音乐

• 支持单声道和立体声

• 最多支持 255 个通道

• 良好的鲁棒性和丢包隐藏能力

• 支持浮点和定点

2.3. BlueVoiceOPUS 协议

BlueVoiceOPUS 是自定义协议，Central 和 Peripheral 是 GAP 层的角色，在点对点通讯中，主动发起连接请求的设备为 Central。在 GATT 协议中，Server 接受请求和命令，将数据保存在属性中。Client 实施服务发现流程，并向 Server 请求数据。

如果是单向的非对称语音系统，那么具备麦克风的设备可以定义为 Server，Cient 客户端可以主动或被动接收 Server 的语音数据流。

如图 2，FP-AUD-BVLINKWB1 提供了双向的系统，双方设备都具备语音的能力，所以双方都实现了 GATT Server 以及 Client 的角色。并且，Server 的语音数据基于notification 性质，将以异步的方式主动发送给 Client。

2.3.1. BlueVoiceOPUS 服务

ATT 协议用于在设备中进行数据交换，ATT 的最小实体称为属性。GATT 服务由各种服务组成，其中服务由服务申明属性作为起始，每一个服务又包含若干特性，特性由任意属性或属性描述符组成。

表 1 是典型的 BLE 服务的属性表，其中包含了 1 个服务申明以及 3 个特性。Audio 特性用来通知对方设备音频数据。Ctrl 特性通知对方设备控制数据，比如播放，暂停等。Music 特性用来通知对方音乐数据，该特性只在 ST BLE Sensor APP 中实现，取代 Audio特性，用来传输压缩后的 48KHz 立体音乐。

2.3.2. BLUEVoiceOPUS 实现

在 Middleware 层，和 BlueVoiceOPUS 协议相关的文件包括：

• bvopus_service_stm：该文件管理所有和 BLE 相关的功能，包括添加服务和添加特性，以及数据的接收和发送。其中包含了一个简单的数据封包和解析协议。

• opus_interface_stm：该文件实现了 Opus 编码器和 BlueVoiceOPUS 服务的接口。提供简单的 API 用于 Opus 初始化，配置，数据压缩和解压等。

2.4. 应用层介绍

在软件包中包含了三个主要的工程：

• BVLCentral：作为主设备主动发起连接，并提供 BlueVoiceOPUS 服务。

• BVLPeripheral：作为从设备广播，并提供 BlueVoiceOPUS 服务。

• BVLPeripheral_FullBand：作为从设备广播，提供 BlueVoiceOPUS 服务, 可以通过BLE 接收立体声音乐，但目前只能和 ST BLE Sensor 相连。

BVLCentral 和 BVLPeripheral 分别烧录到 WB55 的开发板中，分别作为主机和从机，通过开启或停止音频通知，可以达到三种不同类型的通讯：单工，半双工和全双工。

• 当设备在输出音频流时，应用层负责语音的获取，数据压缩和封包，然后通过BlueVoiceOPUS 协议发送出去。

• 当设备在接收音频流时，应用层通过从 BlueVoiceOPUS 协议中接收 BLE 数据包，然后解包和解码 OPUS 语音数据。通过 P-NUCLEO-WB55 上的 SW1 控制打开或关闭语音流通道。通过 LED 显示设备的状态。

• 广播/发现状态：绿色 LED 闪烁

• 连接状态：蓝色 LED 缓慢闪烁

• 语音流状态：蓝色 LED 正常闪烁

• 接收状态：蓝色 LED 稳定点亮（不闪烁）

• 全双工状态：蓝色 LED 快速闪烁（双方设备）

BVLCentral 可以由 APP(ST BLE Sensor)代替，完成设备和手机端的全双工语音通讯。

整个应用流程如图 3 所示,整个流程介绍如下：• 从设备广播，主设备发起连接，直到连接建立成功。

• 双方互相完成服务和特性发现流程。

• 从设备通过按钮，请求打开特性通知，主设备打开通知，从设备发送语音流，此时状态为语音流状态。

• 相反地，主设备通过按钮，请求打开特性通知，从设备打开通知，主设备发送语音流，此时状态变为全双工状态。

• 可以通过按钮，开关语音流，改变语音流状态。

3、系统部署指导

3.1. 两块 STM32WB 开发板之间的全双工音频流

如上图 4 ，可以使用 P-NUCLEO-WB55 开发板与一块麦克风扩展板 X-NUCLEO-CCA02M2 进行组合。然后分别烧录 BVLCentral 工程和 BVLPeripheral 工程。当双方设备建立连接以后，通过 Nucleo 上的 SW1 按钮，就可以建立起半双工或全双工的语音流了。麦克风扩展板可以对语音信号以 8kHz 或 16kHz 进行采集，并通过 BlueVoiceOPUS 协议传输，当对方设备接收到语音数据后，通过 USB 保留到本地，然后使用 Audacity 或其他语音软件播放。

如上图 5，也可以使用 STM32WB5MM-DK 进行同样的操作，该开发板使用了 STM32WB5MM的模组，并且板载了一块 OLED 显示屏供开发。

当然也可以使用图 4 和图 5 的组合，只要一块烧录的是主机程序，另一块烧录的是从机程序即可。

3.2. STM32WB 开发板和手机之间的全双工音频流

除了上面的配置方法外，ST 还提供了 ST BLE Sensor 手机 APP 供测试。

如图 6，手机可以作为主设备，扫描然后连接 STM32WB55 开发板，建立全双工的音频流的 BLE 链路。语音信号可以从开发板采集，发送到手机侧进行播放。也可以从手机侧采集，发送到开发板后，再通过 USB 进行播放。

3.3. STM32WB 开发板和手机之间的立体声音乐播放

上面介绍的都是 8kHz/16kHz 的语音流，该软件包还提供了全带(Full-Band)的 48kHz 立体声音乐流方案。

图7. 48kHz 立体声音乐流方案 

如图 7，手机扫描设备后，发起并建立连接，完成 GATT 服务发现流程，然后通过按钮打开特性的通知属性，建立全带音频流。APP 使用 OPUS 对手机内音乐进行压缩和封包，然后通过BLE 发送给开发板。开发板通过 USB 将数据导出到 PC 上，最后使用 Audacity 或其他语音软件进行播放或刻录。

审核编辑：汤梓红