【技术专栏】泰凌微电子蓝牙低功耗音频应用流程分析 —— Headset
1
背景介绍
蓝牙低功耗音频（bluetooth le audio，以下简称：le audio）代表着下一代智能音频设备的功能趋势，le audio技术基于蓝牙核心规范5.2版本引入的连接同步数据流(connected isochronous stream,简称cis)传输特性。cis基于设备间建立的低功耗蓝牙acl连接，在相连设备间建立固定时间间隔(iso interval)、点对点的双向数据流传输通道。由central（手机、电脑或平板等）发起的cis是cig (connected isochronous group)的成员，每个cis对应一个独立的音频流，每个central设备可以有多个cig。
耳麦(headset)是耳机(headphone)与麦克风(microphone)的整合体。实际上就是耳机跟麦克风整合成为一体，通常headset的耳机是播放立体声音频，麦克风采集单声道音频。本文主要介绍基于le audio的headset应用流程分析。
headset场景图
2
ellisys抓包流程分析
headset的音频源设备通过cig的cis来传播音频数据，headset端发送可连接的扩展广播（ea），central端扫描到headset端设备信息后先跟其建立acl连接，两端交互le audio的音频能力以及配置ase端点，然后再由central发起建立cis连接。
扩展广播：
adv_ext_ind pdu——扩展广播pdu
aux_adv_ind pdu——辅助广播pdu
aux_chain_ind pdu——辅助链广播pdu（可选）
adv_ext_ind pdu在37，38，39主频段进行广播，它的扩展头字段包含一个auxptr字段，其中包含使其能够与辅助aux_adv_ind pdu同步的数据。adv_ext_ind pdu的auxptr字段指向aux_adv_ind，即auxptr的值指向adv_ext_ind pdu广播所在的其余0~36个频段中的一个。
aux_adv_ind pdu包含一个adv data字段，其中包含appearance、rsi(resolvable set identifier)、ascs(audio stream control service)、cas(common audio service)和tams(telephony and media audio service)。appearance声明headset设备外观，rsi声明支持csis(coordinated set identification service)，tmas声明设备支持call terminal和unicast media receiver。
ase状态机简介
ascs中定义了audio stream endpoint(简称 ase) ，ase又分为source ase和sink ase，其状态机流转分别如下图所示，包含以下几个状态：
idle——待机态，初始化默认处于idle状态。
codec configured——音频参数，如采样率、位宽、帧长等配置完成。
qos configured——连接参数，如phy、retransmit num、max transport latency等配置完成。
enabling——使能态，client和server之间的cis开始建立或者已经建立完成。
streaming——流状态，音频流建立完成，音频数据可以在client和server之间传递。
releasing——释放态，音频资源释放，该状态是一个中间态，可通过除idle态外的任何一个状态进入。
disabling——失效态，音频流停止，该状态只是一个中间态，可通过receive stop ready操作退回到qos configured状态。需要注意：该状态只有source ase才拥有。
source ase状态机流转图
sink ase状态机流转图
接下来通过抓包来更加直观的观察上述的的音频流过程：
首先挑选一个adv_ext_ind pdu包，通过auxptr可以同步到它指向的aux_adv_ind pdu所在的频段11和偏移位置1.02ms。
然后通过aux_connect_req和aux_connect_rsp进行acl连接，完成加密和服务发现等流程，包括下面要介绍的ase交互流程。
central端发现headset端sink和source支持的音频能力，包括采样率、采样周期、编码方式等参数。sink音频能力是headset的音频播放（扬声器），source音频能力是headset的音频采集（麦克风），下图source支持的详细音频参数，sink端与其类似。
这部分通过抓包详细解析cis配置流程：
下图为cis配置抓包的完整流程，1是codec config流程，2是qos config流程，3是建立cis连接通道，4是enabling流程，5是streaming流程。下面详细分析每个流程的具体内容。
1、central端对headset端上下行的codec进行配置，包括上行mic采样率16khz、下行双声道音频采样率48khz，帧长10ms、位宽16bits等参数，headset端会回复是否配置成功。
2、central端对headset端上下行的qos进行配置，包括2m的phy、retransmision number为13，max transport latency为40ms等参数，headset端会回复是否配置成功。
3、central端发起cis request进行cis的建立流程，包括iso interval为10ms，sub interval为1.410ms和开始建立cis的锚点等参数。
4、central端发起enable控制命令，headset端回复enabling成功，回复sink ase和sourc ase端enabling的ase id、cis id等参数。
5、central端发起enable控制命令，headset端回复streaming成功，回复sink ase和sourc ase端streaming的ase id、cis id等参数。
3
结合代码分析cis音频流建立过程
下面我们结合telink的b91_ble_audio_sdk中的le audio的应用代码来解析一个cis音频流建立过程：
cis audio服务配置，以及ase sink和ase source的音频能力参数配置表
设置扩展广播，参数设置可以对应上面抓包
注册profile事件回调函数表，下图仅列出对应ase sink和ase source配置流程的一些回调函数
设置codec的默认参数
扩展广播配置完成后会在ble协议栈运行起来后开始广播。central设备在扫描到广播后进行acl连接，并在完成ase流程后发起cis流程建立。
数据的接收和发送处理
将代码烧录到telink b91 evk，支持cis的手机打开蓝牙即可搜索到tlk_le_headset设备，点击连接即可与手机进行数据通信，或者采用配套的dongle进行通信测试。
4
展望
蓝牙5.2 le audio技术将极大扩展无线音频的应用场景。蓝牙5.2带来的无线多重串流音频技术，将从根本上改变人们对无线音频技术的使用习惯，为用户带来全新的体验，也为用户和市场带来无限可能。如果需要ellisy抓包日志欢迎联系我们。
关 于 泰 凌
泰凌微电子致力于为客户提供一站式的低功耗高性能无线连接soc芯片解决方案，包括经典蓝牙，蓝牙低功耗，蓝牙mesh，zigbee，thread，matter，apple homekit，apple“查找（find my）”，和私有协议等低功耗2.4ghz多协议无线连接系统级芯片和丰富的固件协议栈。公司产品广泛应用于智能照明，智能家居/楼宇，智能遥控，无线外设，智能零售，穿戴设备，无线音频，智能玩具，物流追踪，智慧城市等各类消费和商业应用场景中。
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背景介绍
蓝牙低功耗音频（bluetooth le audio，以下简称：le audio）代表着下一代智能音频设备的功能趋势，le audio技术基于蓝牙核心规范5.2版本引入的连接同步数据流(connected isochronous stream,简称cis)传输特性。cis基于设备间建立的低功耗蓝牙acl连接，在相连设备间建立固定时间间隔(iso interval)、点对点的双向数据流传输通道。由central（手机、电脑或平板等）发起的cis是cig (connected isochronous group)的成员，每个cis对应一个独立的音频流，每个central设备可以有多个cig。
耳麦(headset)是耳机(headphone)与麦克风(microphone)的整合体。实际上就是耳机跟麦克风整合成为一体，通常headset的耳机是播放立体声音频，麦克风采集单声道音频。本文主要介绍基于le audio的headset应用流程分析。
headset场景图
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ellisys抓包流程分析
headset的音频源设备通过cig的cis来传播音频数据，headset端发送可连接的扩展广播（ea），central端扫描到headset端设备信息后先跟其建立acl连接，两端交互le audio的音频能力以及配置ase端点，然后再由central发起建立cis连接。
扩展广播：
adv_ext_ind pdu——扩展广播pdu
aux_adv_ind pdu——辅助广播pdu
aux_chain_ind pdu——辅助链广播pdu（可选）
adv_ext_ind pdu在37，38，39主频段进行广播，它的扩展头字段包含一个auxptr字段，其中包含使其能够与辅助aux_adv_ind pdu同步的数据。adv_ext_ind pdu的auxptr字段指向aux_adv_ind，即auxptr的值指向adv_ext_ind pdu广播所在的其余0~36个频段中的一个。
aux_adv_ind pdu包含一个adv data字段，其中包含appearance、rsi(resolvable set identifier)、ascs(audio stream control service)、cas(common audio service)和tams(telephony and media audio service)。appearance声明headset设备外观，rsi声明支持csis(coordinated set identification service)，tmas声明设备支持call terminal和unicast media receiver。
ase状态机简介
ascs中定义了audio stream endpoint(简称 ase) ，ase又分为source ase和sink ase，其状态机流转分别如下图所示，包含以下几个状态：
idle——待机态，初始化默认处于idle状态。
codec configured——音频参数，如采样率、位宽、帧长等配置完成。
qos configured——连接参数，如phy、retransmit num、max transport latency等配置完成。
enabling——使能态，client和server之间的cis开始建立或者已经建立完成。
streaming——流状态，音频流建立完成，音频数据可以在client和server之间传递。
releasing——释放态，音频资源释放，该状态是一个中间态，可通过除idle态外的任何一个状态进入。
disabling——失效态，音频流停止，该状态只是一个中间态，可通过receive stop ready操作退回到qos configured状态。需要注意：该状态只有source ase才拥有。
source ase状态机流转图
sink ase状态机流转图
接下来通过抓包来更加直观的观察上述的的音频流过程：
首先挑选一个adv_ext_ind pdu包，通过auxptr可以同步到它指向的aux_adv_ind pdu所在的频段11和偏移位置1.02ms。
然后通过aux_connect_req和aux_connect_rsp进行acl连接，完成加密和服务发现等流程，包括下面要介绍的ase交互流程。
central端发现headset端sink和source支持的音频能力，包括采样率、采样周期、编码方式等参数。sink音频能力是headset的音频播放（扬声器），source音频能力是headset的音频采集（麦克风），下图source支持的详细音频参数，sink端与其类似。
这部分通过抓包详细解析cis配置流程：
下图为cis配置抓包的完整流程，1是codec config流程，2是qos config流程，3是建立cis连接通道，4是enabling流程，5是streaming流程。下面详细分析每个流程的具体内容。
1、central端对headset端上下行的codec进行配置，包括上行mic采样率16khz、下行双声道音频采样率48khz，帧长10ms、位宽16bits等参数，headset端会回复是否配置成功。
2、central端对headset端上下行的qos进行配置，包括2m的phy、retransmision number为13，max transport latency为40ms等参数，headset端会回复是否配置成功。
3、central端发起cis request进行cis的建立流程，包括iso interval为10ms，sub interval为1.410ms和开始建立cis的锚点等参数。
4、central端发起enable控制命令，headset端回复enabling成功，回复sink ase和sourc ase端enabling的ase id、cis id等参数。
5、central端发起enable控制命令，headset端回复streaming成功，回复sink ase和sourc ase端streaming的ase id、cis id等参数。
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结合代码分析cis音频流建立过程
下面我们结合telink的b91_ble_audio_sdk中的le audio的应用代码来解析一个cis音频流建立过程：
cis audio服务配置，以及ase sink和ase source的音频能力参数配置表
设置扩展广播，参数设置可以对应上面抓包
注册profile事件回调函数表，下图仅列出对应ase sink和ase source配置流程的一些回调函数
设置codec的默认参数
扩展广播配置完成后会在ble协议栈运行起来后开始广播。central设备在扫描到广播后进行acl连接，并在完成ase流程后发起cis流程建立。
数据的接收和发送处理
将代码烧录到telink b91 evk，支持cis的手机打开蓝牙即可搜索到tlk_le_headset设备，点击连接即可与手机进行数据通信，或者采用配套的dongle进行通信测试。
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展望
蓝牙5.2 le audio技术将极大扩展无线音频的应用场景。蓝牙5.2带来的无线多重串流音频技术，将从根本上改变人们对无线音频技术的使用习惯，为用户带来全新的体验，也为用户和市场带来无限可能。如果需要ellisy抓包日志欢迎联系我们。
关 于 泰 凌
泰凌微电子致力于为客户提供一站式的低功耗高性能无线连接soc芯片解决方案，包括经典蓝牙，蓝牙低功耗，蓝牙mesh，zigbee，thread，matter，apple homekit，apple“查找（find my）”，和私有协议等低功耗2.4ghz多协议无线连接系统级芯片和丰富的固件协议栈。公司产品广泛应用于智能照明，智能家居/楼宇，智能遥控，无线外设，智能零售，穿戴设备，无线音频，智能玩具，物流追踪，智慧城市等各类消费和商业应用场景中。
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原文标题：【技术专栏】泰凌微电子蓝牙低功耗音频应用流程分析 —— headset
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