通過BLE實現(xiàn)全雙工立體音頻流

1、前言

在無線藍牙領(lǐng)域，既能滿足超低功耗，又能進行全雙工語音通訊，一直是市場上的需求，比如：無線門鈴，短距離對講機等應(yīng)用。針對 BLE 語音相關(guān)的應(yīng)用場景，ST 推出了FP-AUD-BVLINKWB1 這個軟件包供客戶評估。

本文將對這個軟件包展開介紹，該軟件包主要包含以下特性：

? 使用 Opus v1.3 編碼和解碼，通過 BLE 實現(xiàn)全雙工立體音頻流。

? 使用自定義 BlueVoiceOPUS 協(xié)議，通過 API 即可使用 Opus 功能。

? 源碼包含數(shù)字音頻捕獲和處理。

? 可以通過 USB 進行音頻流的回放。

? 可使用麥克風(fēng)擴展板 X-NUCLEO-CCA02M2 + Nucleo 開發(fā)板 P-NUCLEO-WB55的組合或者探索板 STM32WB5MM-DK。

? 兼容 STBLESensor App。

? 免費開源。

感興趣的話歡迎從以下網(wǎng)址下載該軟件包進行評估：

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

2、軟件介紹

2.1. 軟件架構(gòu)

? Hardware Abstraction: 硬件抽象層，使用了 STM32 的 HAL 庫提供底層的硬件驅(qū)動。

? BSP 層：在 HAL 層之上，提供了板級支持包，包含了 SPI, ADC, LED 和 User Button等驅(qū)動。

? Middleware 層：中間件層，主要包含了以下內(nèi)容：

o STM32 WPAN：提供 BLE，Thread，Zigbee 等協(xié)議相關(guān)的接口 API，本應(yīng)用只使用了 BLE 協(xié)議。

o USB Device：提供各種不同 USB device 類的實現(xiàn)，本應(yīng)用中只使用了 USBAudio 類。

o PDM Lib：提供了數(shù)字麥克風(fēng) PDM 信號到 PCM 信號轉(zhuǎn)換的軟件實現(xiàn)。

o OPUS：開源第三方的 OPUS 庫，版本 v1.3。

2.2. Opus 簡介

Opus 是完全開源免費的高通用性音頻編解碼協(xié)議，由 Internet Engineering TaskForce (IETF)標(biāo)準(zhǔn)化。

Opus 可以處理廣泛的音頻應(yīng)用，包括 IP 語音、視頻會議、游戲內(nèi)聊天，甚至遠程現(xiàn)場音樂表演。它可以從低比特率窄帶語音縮放到非常高質(zhì)量的立體聲音樂，并且具備以下特點：

? 比特率范圍：6kb /s 到 510 kb/s

? 采樣率范圍：8kHz(窄帶)到 48kHz(全帶) ? 幀大小：2.5 ms 到 60 ms

? 比特率，采樣率，可動態(tài)調(diào)節(jié)幀大小

? 支持固定比特率(CBR)和可變比特率(VBR)

? 支持語音和音樂

? 支持單聲道和立體聲

? 最多支持 255 個通道

? 良好的魯棒性和丟包隱藏能力

? 支持浮點和定點

2.3. BlueVoiceOPUS 協(xié)議

BlueVoiceOPUS 是自定義協(xié)議，Central 和 Peripheral 是 GAP 層的角色，在點對點通訊中，主動發(fā)起連接請求的設(shè)備為 Central。在 GATT 協(xié)議中，Server 接受請求和命令，將數(shù)據(jù)保存在屬性中。Client 實施服務(wù)發(fā)現(xiàn)流程，并向 Server 請求數(shù)據(jù)。

如果是單向的非對稱語音系統(tǒng)，那么具備麥克風(fēng)的設(shè)備可以定義為 Server，Cient 客戶端可以主動或被動接收 Server 的語音數(shù)據(jù)流。

如圖 2，F(xiàn)P-AUD-BVLINKWB1 提供了雙向的系統(tǒng)，雙方設(shè)備都具備語音的能力，所以雙方都實現(xiàn)了 GATT Server 以及 Client 的角色。并且，Server 的語音數(shù)據(jù)基于notification 性質(zhì)，將以異步的方式主動發(fā)送給 Client。

2.3.1. BlueVoiceOPUS 服務(wù)

ATT 協(xié)議用于在設(shè)備中進行數(shù)據(jù)交換，ATT 的最小實體稱為屬性。GATT 服務(wù)由各種服務(wù)組成，其中服務(wù)由服務(wù)申明屬性作為起始，每一個服務(wù)又包含若干特性，特性由任意屬性或?qū)傩悦枋龇M成。

表 1 是典型的 BLE 服務(wù)的屬性表，其中包含了 1 個服務(wù)申明以及 3 個特性。Audio 特性用來通知對方設(shè)備音頻數(shù)據(jù)。Ctrl 特性通知對方設(shè)備控制數(shù)據(jù)，比如播放，暫停等。Music 特性用來通知對方音樂數(shù)據(jù)，該特性只在 ST BLE Sensor APP 中實現(xiàn)，取代 Audio特性，用來傳輸壓縮后的 48KHz 立體音樂。

2.3.2. BLUEVoiceOPUS 實現(xiàn)

在 Middleware 層，和 BlueVoiceOPUS 協(xié)議相關(guān)的文件包括：

? bvopus_service_stm：該文件管理所有和 BLE 相關(guān)的功能，包括添加服務(wù)和添加特性，以及數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。其中包含了一個簡單的數(shù)據(jù)封包和解析協(xié)議。

? opus_interface_stm：該文件實現(xiàn)了 Opus 編碼器和 BlueVoiceOPUS 服務(wù)的接口。提供簡單的 API 用于 Opus 初始化，配置，數(shù)據(jù)壓縮和解壓等。

2.4. 應(yīng)用層介紹

在軟件包中包含了三個主要的工程：

? BVLCentral：作為主設(shè)備主動發(fā)起連接，并提供 BlueVoiceOPUS 服務(wù)。

? BVLPeripheral：作為從設(shè)備廣播，并提供 BlueVoiceOPUS 服務(wù)。

? BVLPeripheral_FullBand：作為從設(shè)備廣播，提供 BlueVoiceOPUS 服務(wù), 可以通過BLE 接收立體聲音樂，但目前只能和 ST BLE Sensor 相連。

BVLCentral 和 BVLPeripheral 分別燒錄到 WB55 的開發(fā)板中，分別作為主機和從機，通過開啟或停止音頻通知，可以達到三種不同類型的通訊：單工，半雙工和全雙工。

? 當(dāng)設(shè)備在輸出音頻流時，應(yīng)用層負責(zé)語音的獲取，數(shù)據(jù)壓縮和封包，然后通過BlueVoiceOPUS 協(xié)議發(fā)送出去。

? 當(dāng)設(shè)備在接收音頻流時，應(yīng)用層通過從 BlueVoiceOPUS 協(xié)議中接收 BLE 數(shù)據(jù)包，然后解包和解碼 OPUS 語音數(shù)據(jù)。通過 P-NUCLEO-WB55 上的 SW1 控制打開或關(guān)閉語音流通道。通過 LED 顯示設(shè)備的狀態(tài)。

? 廣播/發(fā)現(xiàn)狀態(tài)：綠色 LED 閃爍

? 連接狀態(tài)：藍色 LED 緩慢閃爍

? 語音流狀態(tài)：藍色 LED 正常閃爍

? 接收狀態(tài)：藍色 LED 穩(wěn)定點亮（不閃爍）

? 全雙工狀態(tài)：藍色 LED 快速閃爍（雙方設(shè)備）

BVLCentral 可以由 APP(ST BLE Sensor)代替，完成設(shè)備和手機端的全雙工語音通訊。

整個應(yīng)用流程如圖 3 所示,整個流程介紹如下：? 從設(shè)備廣播，主設(shè)備發(fā)起連接，直到連接建立成功。

? 雙方互相完成服務(wù)和特性發(fā)現(xiàn)流程。

? 從設(shè)備通過按鈕，請求打開特性通知，主設(shè)備打開通知，從設(shè)備發(fā)送語音流，此時狀態(tài)為語音流狀態(tài)。

? 相反地，主設(shè)備通過按鈕，請求打開特性通知，從設(shè)備打開通知，主設(shè)備發(fā)送語音流，此時狀態(tài)變?yōu)槿p工狀態(tài)。

? 可以通過按鈕，開關(guān)語音流，改變語音流狀態(tài)。

3、系統(tǒng)部署指導(dǎo)

3.1. 兩塊 STM32WB 開發(fā)板之間的全雙工音頻流

如上圖 4 ，可以使用 P-NUCLEO-WB55 開發(fā)板與一塊麥克風(fēng)擴展板 X-NUCLEO-CCA02M2 進行組合。然后分別燒錄 BVLCentral 工程和 BVLPeripheral 工程。當(dāng)雙方設(shè)備建立連接以后，通過 Nucleo 上的 SW1 按鈕，就可以建立起半雙工或全雙工的語音流了。麥克風(fēng)擴展板可以對語音信號以 8kHz 或 16kHz 進行采集，并通過 BlueVoiceOPUS 協(xié)議傳輸，當(dāng)對方設(shè)備接收到語音數(shù)據(jù)后，通過 USB 保留到本地，然后使用 Audacity 或其他語音軟件播放。

如上圖 5，也可以使用 STM32WB5MM-DK 進行同樣的操作，該開發(fā)板使用了 STM32WB5MM的模組，并且板載了一塊 OLED 顯示屏供開發(fā)。

當(dāng)然也可以使用圖 4 和圖 5 的組合，只要一塊燒錄的是主機程序，另一塊燒錄的是從機程序即可。

3.2. STM32WB 開發(fā)板和手機之間的全雙工音頻流

除了上面的配置方法外，ST 還提供了 ST BLE Sensor 手機 APP 供測試。

如圖 6，手機可以作為主設(shè)備，掃描然后連接 STM32WB55 開發(fā)板，建立全雙工的音頻流的 BLE 鏈路。語音信號可以從開發(fā)板采集，發(fā)送到手機側(cè)進行播放。也可以從手機側(cè)采集，發(fā)送到開發(fā)板后，再通過 USB 進行播放。

3.3. STM32WB 開發(fā)板和手機之間的立體聲音樂播放

上面介紹的都是 8kHz/16kHz 的語音流，該軟件包還提供了全帶(Full-Band)的 48kHz 立體聲音樂流方案。

圖7. 48kHz 立體聲音樂流方案

如圖 7，手機掃描設(shè)備后，發(fā)起并建立連接，完成 GATT 服務(wù)發(fā)現(xiàn)流程，然后通過按鈕打開特性的通知屬性，建立全帶音頻流。APP 使用 OPUS 對手機內(nèi)音樂進行壓縮和封包，然后通過BLE 發(fā)送給開發(fā)板。開發(fā)板通過 USB 將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到 PC 上，最后使用 Audacity 或其他語音軟件進行播放或刻錄。

審核編輯：湯梓紅