Ze względu na swoją wygodę i mobilność słuchawki bezprzewodowe zyskują na coraz większej popularności. Jak podaje Washington Post, w 2023 roku w Stanach Zjednoczonych kupiono już 81 milionów par takich słuchawek, w porównaniu do 39 milionów wersji z kablem. Budowa i konfiguracja pary słuchawek bezprzewodowych, składających się z dwóch niezależnych urządzeń, stanowi jednak duże wyzwanie w zakresie synchronizacji dźwięku. Jakie metody stosujemy, aby osiągnąć tu idealną harmonię i co z tym wspólnego ma słynny szpagat z reklamy samochodów ciężarowych?
Problem synchronizacji – od samochodów do słuchawek Bluetooth
Wszyscy pamiętamy reklamę marki Volvo, w której 11 lat temu Jean Claude van Damme wykonał „The Epic Split” – szpagat na lusterkach cofającej się pary samochodów ciężarowych. Zaczynamy od niej dlatego, że to doskonały przykład problemu synchronizacji dwóch niezależnych urządzeń pochodzący spoza przestrzeni wirtualnej – w tym wypadku dokonywanej manualnie przez dwóch kierowców.
W trakcie kierujący pojazdami musieli zwrócić uwagę na dwie zasadnicze kwestie:
- Ciężarówki muszą być ustawione równolegle i poruszać się ze stałą prędkością.
- Kierowcy muszą komunikować się zarówno z aktorem, jak i między sobą.
Jak zastosować tę analogię w kontekście technologii Bluetooth w słuchawkach bezprzewodowych?
- Dźwięk musi być odtwarzany ze stałą prędkością oraz być zsynchronizowany.
- Słuchawki muszą „komunikować się” zarówno z telefonem, jak i między sobą.
Stała prędkość odtwarzania audio pomiędzy słuchawkami
Problem utrzymywania stałej prędkości obu ciężarówek nie jest trywialny. Dokładność licznika prędkości pojazdu wynosi do 1 km/h. Dodatkowo istnieje niepewność związana z pomiarem prędkości kątowej osi oraz nieznajomością dokładnej średnicy koła. Rozjazd ciężarówek spowodowałby ześlizgnięcie się van Damme’a z lusterek pojazdów i spektakularny upadek.
W świecie audio prędkość odtwarzania w obu słuchawkach jest teoretycznie stała – wynika to z tożsamego kodu i sprzętu, na którym jest on uruchomiony. Procesor wykonuje instrukcje zgodnie z częstotliwością zegara dostarczaną zazwyczaj z zewnątrz. Źródłem zegara jest najczęściej rezonator kwarcowy, który opiera się na efekcie piezoelektrycznym. Częstotliwość drgań jest zależna od kształtu kryształu kwarcu i elektrod, a także od temperatury. Ze względu na niedoskonałość procesu produkcyjnego oraz różnicę warunków pracy (np. jedna słuchawka pozostająca w cieniu) występują niewielkie różnice w częstotliwości generowanego sygnału. W przypadku dłuższego odtwarzania muzyki różnica ta powoduje, że dźwięk w jednej słuchawce wyprzedza dźwięk w drugiej. Użytkownik początkowo będzie odbierał to jako kierunkowość dźwięku (wrażenie, że źródło dźwięku znajduje się z którejś strony głowy), a po dłuższym czasie jako asynchroniczność audio uniemożliwiającą dalsze słuchanie.
W celu rozwiązania tego problemu zazwyczaj mierzymy rzeczywistą ilość przetworzonego dźwięku, np. w bajtach lub w zboczach zegara (momentach, w których sygnał zegara zmienia swój stan). Porównując dwie wartości między słuchawkami, możemy dokonać korekty rzeczywistej prędkości odtwarzania.
Rysunek 1 – Przedstawienie dwóch przebiegów kwadratowych o różnej częstotliwości. Widać, że kolejne zbocza wraz z upływem czasu powoli się rozsuwają.
Czym jest snooping w komunikacji między słuchawkami?
Jean Claude van Damme’a możemy potraktować jako kierownika popisu kaskaderskiego. Mimo że w reklamie tego nie widać, łatwo wyobrazić sobie sytuację, w której to on wydaje komendy kierowcom, takie jak: „Start”, „Szybciej”, „Wolniej”, „Bliżej” lub „Dalej”. Przy braku wykorzystania bezprzewodowych środków komunikacji wszyscy uczestnicy polegają na komunikacji głosowej. Kierownik musi przekazać komendę, a kierowcy – potwierdzić jej odebranie. Komenda dociera do obu kierowców, ale wystarczy, że tylko ten siedzący bliżej ją potwierdzi. W przypadku gdy komendę słyszy tylko jeden z kierowców, musi on przekazać ją do drugiego. Jeżeli to ten siedzący bliżej nie usłyszy komendy, drugi kierowca musi potwierdzić jej otrzymanie za niego. Ta dosyć złożona logika ma na celu ograniczenie komunikacji pomiędzy kierownikiem akcji oraz kierowcami, a także scedowanie powtórzeń na kierowców.
Analogiczna sytuacja występuje w przypadku słuchawek. Obie muszą monitorować komunikację, ponieważ nie ma czasu na przesyłanie całego strumienia audio pomiędzy nimi nawzajem. Ze względu na brak możliwości podłączenia dwóch słuchawek do telefonu jednocześnie, stosuje się tzw. snooping (z ang. węszenie, wścibianie nosa). To metoda, w ramach której druga słuchawka, posiadając wszystkie informacje o połączeniu, jest w stanie podsłuchać komunikację i odebrać dane z dźwiękiem. Słuchawka podsłuchująca komunikację wie, kiedy główna powinna potwierdzić pakiet i w przypadku, gdy do tego nie dojdzie, może to zrobić w zastępstwie za główną.
Takie zachowanie ogranicza liczbę retransmisji. Wykorzystując połączenie bezprzewodowe, słuchawki mogą wymieniać się brakującymi pakietami, co ogranicza zniekształcenia audio.
Rysunek 2. Schemat snoopingu. Czerwona strzałka to połączenie pomiędzy słuchawką główną (primary) i telefonem (phone). Słuchawka podsłuchująca (secondary) nie utrzymuje swojego połączenia z telefonem, a w razie konieczności komunikacji podaje się za słuchawkę główną, dlatego żółta strzałka przy telefonie zaczyna się w tym samym miejscu, co czerwona. Na niebiesko zaznaczono komunikację między słuchawkami (headphones connection).
LE Audio – nowy standard strumieniowania dźwięku
Niedawno pojawił się nowy standard przesyłania dźwięku przy pomocy Bluetooth o nazwie LE Audio. Wykorzystuje on do strumieniowania Bluetooth w wersji Low Energy, który zużywa dużo mniej energii niż dotychczasowa wersja i pozwala urządzeniom pracować dłużej bez konieczności ładowania baterii.
Telefon przesyła audio jednocześnie do dwóch słuchawek, bez konieczności stosowania snoopingu. Paczki strumienia audio są przesyłane ze stałym i znanym okresem (np. co 10 milisekund słuchawka otrzymuje kolejne fragmenty nagrania o długości 10 milisekund), a urządzenia synchronizują się o wiele łatwiej. Dodatkowo dotychczasowy kodek Subband Coding (SBC) został w LE Audio zastąpiony nowym Low Complexity Communication (LC3), który dostarcza użytkownikom słuchawek dźwięk wyższej jakości. Inaczej mówiąc, nastąpiła znaczna poprawa szczegółowości i czystości dźwięku.
Nowy standard znacznie zwiększył przepustowość połączenia, pozwalając na przesyłanie większej ilości danych – do 6 niezależnych strumieni. Możliwe jest też dokładniejsze zarządzanie dźwiękiem. Zamiast trybu stereo i mono otrzymujemy dźwięk przestrzenny lub transmisję kilku wersji językowych jednocześnie. Dodany został także tryb przesyłania dźwięku do wszystkich zsynchronizowanych urządzeń w zasięgu nadajnika.
Ze względu na rozległość nowego standardu oraz konieczność posiadania radia Bluetooth w odpowiednim standardzie technologia LE audio jest obecnie wspierana w niewielkiej liczbie telefonów oraz słuchawek, co oznacza, że jej rozwój odbywa się na naszych oczach właśnie teraz.
Podsumowanie – rola Comarch we wprowadzaniu na rynek słuchawek obsługujących nowe wersje Bluetooth
Synchronizacja strumienia audio jest kluczowym wyzwaniem dla bezprzewodowych słuchawek, determinującym możliwość słuchania długich nagrań. Komunikacja między słuchawkami umożliwia poprawę jakości odtwarzanego dźwięku poprzez ograniczenie liczby zgubionych pakietów. Wprowadzenie nowego standardu LE Audio pozwoli na rozwiązanie problemów obecnej implementacji True Wireless Stereo (TWS), czyli odtwarzania dźwięku w słuchawkach stereofonicznie, bez konieczności utrzymywania połączenia przewodowego.
Jaka jest rola Comarch w zakresie rozwoju urządzeń audio wykorzystujących Bluetooth? Zespół naszych inżynierów, wśród wielu dostarczonych rozwiązań, może pochwalić się także udanymi implementacjami słuchawek wykorzystujących tę technologię. Przygotowane przez nas urządzenia zostały przy fachowym wsparciu specjalistów Comarch wprowadzone do produkcji masowej oraz sprzedaży. Obecnie pracujemy również nad implementacją synchronizacji audio dla słuchawek bezprzewodowych.
Więcej na temat doświadczenia Comarch w tym zakresie przeczytasz w Case Study: Comarch Experience in Bluetooth.