Explorando o Áudio Bluetooth LE

O Áudio Bluetooth® LE revoluciona o áudio sem fio ao oferecer qualidade superior, maior eficiência energética e menor latência, melhorando desde dispositivos pessoais até transmissões públicas.

O que é o Áudio Bluetooth® LE?

O Áudio Bluetooth® Low Energy (LE) é um novo recurso que permite a transmissão de áudio via Bluetooth® Low Energy, tornando-o acessível à maioria dos dispositivos Bluetooth®. No entanto, dispositivos que ainda exigem um controlador dual-mode para streaming no Bluetooth® Clássico são uma exceção. Desenvolvido pelo Bluetooth® Special Interest Group (Bluetooth® SIG), esse recurso representa um grande avanço na tecnologia de áudio sem fio.

Mais do que uma simples melhoria nas funções já existentes, como chamadas sem fio e streaming de mídia, o Áudio Bluetooth LE é uma evolução completa do padrão de áudio Bluetooth. Essa inovação traz novos recursos e aprimoramentos que transformam a experiência sonora, priorizando maior eficiência energética, menor latência e maior largura de banda.

A crescente aplicação do Áudio LE

A crescente adoção do Áudio LE está transformando o áudio sem fio com versatilidade, eficiência e inovação incomparáveis em diversos setores. Ele vem sendo amplamente utilizado em dispositivos de áudio pessoal, como fones de ouvido, headphones e alto-falantes inteligentes, além de sistemas de transmissão pública em museus, conferências e terminais de transporte. No setor de saúde, melhora aparelhos auditivos e dispositivos assistivos ao proporcionar streaming de alta qualidade e baixo consumo de energia, ampliando a duração da bateria.

O recurso Auracast™ do Áudio LE permite que locais públicos transmitam áudio simultaneamente para vários usuários, ampliando a acessibilidade. Sua baixa latência e capacidade de múltiplos fluxos, fazem dele ideal para jogos, enquanto o compartilhamento de áudio entre dispositivos simplifica a experiência do usuário. Além disso, o Áudio LE se integra perfeitamente a casas inteligentes, garantindo áudio sincronizado entre alto-falantes e dispositivos, e suporta opções multilíngues em espaços públicos. Esses avanços reforçam o potencial do Áudio LE para revolucionar o áudio sem fio em diversas indústrias.

Principais avanços do áudio LE

Os avanços no áudio Bluetooth LE são divididos em três áreas principais: padronização de recursos específicos, otimização da experiência sonora e aprimoramentos no áudio de transmissão Auracast™. Essas inovações redefinem nossa experiência sonora, impulsionando a evolução do áudio sem fio.

O Bluetooth LE Audio se consolidou como uma plataforma universal para áudio sem fio, trazendo melhorias significativas, como a padronização de recursos essenciais, incluindo o codec LC3, que garante alta qualidade sonora mesmo em taxas de dados reduzidas. Essa padronização amplia a compatibilidade entre dispositivos, proporcionando uma experiência mais integrada. Além disso, a tecnologia avança na acessibilidade auditiva, beneficiando pessoas com deficiência auditiva. Um de seus recursos mais inovadores é o suporte ao áudio multistreaming, permitindo a sincronização precisa de múltiplos fluxos de áudio com latência ultra baixa, ideal para aplicações que exigem máxima precisão na entrega sonora.

O Auracast™ Broadcast Audio é um recurso inovador do Áudio Bluetooth LE. Essa tecnologia permite que uma única fonte de áudio seja transmitida para vários receptores, possibilitando novas aplicações em transmissões públicas e privadas. O Auracast™ substitui o antigo recurso de Compartilhamento de Áudio e introduz um novo padrão Bluetooth que permite que um dispositivo transmissor envie um ou mais fluxos de áudio para um número ilimitado de dispositivos receptores. Esse recurso facilita o compartilhamento de áudio e o acesso a transmissões públicas, independentemente do ambiente ou da quantidade de dispositivos conectados.

O Bluetooth® Clássico (BR/EDR) ainda é o sistema de áudio sem fio mais utilizado globalmente. Já a nova geração, Áudio Bluetooth® Low Energy (LE), reduz o consumo de energia e possibilita novos formatos de transmissão de áudio. O Auracast™ Broadcast Audio, como parte desse novo padrão, permite que os ouvintes compartilhem áudio com várias pessoas ao mesmo tempo. Ele se baseia em três pilares principais: compartilhar áudio, remover barreiras sonoras e proporcionar experiências auditivas ideais em diversos ambientes. Com o Auracast™, os usuários podem convidar outras pessoas para compartilhar suas experiências sonoras, ouvir a TV em espaços públicos com áudio ajustado e desfrutar de áudio de alta qualidade em qualquer lugar.

Abaixo está uma comparação destacando as principais diferenças entre o Áudio Bluetooth LE e o Bluetooth Clássico.

Com esses avanços, o Áudio Bluetooth LE está prestes a se tornar a base para as futuras inovações em áudio sem fio, impulsionando o desenvolvimento de novos dispositivos e aplicações, como aparelhos auditivos avançados, experiências de jogos e tecnologias de compartilhamento de áudio de próxima geração. Ao estabelecer novos padrões, o áudio Bluetooth LE aprimora a exposição ao som e as capacidades de transmissão, abrindo caminho para um futuro de áudio mais interconectado.

• Gestão de streams: Novas especificações garantem a interoperabilidade essencial para dispositivos de áudio, abrangendo a detecção e configuração de streams de áudio unicast e broadcast. Os componentes principais incluem o Basic Audio Profile (BAP), Published Audio Capabilities Service (PACS), Audio Stream Control Service (ASCS) e Broadcast Audio Scan Service (BASS).
• Controle de mídia: Define como o controle da mídia é realizado por meio do Media Control Profile (MCP) e Media Control Service (MCS).
• Controle de chamadas: Estabelece os padrões para o controle de chamadas em todos os tipos de comunicação por voz, utilizando Call Control Profile (CCP) e Telephone Bearer Service (TBS).
• Áudio comum: Gerencia streams de áudio com intervalos regulares e constantes entre os dispositivos em cenários de múltiplos serviços, integrando controles de mídia e volume por meio do Common Audio Profile (CAP) e Common Audio Service (CAS).
• Dispositivos coordenados: Identifica e gerencia dispositivos que fazem parte de um conjunto coordenado, como fones de ouvido verdadeiramente sem fio, por meio do Set Identification Profile (CSIP) e Coordinated Set Identification Service (CSIS).
• Controle de microfone: Especifica o controle do microfone com o Microphone Control Profile (MICP) e Microphone Control Service (MICS).
• Controle de volume: Estabelece padrões para o controle de volume e balanceamento, incluindo o Volume Control Profile (VCP), Volume Control Service (VCS), Volume Offset Control Service (VOCS) e Audio Input Control Service (AICS).

Codec LC3

Um codec de áudio é essencial para comprimir um sinal de áudio na origem para transmissão e descomprimir no destino para reprodução. O desempenho de um codec é determinado por três parâmetros principais: Taxa de Amostragem (Hz), Profundidade de Bit (bits) e Taxa de Bits (kbps). A Taxa de Amostragem captura a amplitude do sinal em um ponto específico no tempo, enquanto a Profundidade de Bit refere-se ao número de bits em cada amostra. Taxas de amostragem mais altas resultam em um sinal de áudio mais fiel ao original, mas também geram arquivos de áudio maiores. A Taxa de Bits, medida em kilobits por segundo, está relacionada à qualidade do áudio do sinal comprimido. Músicas de boa qualidade possuem uma taxa de bits de 96 kbps ou mais. De acordo com o Teorema de Amostragem de Nyquist, a frequência de amostragem deve ser o dobro da frequência do sinal original.

O áudio Bluetooth®LE é baseado no Codec de Comunicação de Baixa Complexidade (LC3), desenvolvido pela Fraunhofer. Este codec é obrigatório e fornecido gratuitamente para produtos de áudio Bluetooth®LE, garantindo total interoperabilidade sem a necessidade de codecs específicos de fornecedores. O LC3 oferece qualidade superior em comparação com o codec obrigatório do áudio Bluetooth®clássico, é independente de canal e é adequado para aplicações de música e voz. Ele também permite baixa latência, conforme definido nos perfis de áudio. O LC3 substitui o Codec de Sub-banda (SBC) e suporta aplicações de múltiplos sinais comprimidos e fones de ouvido verdadeiramente sem fio (TWS), facilitando sinais independentes para os canais esquerdo e direito, com alta sincronização.”

As propriedades técnicas do LC3 incluem

• Codec de áudio de transformação baseado em bloco
• Ampla gama de taxas de bits utilizáveis
• Intervalo de quadro de 10 ms e 7,5 ms
• Suporta as seguintes profundidades de bit: 16, 24 e 32 bits por amostra de áudio
• Suporta um número ilimitado de canais de áudio
• Suporta as seguintes taxas de amostragem: 8 kHz, 16 kHz, 24 kHz, 32 kHz, 44,1 kHz e 48 kHz

A avaliação da qualidade dos codecs envolve a comparação da qualidade do áudio antes e depois da compressão e descompressão. Além de testes subjetivos de escuta ao vivo, também existem métodos objetivos quantitativos para medir o desempenho do codec.

Conectividade e latência do áudio BLE

Quanto ao áudio Bluetooth®LE, ele trata das preocupações com a latência do áudio gerenciando diversas sub-latências, como o atraso de buffering, atraso algorítmico, atraso de apresentação, atraso de aplicação, atraso do controlador e atraso de transporte. O atraso de buffering é o tempo necessário para armazenar um quadro em buffer e é influenciado pelo codec utilizado. O atraso algorítmico garante a continuidade suave do sinal durante as transformações matemáticas. O atraso de apresentação pode ser ajustado por perfis dentro de uma faixa suportada para sincronizar múltiplos dispositivos.

O atraso de aplicação é externo ao controlador, com um mínimo determinado pela velocidade de processamento de áudio e um máximo relacionado aos recursos de buffering. O atraso do controlador é interno ao controlador, com um mínimo vinculado à velocidade de processamento do codec e ao tempo de preparação do rádio, e um máximo determinado pelos recursos de buffering.

A camada de link introduz a latência de transporte, ilustrada na (Figura 2), que representa o tempo máximo para transmitir um pacote por um link isocrônico. Uma latência de transporte mais alta permite mais oportunidades para retransmitir um pacote, melhorando a qualidade do serviço. O atraso de apresentação, ajustado pelos perfis de áudio Bluetooth®LE, ajuda a sincronizar o áudio quando múltiplos servidores ou receptores de transmissão estão envolvidos. O dispositivo distribui o atraso entre os atrasos do Controlador e da Aplicação no nível da aplicação, com base nos intervalos de ambos.

Exemplo de MCU compatível com áudio Bluetooth LE

As famílias de microcontroladores MAX32655 e MAX32665 são ideais para o desenvolvimento de aplicações de áudio LE. Esses chips suportam múltiplas conexões de alta velocidade na PHY de 2 Mbps, permitindo compartilhamento contínuo de áudio e som verdadeiramente sem fio entre dispositivos. Com múltiplos processadores, essas famílias permitem uma divisão flexível da pilha Bluetooth e do codec LC3, além de suportar o processamento adicional de sinais de sensores e periféricos. A família MAX32665 é especialmente adequada para aplicações que exigem mais memória, armazenamento na flash e capacidade de processamento.

Na Figura 3, é ilustrado que o MCU MAX32655 é um sistema avançado em chip (SoC) equipado com um processador Arm® Cortex®-M4F, proporcionando uma computação eficiente e algoritmos complexos. Ele suporta o rádio Bluetooth 5.2 LE, que inclui recursos como Áudio LE, Ângulo de Chegada (AoA) e Ângulo de Partida (AoD) para detecção de direção, modos de longo alcance (codificado) e alta taxa de transferência.

O rádio Bluetooth 5 LE é a mais recente tecnologia de comunicação sem fio, projetada para operação de baixo consumo de energia. É ideal para dispositivos de áudio sem fio e aplicações IoT. Operando na faixa ISM de 2,4 GHz, utiliza um transceptor com salto de frequência para minimizar a interferência. A tecnologia Bluetooth 5 suporta várias taxas de dados (1 Mbps, 2 Mbps e Long Range codificado), recursos aprimorados de transmissão, ajuste de antena integrado e criptografia/descriptografia em hardware, tudo contribuindo para um menor consumo de energia. Ela também suporta redes em malha e transmissão de áudio isocrônico de alta qualidade com eficiência otimizada de energia, incluindo uma potência de transmissão de até +9,5 dBm e baixo consumo de corrente durante a transmissão e recepção.

Visão geral da pilha Bluetooth do MAX32655

A Visão Geral da Pilha Bluetooth (Figura 4) apresenta um acelerador de hardware Bluetooth dedicado, que elimina a necessidade de software de aplicação para atender a requisitos de tempo rigorosos. Esse design melhora o desempenho do sistema e reduz o consumo geral de energia.

A Maxim oferece a pilha Arm Cordio®-B50 em formato de biblioteca, facilitando a integração da funcionalidade Bluetooth pelos desenvolvedores, sem a necessidade de validação e desenvolvimento extensivos de software. Essa pilha se comunica diretamente com a camada de link Bluetooth, que é executada em hardware dedicado, garantindo gerenciamento de energia otimizado para aplicações IoT. Para garantir o funcionamento adequado, o rádio e o Acelerador de Hardware exigem um cristal externo de 32 MHz, conforme especificado na folha de dados. Além disso, o núcleo do CPU que hospeda a pilha Arm Cordio-B50 deve operar a uma velocidade superior a 32 MHz.

Contato da Newark no Brasil

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* Texto originalmente publicado em: link