从耳机到助听器：蓝牙®低功耗音频如何重塑无线音频

蓝牙


最初只是用于


手机


与耳机之间的简单无线连接。自诞生以来，它已经发展成为支撑

音乐、通话、游戏以及助听

等应用的“

无形基础设施

”，广泛存在于

消费类和专业设备

之中。

蓝牙之所以能够支持不断扩展的应用场景，并非依赖某一次单一的技术突破，而是源于



射频


技术、编解码器、传输机制以及功耗管理策略

等多方面持续积累与演进，这些共同提升了无线音频的整体用户体验。

如今，一种新的架构基础——

Bluetooth Low Energy（LE）Audio

——正在形成。它以

低功耗、高音质和良好的可扩展性

为特征，有望将蓝牙


音频


应用拓展到更广泛的领域。

蓝牙无线技术的发展

最初在

1999

年随

Bluetooth 1.0

引入的

B


asic


Ra


te


（BR）

无线电技术，采用高斯频移键控（GFSK），符号率为 1 Msym/s，在 2.4 GHz 频段的 79 个信道间进行跳频，并通过紧凑的时分双工（TDD）节奏实现收发交替。这种技术提供的短距离的鲁棒性和可靠性，使其性能逐渐接近传统有线设备。

2003

年，



Ad


vanced Audio Distribu


ti


on Profile（A2DP）

作为经典蓝牙（Bluetooth Classic）中实现立体声音频流传输的关键标准推出，标志着蓝牙从语音应用扩展到音乐播放。A2DP 使用

Audio/Video Distribution Transport Protocol

（AVDTP）进行流管理，并规定



Sub


-Band Codec

（SBC）作为基础音频压缩格式。SBC


编码器


采用 4 段或 8 段 子带分析/合成


滤波器


组，并进行自适应比特分配，支持

128–345 kbps

的立体声码率。


嵌入式




DSP


的相关研究表明，通过采用加权重叠相加（WOLA）滤波器组、定点运算流水线以及实时解码优化，可以在显著降低 MIPS 和功耗的同时，实现与浮点参考实现几乎无差异的听感效果 。

2004

年，

Bluetooth 2.0

引入

Enhanced Data Rate（EDR）

，将数据负载调制方式提升为 π/4 DQPSK 或 8 DPSK，从而将总吞吐率提升至 2–3 Mb/s，同时仍保留 GFSK 用于数据包头。这一创新在随后十年显著提升了立体声流媒体质量并推动了应用普及。

大约在

2010

年，

Bluetooth 4.0

引入了

Bluetooth Low Energy（BLE）1M PHY

技术。该无线技术仍采用 GFSK，但针对低占空比与间歇性突发传输进行了优化。由于其与 BR/EDR 在设计理念上的根本差异，Bluetooth 1.0 ~ 3.x通常被称为“Bluetooth Classic”，以区别于 BLE。

等时传输架构

2016

年末，

Bluetooth 5.0

推出了

LE 2M PHY

，将符号率提升至 2 Msym/s。在链路裕量充足的情况下，将数据包的空中传输时间减半以降低碰撞概率，并减少单位比特的能量消耗。到

2020

年，

Bluetooth 5.2

（即

Bluetooth LE Audio

）在架构上实现了重要转变：从连续流传输转向以“时间约束”为设计核心的传输方式。LE Audio 利用现有的 LE 1M 和 LE 2M PHY，通过

等时信道（Isochronous Channels）

来传输音频，即在具有严格时间约束的时隙中进行数据发送。等时信道架构分为两种形式。

Connected Isochronous Stre


ams


（CIS）

是单播流，其参数（如时隙、子事件和重传次数）可以调节，以在有限抖动范围内满足帧时限的要求。这使得无线模块可以在传输间隙进入可预测的休眠状态，同时应用层也可以准确知晓每一帧的到达时间。

针对 BLE 性能的系统性研究表明，在实际应用中，输出质量与时延不仅取决于符号率，还受到时隙、事件长度以及重传机制的显著影响；在合理参数配置下，更高的 PHY 速率可以缩短射频占用时间并提升能效，而长距离编码模式则通过增加空中时间换取更强的链路鲁棒性


。

Bro


adc


ast Isochronous Streams（BIS）

——商业上称为

Auracast™

——将这一调度机制扩展至一对多传输，实现无需连接的广播音频分发，可支持无限数量的接收设备。

与连续流传输相比，这种架构差异要求在时隙设置、数据分包、编码方式以及系统建模方面进行精细设计，以在满足时限要求的同时避免无线资源浪费。基于马尔可夫链的 CIS 分析（并通过


仿真


验证）能够将


开发者


的配置选择（如时隙、子事件、重传次数）转化为对丢包率（PLR）、积压、时延、吞吐量以及平均功耗的定量预测


。

LC3编解码器的优势

LE Audio的

Low Complexity Communication Codec（LC3）

在码率、音质与复杂度之间实现了新的平衡。经同行评审的听音测试表明，在语音和音乐场景下，LC3 在约一半码率条件下即可提供优于

SBC

和

mSBC

的主观音质；同时其具备良好的丢包隐藏能力，并支持灵活的帧长配置，包括低时延模式，使编码延迟在端到端时延预算中的占比更小 。

其实际优势包括：

更低码率缩短空中时间，从而降低碰撞风险；更短帧长与 CIS 调度机制更好匹配，使时限更容易满足；较低的计算复杂度使其适用于微型设备


。

助听器：功率受限的无线音频

现代助听设备通常由多个麦克风、


数字信号




处理器


以及微型


电源


构成。除完全置入耳道的 CIC 和 IIC 设计外，大多数助听器都包含两个或以上麦克风，以支持指向性处理、波束形成和降噪。音频输出通常由单个电声换能器完成。由于体积极小，电池容量受限，因此能效至关重要。

相比 Bluetooth Classic（A2DP/HFP），

LE Audio 在能效方面的提升主要体现在三个方面

：LC3 编解码器在显著降低码率的同时实现同等主观音质；LE 1M 与 2M PHY 相比 BR/EDR 缩短了每个数据包的空中时间；Connected Isochronous Streams（CIS）提供精确调度，使无线模块可在传输间隙休眠，而 BR/EDR 音频通常需要更长的持续激活时间。

符合BLE 标准的

唤醒


接收器


（Wake-up Receivers，WuRx）

能够以微瓦甚至纳瓦级功耗持续监听无线


信号


，并通过数据包前导码触发主射频模块。已有设计显示，其灵敏度可达到极低信号水平（约 −80 dBm），并可通过比特级占空比控制在数百微秒至数秒之间权衡时延与功耗


。此外，睡眠调度技术通常结合周期性检测、事件驱动唤醒、分组调度以及时分机制，在满足服务质量（QoS）要求的同时延长设备续航 。

从 TWS 到 Coordinated Sets

Bluetooth Classic 的

A2DP

仅支持单一音频流。 在其真无线立体声（TWS）架构中，一只耳机作为主设备接收来自手机的立体声音频流，并转发至另一只耳机。这种转发机制会为副耳机引入额外时延，同时增加主耳机的功耗。

LE Audio 完全消除了这一限制。其双

CIS（Connected Isochronous Streams）

能力使手机能够将同步的左右声道音频流直接发送至两只耳机。该架构上的转变，使手机可以分别与左右耳机或助听设备建立独立的 CIS 连接，从而在无需中继转发的情况下实现同步的立体声音频传输。

在多设备场景下，发现与配对机制也得到相应演进。

Coordinated Set Identification Service（


CSI


S）

允许将两个耳机或两个助听器作为一个协调集合进行发现和管理，而非独立设备，并支持可解析标识符及集合级锁定。尽管针对 CSIS 的实证研究仍较有限，但相关的时间同步与载波同步理论已经成熟，包括


时钟


偏移估计、抖动控制、锁相环、缓冲对齐及恢复机制等，可将双耳同步误差控制在数十毫秒以内，从而满足唇音同步与空间音频需求


。

游戏耳机：低延迟，支持双向立体声

游戏应用对无线音频提出了较高要求。Bluetooth Classic 的

Headset Profile（HSP）

和

Hands-Free Profile（HFP）

虽支持双向语音


通信


，但存在明显限制：仅支持单声道，最高采样率为

16 kHz

，限制了空间音频效果和语音清晰度。

LE Audio 的

单播语音

（

Unicast Voice

）对此进行了改进，支持最高

32 kHz

采样率的立体声音频，在保持语音通信能力的同时显著提升游戏中的空间感和语音质量。对于游戏应用，端到端时延通常需要控制在数十毫秒以内。LC3 的短帧结构与低码率有助于降低编解码延迟；合理配置的 CIS 参数可在限制重传次数的同时满足时限要求；波束形成技术则在不过度增加计算负担的前提下提升语音采集质量 。

公共广播音频：Auracast

Bluetooth Classic

通常仅支持一个活跃的音频连接，且典型传输距离约为10米，因此难以满足如礼堂、教堂、健身房和机场等场景中的广播需求。

LE Audio 引入

Broadcast Isochronous Stream（BIS）

，即

Auracast™

，实现真正的一对多音频传输。多个助听器和耳机可以同时接收同一广播，广播既可以是公开的（如机场广播），也可以是私有的（加密、不可发现、可选密钥保护）。典型覆盖范围为

室内约 30 米

，

室外可达 100 米

（具体取决于环境与配置）。

BIS 的无连接特性使其可轻松扩展至无限个接收端；等时传输结合前向纠错和交织机制，可在丢包情况下保持较好音频质量；单向传输减少了回传流量，从而降低无线拥塞的发生概率。辅助听力系统研究表明，通过 Aut


ac


ast 技术，绕过房间声学环境并直接传输音频，可提升

15–20 dB

的信噪比，从而显著提升语音清晰度与可懂度


。

确保在听众的耳内、耳上或耳外都能呈现出良好的音质

尽管 LE Audio 在传输效率方面优于 Bluetooth Classic，但音频工程师仍需验证设备在终端用户实际佩戴条件下的音频表现。

听者的耳廓（


pi


nna）与耳道是音频重放系统的重要组成部分。例如，低频响应和主动降噪效果在很大程度上取决于设备与耳道之间的密封情况；头戴式或压耳式耳机也会与耳廓产生交互影响。

人体工学测试治具（Anthropomorphic Test Fixtures），尤其是

GRAS KEMAR（Knowles Electronics Manikin for Acoustic Research）人工头

（头部与躯干


模拟


器），配备柔性可变形的仿真耳廓，可复现真实的佩戴与密封状态，从而实现对插入深度、密封性、低频响应及 ANC 性能的准确测量 。

APx 音频分析仪 + GRAS KEMAR 人工头

游戏耳机同时涉及音频的播放与采集。与音乐耳机类似，其测试同样受益于具有人体耳廓特性的测试治具，以实现耳垫与耳部


耦合


的可重复测量。

耳机自带的麦克风可以是靠近嘴部的吊杆式麦克风，也可以是位于耳罩上的远场麦克风阵列，并通过波束形成技术抑制环境噪声。测试系统通常配备人工嘴（Artificial Mouth），并根据 ITU-T 标准在嘴参考点（MRP）位置设置测量麦克风，以在真实语音与背景噪声条件下评估麦克风性能


。

对于广播接收类设备，具备 Auracast 广播能力的一体化测试系统，如


Audio PrecisionBluetooth 5 （蓝牙5）模块


，就具有重要价值。

结论




蓝牙音频已不再由单一射频或单一协议定义，而是由一个“时间驱动的处理链路”构成：通过更高效的编解码器减少数据量，通过具备时间保障的传输机制确保数据按时到达，通过可休眠的无线电降低功耗，并通过前端处理减轻编解码负担。

助听器很好地体现了这一体系优势：麦克风阵列与波束形成首先提升语音清晰度；LC3 以低延迟完成压缩；CIS 负责调度传输；无线模块大部分时间处于休眠状态，从而延长电池寿命。

在游戏与公共广播等应用中，这些改进同样进一步增强了该技术的应用价值。

尽管蓝牙音频在 1999 年最初是基于 Basic Rate（BR）无线的低带宽单声道语音技术，但经过 25 年以上的发展，已经实现了根本性的架构转变。LE Audio 用调度式、低功耗、可扩展的音频传输机制取代了传统的连续点对点流，从而支持新一类设备与应用场景。相关标准目前已经成熟，诸如 Audio Precision


Bluetooth 5模块


等音频测试系统也已完成升级，可支持新的蓝牙传输技术；接下来的关键在于工程落地——推动 LE Audio 的广泛部署，使音频体验更加即时、清晰且具备更好的普适性 。