蓝牙协议中的SBC编码

一、从信息的传输说起

上图是一个典型的蓝牙耳机应用场景。手机上的音频信息经过编码以后通过蓝牙协议被蓝牙耳机接收，经过解码以后，蓝牙耳机成功获取手机上的音频信息，然后再转化为振动被人耳识别。这是一个典型的数字通信系统，下面是数字通信系统的一般模型。

信源即需要传输的信息。
信源编码即对信源的编码，目的是为了减少冗余，起到数据压缩的作用，常见的信源编码有Huffman编码、H.264编码等。
信道编码的目的是对抗信道中的噪音和衰减，原理是加入冗余，常见的方法包括CRC校验、卷积码等。
信道即信息传输的通道，典型的有光纤、电磁空间等，信息在信道中进行传输时，会受到干扰。
信道译码、信源译码分别是信道编码、信源编码的逆过程。
信宿即消息传递的对象。

蓝牙耳机信号传输过程

对于典型的蓝牙耳机应用场景来说，信源就是PCM数据，信道编解码的方法由蓝牙协议来指定，信道即耳机和手机之间的电磁空间。
信源编解码即对音频数据编解码的过程，SBC编解码其中的一种编解码方法。
蓝牙协议规定所有的蓝牙设备都必须支持SBC编解码，并提供了其他一些可选的编解码方法，如AAC。由此可知，SBC和AAC、MP3类似，都是对音频数据进行编码的方法，目的都是数据压缩。

二、SBC的原理

SBC是subband codec的缩写，中文叫做次频带编码，也叫子带编码。其基本原理是把信号的频率分为若干子带，然后对每个子带进行编码，并根据每个子带的重要性及特点分配不同的位数（采样深度）来表示数据。
例如，在音频编码中，由于人耳对不同频率的敏感度不同，可以在对人耳敏感的子带使用较细的量化（较大的采样深度），对人耳不敏感的子带使用较粗糙的量化（较小的采样深度），从而在不降低主观听觉效果的情况下达到较好的压缩效果。
又例如，离散余弦变换(DCT)时一种处理数字信号的方法，广泛应用有语音和图像压缩。声音经过离散余弦变换(DCT)以后，其系数更多的集中在较低序号的部分。对变换后的高序号部分的编码就很简单，可以用很小的采样深度对其进行编码。

上图是变换前的信号，下图是DCT变化以后的序号，变换后适合子带编码。

三、SBC编码过程

SBC编码的输入是PCM数据，即采样后的时间序列，输出是二进制流。
时间序列经过分析过程，转化为频域信号，然后对频域信号分段编码。为每一个子频段指定一个scalfactor及采样深度，对这个子频段的数据进行自适应PCM编码(Adaptive Pulse Code Modulation)。然后把各个子频段编码后的数据打包，作为一帧数据，以二进制流的方式输出。

Analysis Filter
其目的是为了把时间序列变换到频域，使用的方法是多相滤波器组。子频段的个数可以是4个或8个，对应不同的多相滤波器组。
Scale Factors计算
每一个子频段的幅值的范围是不同的，取每一个子频段幅值的最大值作为这个子频段的scale factor。比如子频段1的幅值分布在(0, 128)区间，子频段2的幅值分布在(0, 32)区间，那么自定子频段1的scale factor为128，子频段2的scale factor为32。
Bit Allocation
每一个子频段有若干幅值需要编码，每个幅值需要用若干比特数来表示。同一个子频段中每个幅值的比特数相同，不同子频段幅值分配的比特数不同。为每个子频段分配幅值比特数的过程叫做bit allocation。
APCM
根据每个子频段的scale factor及每个幅值需要的比特数，对每一个子频段进行编码的过程。得到每个子频段的量化结果，即Quantized Subband。
BItStream packing
把每个子频段编码后的结果组合起来，加上校验码、帧头信息等的过程。

四、SBC解码过程

SBC解码过程是编码过程的逆过程，其输入是二进制流，输出是PCM数据。
首先对二进制流进行解包，得到一帧一帧的数据。每一帧中都包含子频段数(4或8)、每个子频段的scale factor、每个子频段幅值需要的比特数，根据这些信息及每个子频段编码之后的数据，重建(Reconstruction)子频段的编码前的数据。然后经过逆向的多相滤波器组，得到原始的PCM数据。将所有子频段的PCM数据合并，得到解码后的PCM数据。

五、关于SBC编码的一些性质

SBC是有损编码
由于无线传输的带宽有限，SBC在对每个子频段进行编码时，进行了有损处理，以达到数据压缩的目的。即经过SBC编解码以后，PCM数据发生了变化。因此蓝牙设备的音质不是很好。
SBC支持的采样率
包括44.1kHz、48kHz、32kHz、16kHz。
SBC支持的声道
支持单声道(MONO CHANNEL)、双声道(DUAL CHANNEL)、立体声(stereo)、联合立体声(Joint Stereo)。

参考链接

de Bont F, Groenewegen M, Oomen W. A high-quality audio coding system at 128 kb/s[C]//Audio Engineering Society Convention 98. Audio Engineering Society, 1995.
MLA
奥本海姆, 谢弗, 巴克, 等. 离散时间信号处理: Discrete-time signal processing[M]. 西安交通大学出版社, 2001.
A2DP - Advanced Audio Distribution Profile - Bluetooth
顾学迈, 石硕, 贾敏. 信息与编码理论 : Information and coding theory[M]. 哈尔滨工业大学出版社, 2014.