藍牙AAC音頻編解碼是缺陷還是偷懶？「Soomal」

在我們使用藍牙耳機或者藍牙音箱時，常常會聽到關於apt-X、SBC、AAC等規格的說明，對於發燒友來說它們的意思不用多說。但對於普通用戶來說，可能還不太清楚。我們今天要討論的是藍牙音頻傳輸中的AAC編碼相關測試。而在開篇，我們為入門用戶做一點點小小科普，這個科普會相當入門，可能技術上不那麼具體和嚴謹。

藍牙音頻的發射端如手機和接收端如耳機之間通訊時，音頻信號需要經過相關的編碼，受限於這套技術規格相當老以及藍牙帶寬一直以來1Mbps最大帶寬[實際吞吐量更小]，所以最基礎的SBC編碼、AAC編碼、apt-X等編碼考慮的最重要的是壓縮數據。例如手機對音頻數據編碼壓縮，然後藍牙耳機接收到後解碼，然後再做D/A轉換等輸出工作。

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SBC、apt-X甚至現在的LDAC、HWA都是藍牙應用特有。但AAC是個例外。AAC是像MP3、APE、FLAC等一樣我們平時就可以見到的音樂文件，它基於MPEG4的音頻規範壓縮，比MP3、Atrac3等有損音頻演算法在低碼率時有明顯更好的表現，例如128kbps以下AAC表現明顯更好，在十多年前互聯網和藍牙一樣慢的時代肯定更受歡迎些。蘋果公司的音樂服務無論是以往的iTunes Store還是現在Apple Music一直使用AAC規格壓縮音樂，目前幾乎所有Apple Music都為256kbps等級壓縮質量。而蘋果和Beats家的耳機產品也一直都支持AAC，甚至不支持apt-X。

在藍牙音頻應用中AAC即然和SBC、apt-X、LDAC、HWA都不一樣，相信有不少人和我們的想法：如果手機端播放的音樂本身就是AAC格式的，而藍牙耳機也接收的是AAC，這是不是就省去了發射端編碼的工作？而如今的AAC 256kbps編碼的音樂已經如此普遍，256kbps的AAC質量其實已經相當不錯。256kbps的碼率也和apt-X的接近，AAC的表現為什麼要比apt-X差一點呢？尤其是高頻。我們最近的測試，發現了其中的部分原因。

測試方法：我們在電腦上直接將無損測試信號，包括頻率掃描和RMAA信號都進行256kbps和160kbps CBR質量Apple AAC規格的壓縮，然後恢復為WAV[有損壓縮，恢復以後損失部分仍然存在]，進行數據分析得到一組數據。這些數據代表了AAC壓縮本身的品質。另外，我們使用iPhone輸出AAC到BTR3[分兩組WAV原文件和AAC本身原文件]，得到AAC輸出的數據，這些數據代表了藍牙傳輸AAC的品質。當然，除此之外，我們也用矩聲iMiniPro2s進行了驗證以保證BTR3測試沒問題。同時，還驗證了三星S9手機手動切換到AAC的表現，具體什麼用？下文再說。下來看RMAA測試成績。

iPhone X@WAVE to BTR3@AAC-頻響曲線

iPhone X@AAC to BTR3@AAC-頻響曲線

iPhone X@WAVE to BTR3@AAC-雜訊分布

iPhone X@AAC to BTR3@AAC-雜訊分布

iPhone X@WAVE to BTR3@AAC-動態範圍

iPhone X@AAC to BTR3@AAC-動態範圍

iPhone X@WAVE to BTR3@AAC-總諧波失真

iPhone X@AAC to BTR3@AAC-總諧波失真

iPhone X@WAVE to BTR3@AAC-互調失真

iPhone X@AAC to BTR3@AAC-互調失真

iPhone X@WAVE to BTR3@AAC-分離度曲線

iPhone X@AAC to BTR3@AAC-分離度曲線

AAC-256kbps-CBR信號本身RMAA測試-頻響曲線

AAC-160kbps-CBR信號本身vs.iPhoneAACtoAAC-頻響曲線

AAC-256kbps-CBR信號本身RMAA測試-雜訊分布

AAC-160kbps-CBR信號本身vs.iPhoneAACtoAAC-雜訊分布

AAC-256kbps-CBR信號本身RMAA測試-動態範圍

AAC-160kbps-CBR信號本身vs.iPhoneAACtoAAC-動態範圍

AAC-256kbps-CBR信號本身RMAA測試-總諧波失真

AAC-160kbps-CBR信號本身vs.iPhoneAACtoAAC-總諧波失真

AAC-256kbps-CBR信號本身RMAA測試-互調失真

AAC-160kbps-CBR信號本身vs.iPhoneAACtoAAC-互調失真

AAC-256kbps-CBR信號本身RMAA測試-分離度曲線

AAC-160kbps-CBR信號本身vs.iPhoneAACtoAAC-分離度曲線

只從RMAA的客觀測試數據來看，我們發現256kbps質量的AAC本身水平明顯高於藍牙傳輸的AAC，哪怕是發射源本身是並沒有壓縮過的無損信號發出的AAC也不如256kbps效果。而比較意外的是，即便使用高品質的AAC數據源作為信號，藍牙AAC編解碼並不是直接傳輸AAC，原數據流，而還要對AAC再做一次AAC的壓縮再傳輸。

iPhone X@WAV to BTR3@AAC-頻率掃描

iPhone X@AAC to BTR3@AAC-頻率掃描

AAC-160kbps-CBR信號本身-頻率掃描

AAC-256kbps-CBR信號本身-頻率掃描

通過頻率掃描我們可以看到，藍牙傳輸的AAC信號很多特徵和本地壓縮的AAC文件類似，但是細節上可以看出RMAA測試中看不到的內容，藍牙AAC傳輸的品質要比AAC本身信號更差，肯定和256kbps的AAC差距很大。而在18kHz以上高頻部分，藍牙AAC也會切掉，這個切掉的幅度位置與160kbps的AAC本身接近。

我們可以看到LDAC上有自適應選項可以根據網路環境不同調整編碼質量，在測試中我們發現，AAC藍牙本身也有類似功能，而且極為敏感，每個手機的設定不同。例如三星S9即便手機和BTR3都擺在桌上不到1米距離，它也會進入到一個比較差的狀態。而iPhone X同樣位置下就要好不少，但只要稍微挪動到椅子背後晃一晃，就會進入到更差的模式。這個主要表現在高頻18kHz左右開始完全切掉信號的損失程度不同。

從這套測試可以看出，目前藍牙AAC的設計還是相當古老，包含三個問題。

第一，帶寬利用率很低，大概只有160kbps-200kbps左右，更好的演算法並沒有帶來更好的品質。

第二，重複壓縮缺陷。對手機端播放的AAC文件還要進行AAC壓縮，且品質會明顯下降。而如果我們在音頻編輯軟體里對一個AAC文件再做N次AAC壓縮，如果標準不變質量不會下降。藍牙AAC的壓縮演算法質量弱於AAC標準演算法應有質量。

第三，過於敏感的犧牲品質。AAC本身碼率品質已經不足200kbps，但藍牙AAC仍然非常敏感下調聲音品質，粗暴切割高頻。

總結：藍牙AAC雖然表面上看使用的是MPEG4 AAC壓縮演算法，但目前來看老的標準設計過於保守，實際使用的質量大概只有160kbps AAC的水平，甚至還要更差一些。藍牙AAC並沒有利用本身大量的AAC規格的音樂文件的優勢，反而簡陋粗暴的對AAC音樂進行再次壓縮，而壓縮質量更低，效果更差。保守、簡陋老設計造成了MPEG4在音頻方面的技術優勢被藍牙AAC糟蹋。但也可以看到，AAC的演算法優勢如果稍加合理使用，就可以比現在的水準有很大幅度的進步。

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