古老无线再升级 深入了解蓝牙5.0技术

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作为最古老的无线传输技术之一，蓝牙如今已经迭代更新到了5.0版本，绝大多数新款手机和蓝牙耳机，也都将蓝牙5.0技术列入了标配选项。那么，和我们更熟悉的蓝牙4.x相比，蓝牙5.0都有了哪些改变？它又能为蓝牙外设带来多少喜人的进化？
蓝牙由4到5的进化
- y  h) `( x9 R' `6 [. \蓝牙（Bluetooth）是一项诞生于1998年的“古老”无线技术，但它真正被人广泛认知的时间点，则要被推迟到2007年蓝牙2.0/2.1+EDR标准的推广。随着PC无线网卡的更新，以及智能手机进入4G时代，蓝牙技术则经历了从4.0→4.1→4.1→5.0的更新，所以在探讨蓝牙5.0之前，咱们还是应该重新回顾一下蓝牙4.x的特色。

小提示：在蓝牙3.0时代，蓝牙技术联盟曾带来过HS（High Speed）高速协议，允许移动设备之间借道Wi-Fi通道实现24Mbps的传输速度。而从蓝牙4.0开始，我们所接触的蓝牙设备大都主打低功耗蓝牙（BLE，如蓝牙4.2LE），速度和功耗的平衡才是蓝牙未来的发展方向。面对大量低功耗且结构紧凑型设备的需求，芯片制造商正逐渐将主控制器和射频等功能集成在一颗单芯片里，形成了BLE SoC再提供给客户使用。
蓝牙4.x的变化
和早期的蓝牙版本相比，蓝牙4.0曾被官方称为“Bluetoothsmart”（智慧蓝牙），它加入了革命性的BLE协议部分，并在高度集成的设备中增加了低功耗的物理层和链路层，具备更省电、成本低、低延迟、连接距离增加和AES-128加密等特性。可以说，从蓝牙4.0开始，它往后的蓝牙版本都开始致力于针对物联网设备进行优化升级。

( s! l3 F3 J7 A& f- M; C4 j蓝牙4.1标准于2013年推出，它解决了蓝牙技术对4G信号有所干扰的隐患，同时还支持IPv6，可同时发射/接收数据（即同时连接多台设备），单包数据传输的最大值也从20字节上调到23字节，提升了15%的数据传输率。
3 u# t2 l! r/ c: O  ^; f2014年底发布的蓝牙4.2标准，它主要在传输速度和安全性方面做出了较大的改进。蓝牙4.2的最大单包数据传输指标（可以理解为带宽）从4.1时期的23字节提升到了255字节，可容纳的数据量提升了10倍有余，从而使数据传输速度提升了约2.5倍。此外，蓝牙4.2对设备间的秘钥管理更加严苛，可避免被中间人破解密钥的事件发生，同时还允许蓝牙设备通过IPv6通道进行联网，让各种穿戴式、IoT设备之间实现数据的同步和联动。

7 `1 n; V6 j) `0 g# u蓝牙5.0的进化
蓝牙5.0标准诞生在2016年，它较蓝牙4.2（LE低功耗蓝牙）实现了速度、距离和连接性方面的质变。

1 Q5 @" [4 Y" G- [$ B从官方给出的具体指标来看，蓝牙5.0较之蓝牙4.2可以带来4倍的传输距离（300米，但这只是理论值，要知道蓝牙4.2在超过10的距离后信号就已经很微弱了）、2倍的传输速度（从1Mbps提升到2Mbps）、8倍广播数据传输量（可同时对多台蓝牙音频设备输出音频信号，从而更容易架设环场音效）。此外，蓝牙5.0增添了导航功能，配合无处不在的Wi-Fi和蓝牙信号可以实现精准度接近1米的室内定位。
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1 B: B' P( N, ^' u蓝牙5.0还可以算是针对IoT设备量身定制的新一代无线标准，它的功耗比蓝牙4.2更低，并对物联网进行了很多底层优化，比如引入了蓝牙网状网络（meshnetworking）技术，它打破了传统蓝牙设备间“一对一”的配对，转变成“多对多”的讯号传输模式，可以使蓝牙5.0设备相互作为信号中继站（类似于电力猫），从而将蓝牙信号传递到无限远（理论上）。
+ l! _( Y4 J. ^并不顺利的普及之路
0 u1 W9 U% B& F# M9 |; ?' x+ x作为一项非常“给力”的无线技术，早在2017年初蓝牙5.0技术就已经“入驻”智能手机领域。但是，直到2018年底，蓝牙5.0却依旧没能在手机圈中普及，这又是为什么呢？
就手机处理器平台（SoC）很多人都存在一个误区，以为SoC是在单芯片上就集成了包括CPU、GPU、ISP、Modem、Wi-Fi、蓝牙、电源管理等所有模块。实际上，包括Modem、Wi-Fi、蓝牙、电源管理在内的很多模块，都是以独立芯片的形式共存于同一块PCB主板之上的，因此一款SoC的理论参数并不代表手机可以实现的实际参数。
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9 f7 |' l. z) F2 D- c6 G小提示：同样是蓝牙5.0芯片，也会根据客户的需求，在功能和性能上出现差异化，比如为了追求低功耗长待机而取消对双模、高清协议的支持。
- W4 A0 E7 G/ Z: y比如，高通从骁龙636开始就已经加入了对蓝牙5.0技术的支持，但市面上搭载骁龙636且支持蓝牙5.0的手机却仅限红米Note5等极少数产品，其他手机大都却采用骁龙636和蓝牙4.2芯片搭配的方式。
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2 J# e# D- X# H( Z红米Note 5官网参数显示支持蓝牙5.0
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& x6 ^1 V9 \  |5 }3 F2 S$ l: G同样搭载骁龙636的荣耀8X Max仅支持到蓝牙4.2
原因很简单，蓝牙5.0技术并非手机的“刚需”，而蓝牙5.0芯片的成本也要高于蓝牙4.0芯片，所以在过去的很长一个时期，绝大多数手机厂商都对蓝牙5.0“不感冒”。
7 J* x$ `$ M! B6 H华为/荣耀就是不着急推广蓝牙5.0的手机厂商代表之一，无论是搭载麒麟970的上代旗舰Mate 10/P20，还是搭载麒麟710的新机荣耀8X，哪怕麒麟970和麒麟710理论上都支持蓝牙5.0，但上述手机的蓝牙标准却还停留在4.2时期。目前，该品牌旗下只有Mate 20系列、荣耀Magic 2/荣耀V20等搭载麒麟980的新品才刚刚正式引入蓝牙5.0技术。
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52audio曾整理过截至2018年10月支持蓝牙5.0手机的列表，虽然不算特别全，但也能印证一点——蓝牙5.0并没有在智能手机领域普及，它依旧是少数中高端手机的专利。
& g% `" C1 w" }- v市场需求还待培育
蓝牙5.0之所以没能出现爆发式增长，除了蓝牙5.0芯片成本较高以外，最大的制约因素还是在于市场需求不够旺盛，因为蓝牙技术的应用领域对普通用户而言还是比较局限。
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9 l4 g  C# W  J3 ?比如，蓝牙传输速度再快，能有Wi-Fi快？各种分享APP可以构建无线热点通道，轻松实现超过20MB/s的数据传输环境；蓝牙传输距离再远，有人就该担心风险了——偷手机的贼都离开地铁站了，戴着蓝牙耳机听歌的你却还没有任何察觉；蓝牙5.0虽然可以助力IoT的发展，但IoT是个啥很多用户心里却还没有概念……
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) r# H, o7 Z% B) S* z* P因此，在蓝牙5.0还没有杀手级应用环境之前，手机厂商持谨慎的推广态度就在情理之中了。好消息是，随着参与蓝牙5.0芯片研发的厂商越来越多（如高通、CSR、德州仪器、意法半导体、Nordic、Dialog、东芝和炬力等），蓝牙5.0的猎装门槛也在逐渐下降。相对来说，新一代类似苹果AirPods蓝牙耳机，是最有可能引爆蓝牙5.0技术的“导火索”。
5 i+ S  o- w; N! ?+ ]' z7 t; T& j来自蓝牙5.0耳机的机会
0 C; b! U" k) A, h由于iPhone的“示范效应”，越来越多的高端Android手机也流行取消3.5mm耳机孔的设计，想听歌要么选择USB Type-C接口的有线耳机（或USB Type-C转3.5mm转接线），要么就只能搭配蓝牙耳机使用了。而蓝牙5.0技术，则有助于提升蓝牙耳机的体验，并进一步刺激更多用户优先挑选支持蓝牙5.0功能的手机和耳机。
/ ?) T1 v! ^: Q( |7 \$ Y/ Y蓝牙5.0对功能的改进
蓝牙标准都能向下兼容，所以购买蓝牙5.0耳机时不必担心没有匹配的手机搭配使用。蓝牙5.0凭借更高的带宽可以将语音指令传输到终端的速度从90ms缩减到40ms左右，因此它对耳机的功能有着很大的帮助。比如现在很多蓝牙耳机都集成了语音助手、手势控制、主动降噪、健康监测等功能，蓝牙5.0可以让上述功能变得更加行云流水而没有半分延迟的感觉。此外，蓝牙5.0模块的耗电更低，可以再度延长蓝牙耳机的续航时间。
需要注意的是，很多类似AirPods的蓝牙5.0对耳耳机（两个耳机分离，没有线缆相连）在宣传中都会主打“双耳通话”功能（通话时两边耳机都能出声），给人一种好像只有蓝牙5.0才能享用这一特殊功能的错觉。

; ]( v- u) T1 S( R) o实际上，“双耳通话”并不是蓝牙5.0的专利，包括AirPods在内的很多蓝牙4.x耳机就已经支持双耳通话功能了，而以捷波朗臻律为代表的蓝牙5.0耳机反而只能单边（右边）出声。
可见，双耳通话并不受蓝牙版本的限制，只能说绝大多数蓝牙5.0芯片都会将双耳通话纳入标准功能，而蓝牙4.x芯片想要实现这一功能需要多费一番功夫，比如AirPods所使用的W1芯片内除了内置蓝牙解码模块之外还同时集成了一颗Wi-Fi芯片，从而使得AirPods并不需要占用两个蓝牙信道即可完成同步，最终实现了双耳通话的效果。
蓝牙5.0对音质的增益
( i- D! c5 E1 P8 u* ~蓝牙耳机由于和手机之间没有线缆相连，所以其音质的好坏基本就取决于耳机自身的品质。当我们使用蓝牙耳机听歌时都是如下流程：
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  Q! w- m/ Y; ~8 r! n$ k1.手机内的Codec（编译码器）或者DAC（数字模拟转换器）对MP3等格式的音频文件进行解码并转换成数字信号；
2.手机通过蓝牙，基于A2DP协议将数字信号压缩，再通过无线的形式发送给蓝牙耳机；
3.蓝牙耳机接收到压缩后的数字信号后，通过耳机内集成的数模转换芯片将其解码并转换成模拟信号；
4.耳机内部的信号放大芯片将模拟信号进行放大，并传输到耳机内的发声单元处，最终输出适合人耳聆听的声音。
问题来了，蓝牙的带宽（传输速率）有限，理论上很难直接输出CD级别的音频信号，想要实现高音质就只能从“如何更高效利用已有带宽”的方面入手。为此，使用蓝牙耳机听音乐时需要先将音频信号进行音频编码（压缩），也就是听歌流程中的第二个步骤。
目前常见的蓝牙音频传输格式由弱到强依次为SBC、AAC、aptX/aptX HD（高通主导）和LDAC（索尼主导），其中只有aptX HD和LDAC才能做到真正的“无损”，带来接近Hi-Fi的完美音质。好消息是，高通和索尼为了推广自家的技术，分别将aptX和LDAC开源给了谷歌，只要Android系统升级到8.0或更高就能加以支持（PC方面需要Windows10系统），不过手机端想使用aptX还需要搭配高通旗下的骁龙移动平台（其他硬件平台需要高通授权）。

理论上，蓝牙4.2的传输速率（1Mbps）就足以满足aptX HD和LDAC编码的需求了，因为LDAC编码最高也只支持24bit/96kHz的990kbps音频传输。但是，从用户实际的反馈来看，支持LDAC的蓝牙4.2耳机存在一定的延迟和卡顿问题，唯有蓝牙5.0才能完美适配。因此，虽然蓝牙5.0自身并没有针对音频做出什么优化，但它更高带宽和传输速率方面的优势，却可令其有效地消除蓝牙耳机和有线耳机之间的物理传输瓶颈。
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) |. L; P1 y9 n- I需要注意的是，想体验蓝牙5.0，需要手机端和耳机端都支持蓝牙5.0。想体验aptX HD或LDAC技术的高音质，除了手机端存在系统（Android 8.0）限制以外，手机中播放的音乐文件本身也必须是无损格式的，同时耳机端的蓝牙芯片也需要得到aptX HD或LDAC的授权才可以，而这是一笔不小的费用，所以市面上支持这两大技术的蓝牙耳机售价都不便宜。当手机和耳机都满足上述条件时，就能在系统中选择需要的蓝牙音频编码器的版本了，如果编码器为灰色不可选，就说明手机或耳机至少有一端不支持这些编码器。

无论你需不需要，蓝牙5.0已经成为了发展趋势，2019年会有更多手机和耳机将其纳入标准功能。虽然蓝牙5.0有着非常好的理论指标，但现阶段其最直观的好处就是信号稳定性、低能耗和低延迟，有利于提升蓝牙耳机的声音表现。但是，正如前文所述，蓝牙5.0并不等于好音质，它还需要耳机端的蓝牙芯片支持更先进的aptX HD和LDAC解码，同时还得配合更好的喇叭单元。百元的蓝牙5.0耳机就想挑战千元的蓝牙4.2耳机，依旧是个笑话。
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2 w# }2 d( h& r, A& P来源：http://www.yidianzixun.com/article/0MCQAB3Y
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