【技術專欄】泰凌微電子藍牙低功耗音頻應用流程分析 —— Headset

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背景介紹

藍牙低功耗音頻（Bluetooth LE Audio，以下簡稱：LE Audio）代表著下一代智能音頻設備的功能趨勢，LE Audio技術基于藍牙核心規范5.2版本引入的連接同步數據流(Connected Isochronous Stream,簡稱CIS)傳輸特性。CIS基于設備間建立的低功耗藍牙ACL連接，在相連設備間建立固定時間間隔(ISO Interval)、點對點的雙向數據流傳輸通道。由Central（手機、電腦或平板等）發起的CIS是CIG (Connected Isochronous Group)的成員，每個CIS對應一個獨立的音頻流，每個Central設備可以有多個CIG。

耳麥(headset)是耳機(headphone)與麥克風(microphone)的整合體。實際上就是耳機跟麥克風整合成為一體，通常Headset的耳機是播放立體聲音頻，麥克風采集單聲道音頻。本文主要介紹基于LE Audio的Headset應用流程分析。

Headset場景圖

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Ellisys抓包流程分析

Headset的音頻源設備通過CIG的CIS來傳播音頻數據，Headset端發送可連接的擴展廣播（EA），Central端掃描到Headset端設備信息后先跟其建立ACL連接，兩端交互LE Audio的音頻能力以及配置ASE端點，然后再由Central發起建立CIS連接。

擴展廣播：

• ADV_EXT_IND PDU——擴展廣播PDU

• AUX_ADV_IND PDU——輔助廣播PDU

• AUX_CHAIN_IND PDU——輔助鏈廣播PDU（可選）

ADV_EXT_IND PDU在37，38，39主頻段進行廣播，它的擴展頭字段包含一個AuxPtr字段，其中包含使其能夠與輔助AUX_ADV_IND PDU同步的數據。ADV_EXT_IND PDU的AuxPtr字段指向AUX_ADV_IND，即AuxPtr的值指向ADV_EXT_IND PDU廣播所在的其余0~36個頻段中的一個。

AUX_ADV_IND PDU包含一個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聲明Headset設備外觀，RSI聲明支持CSIS(Coordinated Set Identification Service)，TMAS聲明設備支持Call Terminal和Unicast Media Receiver。

ASE狀態機簡介

ASCS中定義了Audio Stream Endpoint(簡稱 ASE) ，ASE又分為Source ASE和Sink ASE，其狀態機流轉分別如下圖所示，包含以下幾個狀態：

• Idle——待機態，初始化默認處于Idle狀態。

• Codec Configured——音頻參數，如采樣率、位寬、幀長等配置完成。

• QoS Configured——連接參數，如PHY、Retransmit Num、Max Transport Latency等配置完成。

• Enabling——使能態，client和server之間的CIS開始建立或者已經建立完成。

• Streaming——流狀態，音頻流建立完成，音頻數據可以在client和server之間傳遞。

• Releasing——釋放態，音頻資源釋放，該狀態是一個中間態，可通過除Idle態外的任何一個狀態進入。

• Disabling——失效態，音頻流停止，該狀態只是一個中間態，可通過Receive stop ready操作退回到QoS Configured狀態。需要注意：該狀態只有Source ASE才擁有。

Source ASE狀態機流轉圖

Sink ASE狀態機流轉圖

接下來通過抓包來更加直觀的觀察上述的的音頻流過程：

首先挑選一個ADV_EXT_IND PDU包，通過AuxPtr可以同步到它指向的AUX_ADV_IND PDU所在的頻段11和偏移位置1.02ms。

然后通過AUX_CONNECT_REQ和AUX_CONNECT_RSP進行ACL連接，完成加密和服務發現等流程，包括下面要介紹的ASE交互流程。

Central端發現Headset端Sink和Source支持的音頻能力，包括采樣率、采樣周期、編碼方式等參數。Sink音頻能力是Headset的音頻播放（揚聲器），Source音頻能力是Headset的音頻采集（麥克風），下圖Source支持的詳細音頻參數，Sink端與其類似。

這部分通過抓包詳細解析CIS配置流程：

下圖為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連接通道，4是Enabling流程，5是Streaming流程。下面詳細分析每個流程的具體內容。

1、Central端對Headset端上下行的Codec進行配置，包括上行MIC采樣率16kHz、下行雙聲道音頻采樣率48kHz，幀長10ms、位寬16bits等參數，Headset端會回復是否配置成功。

2、Central端對Headset端上下行的QoS進行配置，包括2M的PHY、Retransmision Number為13，Max Transport Latency為40ms等參數，Headset端會回復是否配置成功。

3、Central端發起CIS Request進行CIS的建立流程，包括ISO Interval為10ms，Sub Interval為1.410ms和開始建立CIS的錨點等參數。

4、Central端發起Enable控制命令，Headset端回復Enabling成功，回復Sink ASE和Sourc ASE端Enabling的ASE ID、CIS ID等參數。

5、Central端發起Enable控制命令，Headset端回復Streaming成功，回復Sink ASE和Sourc ASE端Streaming的ASE ID、CIS ID等參數。

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結合代碼分析CIS音頻流建立過程

下面我們結合Telink的b91_ble_audio_sdk中的LE Audio的應用代碼來解析一個CIS音頻流建立過程：

• CIS Audio服務配置，以及ASE Sink和ASE Source的音頻能力參數配置表

• 設置擴展廣播，參數設置可以對應上面抓包

• 注冊profile事件回調函數表，下圖僅列出對應ASE Sink和ASE Source配置流程的一些回調函數

• 設置codec的默認參數

擴展廣播配置完成后會在ble協議棧運行起來后開始廣播。Central設備在掃描到廣播后進行ACL連接，并在完成ASE流程后發起CIS流程建立。

• 數據的接收和發送處理

將代碼燒錄到Telink B91 EVK，支持CIS的手機打開藍牙即可搜索到"tlk_le_headset"設備，點擊連接即可與手機進行數據通信，或者采用配套的dongle進行通信測試。

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展望

藍牙5.2 LE Audio技術將極大擴展無線音頻的應用場景。藍牙5.2帶來的無線多重串流音頻技術，將從根本上改變人們對無線音頻技術的使用習慣，為用戶帶來全新的體驗，也為用戶和市場帶來無限可能。如果需要Ellisy抓包日志歡迎聯系我們。

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