Vyznejte se v Bluetooth

1. 12. 2022 | Tým Adaptech | Témata: Terminologie Telefony Bezpečnost

V minulé novince jsme se blíže podívali na standardy technologie Wi-Fi a dnes se stejným způsobem podíváme na druhou populární bezdrátovou technologii, a to na populární Bluetooth.

Název Bluetooth pochází z Dánska, kde král Modrozub díky svým diplomatickým schopnostem dokázal v 10. století n. l. ukončit rozepře mezi několika kmeny. Název tak měl připomínat snahy o usnadnění komunikace a vzájemný dialog. Symbol Bluetooth vznikl kombinací runových iniciál Haralda Modrozuba.

Bluetooth je otevřený standard určený pro bezdrátovou komunikaci mezi více zařízeními, definován jako IEEE 802.15.1.

Navrhla jej společnost Ericsson jako náhradu sériového portu RS-232, jedná se tedy o bezdrátovou sériovou komunikaci zařízení, jako jsou počítače a mobilní telefony. Kromě možnosti přenosu dat mezi zařízeními se nejčastěji využívá k připojení různého příslušenství, jako jsou sluchátka a reproduktory, ale např. i braillské řádky. Využití této technologie je tak velmi široké.

Bluetooth pracuje ve frekvenčním pásmu 2,4 GHz, které však sdílí s mnoha dalšími technologiemi. Tou nejrozšířenější je technologie Wi-Fi. Z důvodu tohoto sdílení může docházet v relativně přecpaném pásmu 2,4 GHz k rušení, a to jak sítí Wi-Fi mezi sebou, tak i Bluetooth připojení. Jestliže se tedy setkáváte s vypadáváním připojení Bluetooth nebo s jeho nestabilitou, může to být způsobeno právě rušením od místních Wi-Fi sítí.

V současnosti se připravuje nová verze Bluetooth, LE (Low Energy), která bude pracovat i v pásmu 6 GHz, stejně jako Wi-Fi 6E a připravovaná Wi-Fi 7. V Evropě se v loňském roce pro toto použití uvolnila zatím spodní část pásma o šířce 480 MHz – od 5945 MHz do 6425 MHz. V USA se uvolnilo v roce 2020 celé 6 GHz pásmo – od 5925 MHz až po 7125 MHz. I když budou toto pásmo opět využívat jak Bluetooth, tak Wi-Fi, nemělo by zde docházet k takovému rušení jako na přehlceném původním pásmu 2,4 GHz.

Historie a současnost

Zde je rychlý pohled na různé verze Bluetooth v průběhu let:

  • Bluetooth 1.0–1.2 (1999)
  • Bluetooth 2.0–2.1 (2005)
  • Bluetooth 3.0 (2009)
  • Bluetooth 4.0–4.2 (2010)
  • Bluetooth 5.0–5.3 (2016 až současnost)

V dnešní době se Bluetooth používá nejčastěji k připojení bezdrátových sluchátek a reproduktorů, a proto se v našem článku zaměříme primárně na tento segment.

Pokud přemýšlíte, zda byste měli zakoupit sluchátka s nejnovější verzí Bluetooth, pamatujte si, že všechny verze Bluetooth jsou zpětně kompatibilní a mohou pracovat s nižšími protokoly. Nemusíte se tedy bát, že by vaše nová sluchátka nefungovala se starším telefonem. Přesto neuškodí dozvědět se o změnách v různých verzích Bluetooth. To platí zejména, pokud uvažujete o koupi nového zařízení.

Rychlosti a dosah Bluetooth

Přenosová rychlost první verze Bluetooth 1.0 byla kolem 721 kb/s. Další verze Bluetooth 2.0 se objevila až v roce 2007. Standardní dosah mezi zařízeními byl 10 m a maximální rychlost 2,2 Mbit/s. Tato verze přinesla jednodušší a bezpečnější párování.

O dva roky později vznikl standard Bluetooth 3.0, v rámci něhož odpadlo riziko výpadků při komunikaci a začalo být podporováno 128bitové šifrování. Díky přenosové rychlosti až 24 Mbit/s se standard hodil také k přenosu multimediálního a objemnějšího obsahu.

Verze Bluetooth 4.0 vznikla v roce 2010 a poprvé nešlo o náhražku předchozího standardu. Bluetooth 4.0 bylo zaměřeno na nízkou energetickou náročnost a delší dosah – v exteriéru až 50 m.

Současný standard Bluetooth 5.0 se objevil v roce 2016. Mezi jeho přednosti patří spolehlivá komunikace i v rušnějším prostředí, ještě nižší energetická náročnost a zvýšené zabezpečení. Podstatné je hlavně navýšení dosahu. Uvnitř objektů to může být až 40 m, venku až 240 m. Hodně záleží na přenosové rychlosti, která je od 125 kb/s do 2 Mbit/s, a také na překážkách. Ty přenosovou rychlost snižují.

V roce 2019 vyšel standard Bluetooth 5.1 zpřesňující navigaci a v roce 2020 to pak byl standard Bluetooth 5.2. Opět se jedná spíše o drobnější vylepšení v oblasti bezpečnosti a zejména ve snížení energetické náročnosti zařízení. Novinkou zde je funkce LE Audio (Low Energy), která zlepšuje přenos zvuku s nižší energetickou náročností.

Bluetooth 5.3 přišlo v polovině roku 2021. Jedním z vylepšení je automatická klasifikace kanálů, díky které si zařízení vybere ten nejlepší – vzniklé spojení tak bude stabilnější, méně zarušené a bude mít nižší latenci.

Kompatibilita

Bluetooth je zpětně kompatibilní s nižšími verzemi. To znamená, že můžete snadno používat sluchátka Bluetooth 4.2 s telefonem s Bluetooth 5.0. Nevýhodou ale je, že takto můžete plně využívat pouze možnosti nižší verze Bluetooth. To znamená, že funkce Bluetooth 5 můžete používat pouze v případě, že obě zařízení mají verzi 5. Příkladem těchto funkcí je Dual Audio, které umožňuje připojit dvoje sluchátka k jednomu telefonu. Nebo přehrávání hudby z jednoho telefonu na dvou různých reproduktorech. Dual Audio je bohužel podporováno pouze na zařízeních s verzí Bluetooth 5.x.

Tuto funkci nelze použít při spárování se zařízením Bluetooth 4.2. Některá zařízení, jako jsou chytré telefony, mohou pracovat se zařízeními Bluetooth Classic a LE. Technicky tedy můžete k telefonu s Bluetooth 5.0 připojit sluchátka s Bluetooth 2. Ale vzhledem k propasti mezi těmito dvěma technologiemi můžete očekávat určité problémy se synchronizací zvuku. Pokud však vaše zvukové zařízení podporuje pouze verzi 4.2, je stále praktické použít sluchátka se stejnou verzí. Pokud tak učiníte, pomůže vám to ušetřit o něco více peněz, zvláště pokud nemáte v úmyslu svá zařízení v dohledné době upgradovat.

Energetická náročnost

Dřívější verze Bluetooth byly vysoce výkonné jednoduše proto, že byly vždy „zapnuty“. Jak by se dalo očekávat, nevěstilo to nic dobrého pro výdrž baterie. To platilo zejména pro Bluetooth 3, protože jako první poskytoval vysokorychlostní datové přenosy. To vše se změnilo s představením Bluetooth Low Energy. Nová technologie přišla s několika režimy nízké spotřeby a spánku. Díky tomu bylo možné pro menší zařízení šetřit energii tím, že podle potřeby usínají a probouzejí se. Navzdory těmto změnám výkon Bluetooth 4 stále spadá do středního rozsahu. Bluetooth 5 to dále vylepšilo zvýšením rychlosti přenosu dat a dosahu, zařízení tak vyžadují méně energie k odesílání a přijímání dat, což prodlužuje životnost baterie.

Spolehlivost

Dřívější verze Bluetooth měly kratší dosah a méně přísné šifrovací protokoly. To představovalo bezpečnostní problémy a řešení bylo tak méně spolehlivé v přetížených podmínkách. Spolehlivost se však s novějšími verzemi Bluetooth zlepšila.

Bluetooth a protokoly

Bluetooth protokoly jsou soubory pravidel pro vzájemnou komunikaci zařízení. Sám protokol Bluetooth obsahuje řadu takových „menších protokolů“. Pod zkratkou LMP například Bluetooth skrývá protokol pro správu rádiového spojení, L2CAP zajišťuje přenos a tok dat, o přenos a ovládání videa či zvuku se starají protokoly ACD TP nebo AVD TP a součástí celého řešení je i řada dalších.

Bluetooth a profily

Bluetooth profily jsou soubory instrukcí, na jejichž základě dvojice propojených zařízení komunikuje. Profilů existuje velké množství – v této chvíli je jich 36 a rozhodně to neznamená, že by to byl konečný výčet, přičemž ne každý se musí nutně nacházet v každém zařízení. Pojďme si představit alespoň některé z nich.

Mezi Bluetooth profily patří uskutečňování a přijímání hovorů nebo ovládání přehrávání hudby. Tyto úlohy ke správnému fungování používají specifický profil Bluetooth. Je tedy nutné porozumět tomu, co každý profil dělá.

  • HFP (Hands-Free Profile): Umožňuje sluchátkům volat a využívat funkce telefonu, jako je opakované vytáčení čísla, čekání na hovor a hlasové vytáčení.
  • HSP – Headset profile (profil pro náhlavní soupravy): Umožňuje uživatelům přijímat hovory, zavěšovat a upravovat hlasitost hlasu prostřednictvím sluchátek.
  • A2DP – Advanced Audio Distribution Profile (pokročilý profil distribuce zvuku): Umožňuje uživatelům kvalitní přenos zvuku z jednoho zařízení do druhého. Například z telefonu do sluchátek nebo autorádia, či třeba z mikrofonu do počítače.
  • AVRCP – Audio/Video Remote Control Profile (profil dálkového ovládání zvuku/videa): Umožňuje uživatelům používat sluchátka jako dálkové ovládání pro přehrávání médií. Tento profil umožňuje pozastavit/přeh­rát/zastavit přehrávání a přeskakovat skladby.
  • PBAB – PhoneBook Access Profile (profil přístupu k telefonnímu seznamu): Umožňuje sluchátkům přístup k telefonním kontaktům uživatele pro funkci oznamování jména volajícího.

Zvukové kodeky

Aby to nebylo tak jednoduché, obsahuje Bluetooth kromě verzí, protokolů a profilů ještě zvukové kodeky. Kodek komprimuje a dekomprimuje zvuková data do určitého formátu a ten pak přenáší ve specifikovaném datovém toku. Kodeky s vyššími datovými toky, např. Sony LDAC (990 kb/s), obvykle poskytují lepší kvalitu zvuku. Je to proto, že se přenáší více dat a dochází k menší kompresi. Zato běžnější kodek SBC přenáší data nižší rychlostí (192–320 kb/s) a výsledkem je tak i horší kvalita zvuku.

Běžné kodeky, se kterými se setkáte, jsou následující:

  • SBC
  • AAC
  • aptX
  • aptX HD
  • aptX LL
  • LDAC
  • LC3
  • Samsung Scalable Codec

SBC

  • nízké požadavky na výpočetní výkon
  • nízká spotřeba energie
  • podpora 48kHz/16bitových zvukových souborů
  • podporuje přenosovou rychlost až 345 kb/s (realisticky 256 kb/s), je to univerzální kompatibilita

SBC neboli „Low Complexity Subband Coding“ je první kodek Bluetooth představený pro přenos zvuku. Je integrován do Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) – sady výchozích specifikací Bluetooth pro streamování zvuku přes Bluetooth. Jako takové bude každé zařízení Bluetooth, které máte, kompatibilní s tímto kodekem a budou spolu bez problémů komunikovat. Pokud se vyskytnou nějaké neshody kodeků, vaše zařízení bude ve výchozím nastavení používat kodek SBC. Oproti téměř všem zde diskutovaným kodekům je SBC veřejnou doménou, takže jej výrobci zařízení mohou používat zdarma. SBC má špatnou pověst pro jeho vysoce ztrátový kompresní algoritmus, a tedy celkově nižší kvalitu zvuku. Ale ve skutečnosti je SBC docela flexibilní kodek. Je schopen podporovat vzorkovací frekvenci až 48 kHz při 16bitové hloubce. Je také schopen přenášet data rychlostí až 345 kb/s. Výrobci však ne vždy plně využívají funkcí SBC nebo šířky pásma z důvodu lepšího výkonu zařízení. Realističtější datový tok bude 256 kb/s, což se zhruba rovná kvalitě záznamu MP3. Při používání tohoto kodeku pro hraní her a sledování streamů narazíte na problémy s latencí. Tento problém se netýká pouze tohoto kodeku. Pokud vás nezajímá zvuk ve vysokém rozlišení nebo používání bezeztrátových souborů, bude vám SBC zcela dostačovat.

V tom, co dělá, je efektivní, takže bude šetřit baterii. V hlučných místech, jako je tělocvična nebo veřejná doprava, nebo když používáte pouze méně kvalitní sluchátka, nepoznáte rozdíl mezi těmito sluchátky a sluchátky s kodeky popsanými níže.

AAC

  • lepší ztrátový kompresní algoritmus než SBC
  • podpora 44,1kHz/24bitových zvukových souborů
  • podporuje přenosovou rychlost až 320 kb/s
  • podpora Androidu (8+)
  • lepší implementace na zařízeních iOS
  • náročný na energii

Advanced Audio Coding (AAC) je komplexní kodek, ve srovnání s SBC využívá více výpočetního výkonu a způsobuje vyšší spotřebu energie. Když použije ztrátovou kompresi, může produkovat lepší výsledky než SBC. Je nástupcem MP3 a poskytuje kvalitnější zvukové výsledky při použití podobného nastavení komprese (kb/s). Toto vylepšení je ale za cenu vyšší spotřeby energie.

AAC není ve veřejné doméně, takže výrobci musí platit držitelům patentů, aby je implementovali do své technologie. Existuje jednorázový poplatek za platbu ve výši 15 000 USD (1 000 USD, pokud má společnost méně než 15 zaměstnanců) a 0,98 USD za prvních 500 000 zařízení. Přestože se jedná o výchozí kodek na zařízeních se systémem iOS, není ve vlastnictví společnosti Apple. Mezi implementacemi tohoto kodeku na zařízeních různých výrobců je velký rozdíl. Jeho implementace a kvalita zvuku jsou obecně mnohem lepší v systému iOS než na zařízeních se systémem Android. Některé ze specifikací mohou vypadat podobně nebo hůře než u kodeku SBC, ale je to pokročilejší kodek a jeho výhody uslyšíte.

aptX

  • lepší algoritmus ztrátové komprese než SBC
  • podpora 48kHz/16bitových zvukových souborů
  • podporuje přenosovou rychlost až 384 kb/s
  • podpora systému Android 4.4+
  • nepodporován v systému iOS

Rodinu kodeků aptX vlastní společnost Qualcomm. aptX byl představen jako alternativa k SBC a řeší stížnosti na implementaci SBC a kvalitu zvuku. Používá jiný typ komprese dat než SBC a AAC – Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM). Spíše než pomocí psychoakustické analýzy a maskování k vyřazení toho, co je považováno za zbytečné, kóduje soubor jiným způsobem, aby se snížila šířka pásma. Také není veřejnou doménou, společnost Qualcomm účtuje výrobcům, aby jej implementovali. Poskytuje také záznam o všech zařízeních, která implementují jeho kodeky. Výrobci, kteří chtějí používat kodek aptX, musí zaplatit jednorázový poplatek za platbu ve výši 6000 USD a okolo 1 USD za zařízení.

aptX HD

  • vylepšený profil kódování aptX
  • podpora 48kHz/24bitových zvukových souborů
  • podporuje přenosovou rychlost až 576 kb/s
  • podporován v systému Android (8+)
  • nepodporován v systému iOS

aptX HD není samostatný zvukový kodek, ale vylepšený profil kódování aptX. Podporuje vyšší bitové hloubky a datové toky. Výsledkem je lepší reprodukce zvuku a méně šumu (větší dynamický rozsah). Díky těmto vylepšením nabízí podporu HD zvuku, který se může přiblížit kvalitě původního souboru. Navzdory těmto vylepšením není tak široce podporován mezi výrobci zařízení jako standardní aptX.

aptX LL

  • nízká latence (okolo 32 ms)
  • podporuje přenosovou rychlost až 352 kb/s
  • podpora 44,1 kHz/16bitových zvukových souborů
  • není podporován ve smartphonech

Stejně jako aptX HD není aptX LL samostatný kodek. LL je zkratka pro nízkou latenci. Tento kodek řeší problém s latencí, nebo ji alespoň výrazně zlepšuje ve srovnání s ostatními kodeky. Latence je zpoždění způsobené zpracováním zvuku. Je to zpoždění mezi zakódováním, přenosem a příjmem dat a způsobí zjevné zpoždění při hraní a synchronizaci dialogů ve filmech a televizi. Kromě kodeku aptX LL je latence běžným problémem. Čistě pro poslech hudby latence příliš nevadí, ale s ohledem na přístupnost je latence velký problém. Hlasový výstup reaguje na stisky kláves či gesta pomaleji, což vadí při práci a zhoršuje celkový pocit z používání Bluetooth zařízení se čtečkami obrazovky.

Běžnému uživateli může latence vadit např. při hraní her nebo sledování filmů, protože může být vidět špatná synchronizace obrazu a zvuku.

Pokud chcete bezdrátová sluchátka používat pro hraní her nebo sledování filmů, měli byste požadovat, aby podporovaly tento kodek aptX-LL. Ujistěte se však, že váš zdroj zvuku podporuje stejný zvukový kodek. V opačném případě bude použit ten kodek, který podporují obě zařízení, (pravděpodobně SBC).

V současné době neexistují žádné mobilní telefony, které by podporovaly aptX LL, ale v systému Windows podpora existuje.

LDACS

  • podpora 96kHz/24bitových zvukových souborů
  • podporuje přenosovou rychlost až 990 kb/s
  • podpora Androidu (8+)
  • omezené možnosti sluchátek

Kodek LDAC vyvinula společnost Sony. Nabízí potenciál téměř bezeztrátové kvality zvuku. Vaše vysílací i přijímací zařízení musí nejen podporovat tento kodek, ale také se musí umět vyrovnat s velkou šířkou pásma odesílaných a přijímaných dat.

Při používání kodeku LDAC je velmi důležitá síla signálu mezi vysílačem a přijímačem. Protože tento kodek využívá více dat, jakákoli interference signálu sníží šířku pásma, což má za následek pokles kvality. Výhody HD schopností LDAC pak budou ztraceny. Pravděpodobně kvůli problémům s licencí podporují kodek LDAC pouze sluchátka od společnosti Sony.

LC3

LC3 nebo LE (Low Energy) Audio, také známý jako Low Complexity Communications Codec, je nový výchozí kodek Bluetooth, představený na veletrhu CES 2020, a staví na inovacích za posledních 20 let. Byla provedena rozsáhlá zlepšení v oblastech kvality zvuku, latence, spotřeby energie a sdílení zvuku (nová funkce). Vzhledem k tomu, že trh s Bluetooth sluchátky se neustále rozšiřuje, mohou tyto nové funkce ovlivnit potřebu drátových sluchátek. Všechny zde popisované informace jsou však stále relevantní, protože implementace a zavedení nové technologie, která podporuje kodek LC3, bude nějakou dobu trvat.

Samsung Scalable Codec

Tento kodek je proprietární kodek vyvinutý společností Samsung pro její sluchátka Galaxy Buds – sluchátka True Wireless. Podle očekávání tento kodek podporují pouze zařízení Samsung. Jedinečnou věcí na Samsung Scalable Codec je jeho schopnost podporovat širokou škálu datových toků. Dokáže adaptivně přepínat datový tok v závislosti na stabilitě připojení Bluetooth, aby se udrželo stabilní připojení a snížil se trhaný zvuk. Jak síla připojení Bluetooth slábne, zvukový kodek inteligentně zvýší kompresní poměr a zároveň sníží datový tok. To může snížit celkovou kvalitu zvuku, ale alespoň nedojde k přerušení spojení.

Budoucnost Bluetooth: Co očekávat

Společnost Bluetooth SIG technologii neustále vylepšuje. Podle dat se ukazuje, že roční dodávky zařízení Bluetooth jsou nastaveny tak, aby „překonaly předpandemické prognózy“ s celkovým počtem 5,4 miliard dodávek v roce 2023 oproti 4,4 miliardám v roce 2021. Nejnovější specifikace LE Audio tomu jasně odpovídá. Posouvá hranice vzájemné propojenosti v komerčních, spotřebitelských a průmyslových sektorech. LE Audio, dokončené v červenci 2022, přináší několik nových funkcí pro zařízení Bluetooth 5.2. Patří mezi ně následující:

  • Auracast Broadcast Audio: Tato funkce umožňuje vysílači Auracast vysílat zvuk do více přijímačů Bluetooth.
  • Auracast Assistant na vašem telefonu nebo ovladači na sluchátkách poté vyhledá a zobrazí dostupné zvukové vysílání, ke kterému se můžete připojit. Je to podobné, jako když se připojujeme k veřejným Wi-Fi bodům. Pomocí této funkce se můžete připojit k audio vysílání ve veřejných prostorách. Můžete se například připojit k systému na letišti, abyste lépe slyšeli důležitá oznámení. Kromě toho vám Auracast také umožňuje sdílet zvuk se zařízeními jiných lidí.

    Auracast také optimalizuje asistenční poslech pro lidi s problémy se sluchem. Naslouchátka podporující Auracast mohou ze zdroje zvuku přijímat zvuk ve vyšší kvalitě. Pokud se například nacházíte v „akusticky náročném“ prostředí, jako je velké konferenční centrum, můžete svá naslouchátka spárovat přímo s vysílačem Auracast pro lepší poslech. Toto může velmi pomoci lidem se sluchovým postižením.

  • Zvukový kodek LC3: Tento nový kodek poskytuje bezdrátovým zvukovým zařízením vyšší kvalitu zvuku při 50 % datového toku oproti staršímu kodeku SBC. Menší datový tok znamená, že LC3 potřebuje menší šířku pásma pro přenos většího množství dat, což má za následek menší spotřebu energie. Kromě nižší spotřeby energie má také zlepšenou latenci. To je výborné především pro uživatele „True wireless“ (TWS) sluchátek a uživatele naslouchátek. Snížená latence znamená, že zvuk se k vám dostane stejnou rychlostí jako k lidem, kteří mají sluch v pořádku.
  • Multi-stream: Multi-Stream umožňuje zařízením udržovat vícenásobná a nezávislá připojení současně. V podstatě vám umožňuje plynule přepínat mezi různými zdroji zvuku. Podle společnosti Bluetooth SIG je to navrženo tak, aby se optimalizoval výkon bezdrátových TWS sluchátek. Například s typickým vícebodovým nastavením se sluchátka připojují prostřednictvím jediného zvukového toku. První sluchátko se připojí ke zdroji zvuku, zatímco druhé sluchátko se připojí k prvnímu. Díky funkci Multi-Stream lze obě sluchátka připojit ke zdroji zvuku, což vám poskytne lepší zážitek ze stereofonního poslechu.

Díky energeticky úsporným a vysoce výkonným vlastnostem Bluetooth 5, vylepšeným lokalizačním službám, rychlejším přenosovým datovým tokům a technologii Bluetooth Mesh se díváme na jasnou, plně propojenou budoucnost.

Shrnutí

Navzdory rozšíření jiných typů bezdrátových připojení zůstává Bluetooth králem. Každý pokrok nám umožnil hladší zážitek z poslechu. Pokud je tedy vaším hlavním zájmem kvalita zvuku při výběru verze Bluetooth, pamatujte, že to neurčují pouze jeho verze. Je to proto, že kvalitu zvuku určuje mnoho faktorů, jako jsou profily Bluetooth nebo použité zvukové kodeky.