【技术专栏】泰凌微电子蓝牙低功耗音频应用流程分析 —— Headset

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背景介绍

 

 

蓝牙低功耗音频（Bluetooth LE Audio，以下简称：LE Audio）代表着下一代智能音频设备的功能趋势，LE Audio技术基于蓝牙核心规范5.2版本引入的连接同步数据流(Connected Isochronous Stream,简称CIS)传输特性。CIS基于设备间建立的低功耗蓝牙ACL连接，在相连设备间建立固定时间间隔(ISO Interval)、点对点的双向数据流传输通道。由Central（手机、电脑或平板等）发起的CIS是CIG (Connected Isochronous Group)的成员，每个CIS对应一个独立的音频流，每个Central设备可以有多个CIG。

 

耳麦(headset)是耳机(headphone)与麦克风(microphone)的整合体。实际上就是耳机跟麦克风整合成为一体，通常Headset的耳机是播放立体声音频，麦克风采集单声道音频。本文主要介绍基于LE Audio的Headset应用流程分析。

 

Headset场景图

 

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Ellisys抓包流程分析

 

 

Headset的音频源设备通过CIG的CIS来传播音频数据，Headset端发送可连接的扩展广播（EA），Central端扫描到Headset端设备信息后先跟其建立ACL连接，两端交互LE Audio的音频能力以及配置ASE端点，然后再由Central发起建立CIS连接。

 

扩展广播：

• ADV_EXT_IND PDU——扩展广播PDU

• AUX_ADV_IND PDU——辅助广播PDU

• AUX_CHAIN_IND PDU——辅助链广播PDU（可选）

 

ADV_EXT_IND PDU在37，38，39主频段进行广播，它的扩展头字段包含一个AuxPtr字段，其中包含使其能够与辅助AUX_ADV_IND PDU同步的数据。ADV_EXT_IND PDU的AuxPtr字段指向AUX_ADV_IND，即AuxPtr的值指向ADV_EXT_IND PDU广播所在的其余0~36个频段中的一个。

 

 

AUX_ADV_IND PDU包含一个Adv Data字段，其中包含Appearance、RSI(Resolvable Set Identifier)、ASCS(Audio Stream Control Service)、CAS(Common Audio Service)和TAMS(Telephony and Media Audio Service)。Appearance声明Headset设备外观，RSI声明支持CSIS(Coordinated Set Identification Service)，TMAS声明设备支持Call Terminal和Unicast Media Receiver。

 

 

ASE状态机简介

 

ASCS中定义了Audio Stream Endpoint(简称 ASE) ，ASE又分为Source ASE和Sink ASE，其状态机流转分别如下图所示，包含以下几个状态：

• Idle——待机态，初始化默认处于Idle状态。

• Codec Configured——音频参数，如采样率、位宽、帧长等配置完成。

• QoS Configured——连接参数，如PHY、Retransmit Num、Max Transport Latency等配置完成。

• Enabling——使能态，client和server之间的CIS开始建立或者已经建立完成。

• Streaming——流状态，音频流建立完成，音频数据可以在client和server之间传递。

• Releasing——释放态，音频资源释放，该状态是一个中间态，可通过除Idle态外的任何一个状态进入。

• Disabling——失效态，音频流停止，该状态只是一个中间态，可通过Receive stop ready操作退回到QoS Configured状态。需要注意：该状态只有Source ASE才拥有。

 

Source ASE状态机流转图

 

 Sink ASE状态机流转图

 

接下来通过抓包来更加直观的观察上述的的音频流过程：

 

首先挑选一个ADV_EXT_IND PDU包，通过AuxPtr可以同步到它指向的AUX_ADV_IND PDU所在的频段11和偏移位置1.02ms。

 

 

然后通过AUX_CONNECT_REQ和AUX_CONNECT_RSP进行ACL连接，完成加密和服务发现等流程，包括下面要介绍的ASE交互流程。

 

 

Central端发现Headset端Sink和Source支持的音频能力，包括采样率、采样周期、编码方式等参数。Sink音频能力是Headset的音频播放（扬声器），Source音频能力是Headset的音频采集（麦克风），下图Source支持的详细音频参数，Sink端与其类似。

 

 

这部分通过抓包详细解析CIS配置流程：

 

下图为CIS配置抓包的完整流程，1是Codec Config流程，2是QoS Config流程，3是建立CIS连接通道，4是Enabling流程，5是Streaming流程。下面详细分析每个流程的具体内容。

 

 

1、Central端对Headset端上下行的Codec进行配置，包括上行MIC采样率16kHz、下行双声道音频采样率48kHz，帧长10ms、位宽16bits等参数，Headset端会回复是否配置成功。

 

 

2、Central端对Headset端上下行的QoS进行配置，包括2M的PHY、Retransmision Number为13，Max Transport Latency为40ms等参数，Headset端会回复是否配置成功。

 

 

3、Central端发起CIS Request进行CIS的建立流程，包括ISO Interval为10ms，Sub Interval为1.410ms和开始建立CIS的锚点等参数。

 

 

4、Central端发起Enable控制命令，Headset端回复Enabling成功，回复Sink ASE和Sourc ASE端Enabling的ASE ID、CIS ID等参数。

 

 

5、Central端发起Enable控制命令，Headset端回复Streaming成功，回复Sink ASE和Sourc ASE端Streaming的ASE ID、CIS ID等参数。

 

 

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结合代码分析CIS音频流建立过程

 

 

下面我们结合Telink的b91_ble_audio_sdk中的LE Audio的应用代码来解析一个CIS音频流建立过程：

 

• CIS Audio服务配置，以及ASE Sink和ASE Source的音频能力参数配置表

 

 

• 设置扩展广播，参数设置可以对应上面抓包

 

• 注册profile事件回调函数表，下图仅列出对应ASE Sink和ASE Source配置流程的一些回调函数

 

 

• 设置codec的默认参数

 

扩展广播配置完成后会在ble协议栈运行起来后开始广播。Central设备在扫描到广播后进行ACL连接，并在完成ASE流程后发起CIS流程建立。

 

•  数据的接收和发送处理

 

 

将代码烧录到Telink B91 EVK，支持CIS的手机打开蓝牙即可搜索到"tlk_le_headset"设备，点击连接即可与手机进行数据通信，或者采用配套的dongle进行通信测试。

 

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展望

 

 

蓝牙5.2 LE Audio技术将极大扩展无线音频的应用场景。蓝牙5.2带来的无线多重串流音频技术，将从根本上改变人们对无线音频技术的使用习惯，为用户带来全新的体验，也为用户和市场带来无限可能。如果需要Ellisy抓包日志欢迎联系我们。

 

 

关 于 泰 凌

泰凌微电子致力于为客户提供一站式的低功耗高性能无线连接SoC芯片解决方案，包括经典蓝牙，蓝牙低功耗，蓝牙Mesh，Zigbee，Thread，Matter，Apple HomeKit，Apple“查找（Find My）”，和私有协议等低功耗2.4GHz多协议无线连接系统级芯片和丰富的固件协议栈。公司产品广泛应用于智能照明，智能家居/楼宇，智能遥控，无线外设，智能零售，穿戴设备，无线音频，智能玩具，物流追踪，智慧城市等各类消费和商业应用场景中。

 

 

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