0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看威廉希尔官方网站 视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

通过BLE实现全双工立体音频流

STM32单片机 来源:STM32单片机 作者:STM32单片机 2022-08-27 09:30 次阅读

1、前言

在无线蓝牙领域,既能满足超低功耗,又能进行全双工语音通讯,一直是市场上的需求,比如:无线门铃,短距离对讲机等应用。针对 BLE 语音相关的应用场景,ST 推出了FP-AUD-BVLINKWB1 这个软件包供客户评估。

本文将对这个软件包展开介绍,该软件包主要包含以下特性:

• 使用 Opus v1.3 编码和解码,通过 BLE 实现全双工立体音频流。

• 使用自定义 BlueVoiceOPUS 协议,通过 API 即可使用 Opus 功能。

• 源码包含数字音频捕获和处理。

• 可以通过 USB 进行音频流的回放。

• 可使用麦克风扩展板 X-NUCLEO-CCA02M2 + Nucleo 开发板 P-NUCLEO-WB55的组合或者探索板 STM32WB5MM-DK。

• 兼容 STBLESensor App。

• 免费开源。

感兴趣的话欢迎从以下网址下载该软件包进行评估:

https://www.st.com/en/embedded-software/fp-aud-bvlinkwb1.html

2、软件介绍

2.1. 软件架构

85fd060a-2526-11ed-ba43-dac502259ad0.png

• Hardware Abstraction: 硬件抽象层,使用了 STM32 的 HAL 库提供底层的硬件驱动。

• BSP 层:在 HAL 层之上,提供了板级支持包,包含了 SPI, ADC, LED 和 User Button等驱动。

• Middleware 层:中间件层,主要包含了以下内容:

o STM32 WPAN:提供 BLE,ThreadZigbee 等协议相关的接口 API,本应用只使用了 BLE 协议。

o USB Device:提供各种不同 USB device 类的实现,本应用中只使用了 USBAudio 类。

o PDM Lib:提供了数字麦克风 PDM 信号到 PCM 信号转换的软件实现。

o OPUS:开源第三方的 OPUS 库,版本 v1.3。

2.2. Opus 简介

Opus 是完全开源免费的高通用性音频编解码协议,由 Internet Engineering TaskForce (IETF)标准化。

Opus 可以处理广泛的音频应用,包括 IP 语音、视频会议、游戏内聊天,甚至远程现场音乐表演。它可以从低比特率窄带语音缩放到非常高质量的立体声音乐,并且具备以下特点:

• 比特率范围:6kb /s 到 510 kb/s

• 采样率范围:8kHz(窄带)到 48kHz(全带) • 帧大小:2.5 ms 到 60 ms

• 比特率,采样率,可动态调节帧大小

• 支持固定比特率(CBR)和可变比特率(VBR)

• 支持语音和音乐

• 支持单声道和立体声

• 最多支持 255 个通道

• 良好的鲁棒性和丢包隐藏能力

• 支持浮点和定点

2.3. BlueVoiceOPUS 协议

BlueVoiceOPUS 是自定义协议,Central 和 Peripheral 是 GAP 层的角色,在点对点通讯中,主动发起连接请求的设备为 Central。在 GATT 协议中,Server 接受请求和命令,将数据保存在属性中。Client 实施服务发现流程,并向 Server 请求数据。

如果是单向的非对称语音系统,那么具备麦克风的设备可以定义为 Server,Cient 客户端可以主动或被动接收 Server 的语音数据流。

8614828a-2526-11ed-ba43-dac502259ad0.png

如图 2,FP-AUD-BVLINKWB1 提供了双向的系统,双方设备都具备语音的能力,所以双方都实现了 GATT Server 以及 Client 的角色。并且,Server 的语音数据基于notification 性质,将以异步的方式主动发送给 Client。

2.3.1. BlueVoiceOPUS 服务

ATT 协议用于在设备中进行数据交换,ATT 的最小实体称为属性。GATT 服务由各种服务组成,其中服务由服务申明属性作为起始,每一个服务又包含若干特性,特性由任意属性或属性描述符组成。

表 1 是典型的 BLE 服务的属性表,其中包含了 1 个服务申明以及 3 个特性。Audio 特性用来通知对方设备音频数据。Ctrl 特性通知对方设备控制数据,比如播放,暂停等。Music 特性用来通知对方音乐数据,该特性只在 ST BLE Sensor APP 中实现,取代 Audio特性,用来传输压缩后的 48KHz 立体音乐。

86289536-2526-11ed-ba43-dac502259ad0.png

2.3.2. BLUEVoiceOPUS 实现

在 Middleware 层,和 BlueVoiceOPUS 协议相关的文件包括:

• bvopus_service_stm:该文件管理所有和 BLE 相关的功能,包括添加服务和添加特性,以及数据的接收和发送。其中包含了一个简单的数据封包和解析协议。

• opus_interface_stm:该文件实现了 Opus 编码器和 BlueVoiceOPUS 服务的接口。提供简单的 API 用于 Opus 初始化,配置,数据压缩和解压等。

2.4. 应用层介绍

在软件包中包含了三个主要的工程:

• BVLCentral:作为主设备主动发起连接,并提供 BlueVoiceOPUS 服务。

• BVLPeripheral:作为从设备广播,并提供 BlueVoiceOPUS 服务。

• BVLPeripheral_FullBand:作为从设备广播,提供 BlueVoiceOPUS 服务, 可以通过BLE 接收立体声音乐,但目前只能和 ST BLE Sensor 相连。

BVLCentral 和 BVLPeripheral 分别烧录到 WB55 的开发板中,分别作为主机和从机,通过开启或停止音频通知,可以达到三种不同类型的通讯:单工,半双工和全双工。

• 当设备在输出音频流时,应用层负责语音的获取,数据压缩和封包,然后通过BlueVoiceOPUS 协议发送出去。

• 当设备在接收音频流时,应用层通过从 BlueVoiceOPUS 协议中接收 BLE 数据包,然后解包和解码 OPUS 语音数据。通过 P-NUCLEO-WB55 上的 SW1 控制打开或关闭语音流通道。通过 LED 显示设备的状态。

• 广播/发现状态:绿色 LED 闪烁

• 连接状态:蓝色 LED 缓慢闪烁

• 语音流状态:蓝色 LED 正常闪烁

• 接收状态:蓝色 LED 稳定点亮(不闪烁)

• 全双工状态:蓝色 LED 快速闪烁(双方设备)

BVLCentral 可以由 APP(ST BLE Sensor)代替,完成设备和手机端的全双工语音通讯。

863c3e10-2526-11ed-ba43-dac502259ad0.png

整个应用流程如图 3 所示,整个流程介绍如下:• 从设备广播,主设备发起连接,直到连接建立成功。

• 双方互相完成服务和特性发现流程。

• 从设备通过按钮,请求打开特性通知,主设备打开通知,从设备发送语音流,此时状态为语音流状态。

• 相反地,主设备通过按钮,请求打开特性通知,从设备打开通知,主设备发送语音流,此时状态变为全双工状态。

• 可以通过按钮,开关语音流,改变语音流状态。

3、系统部署指导

3.1. 两块 STM32WB 开发板之间的全双工音频流

865d74ea-2526-11ed-ba43-dac502259ad0.png

如上图 4 ,可以使用 P-NUCLEO-WB55 开发板与一块麦克风扩展板 X-NUCLEO-CCA02M2 进行组合。然后分别烧录 BVLCentral 工程和 BVLPeripheral 工程。当双方设备建立连接以后,通过 Nucleo 上的 SW1 按钮,就可以建立起半双工或全双工的语音流了。麦克风扩展板可以对语音信号以 8kHz 或 16kHz 进行采集,并通过 BlueVoiceOPUS 协议传输,当对方设备接收到语音数据后,通过 USB 保留到本地,然后使用 Audacity 或其他语音软件播放。

867468ee-2526-11ed-ba43-dac502259ad0.png

如上图 5,也可以使用 STM32WB5MM-DK 进行同样的操作,该开发板使用了 STM32WB5MM的模组,并且板载了一块 OLED 显示屏供开发。

当然也可以使用图 4 和图 5 的组合,只要一块烧录的是主机程序,另一块烧录的是从机程序即可。

3.2. STM32WB 开发板和手机之间的全双工音频流

除了上面的配置方法外,ST 还提供了 ST BLE Sensor 手机 APP 供测试。

86840a42-2526-11ed-ba43-dac502259ad0.png

如图 6,手机可以作为主设备,扫描然后连接 STM32WB55 开发板,建立全双工的音频流的 BLE 链路。语音信号可以从开发板采集,发送到手机侧进行播放。也可以从手机侧采集,发送到开发板后,再通过 USB 进行播放。

3.3. STM32WB 开发板和手机之间的立体声音乐播放

上面介绍的都是 8kHz/16kHz 的语音流,该软件包还提供了全带(Full-Band)的 48kHz 立体声音乐流方案。

图7. 48kHz 立体声音乐流方案

86aab78c-2526-11ed-ba43-dac502259ad0.png

如图 7,手机扫描设备后,发起并建立连接,完成 GATT 服务发现流程,然后通过按钮打开特性的通知属性,建立全带音频流。APP 使用 OPUS 对手机内音乐进行压缩和封包,然后通过BLE 发送给开发板。开发板通过 USB 将数据导出到 PC 上,最后使用 Audacity 或其他语音软件进行播放或刻录。

审核编辑:汤梓红

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • ST
    ST
    +关注

    关注

    32

    文章

    1131

    浏览量

    128883
  • BLE
    BLE
    +关注

    关注

    12

    文章

    655

    浏览量

    59376
  • 无线蓝牙
    +关注

    关注

    1

    文章

    45

    浏览量

    11782

原文标题:工程师笔记|利用 Opus 在 STM32WB 上实现 BLE 全双工语音流

文章出处:【微信号:STM32_STM8_MCU,微信公众号:STM32单片机】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    全双工与半双工的区别 主要是自己学习下

    。随着威廉希尔官方网站 的不断进步,半双工会逐渐退出历史舞台。 全双工与半双工在串行通信中,数据通常是在两个站(如终端和微机)之间进行传送,按照数据的方向可分成三种基本的传送方式:
    发表于 12-14 20:59

    全双工无线系统的实现

    更高。但是,仍然存在一个很大的限制因素:无线电设备仍旧无法在一个频率上同时收发信号。这种在相同频率上同时收发的能力叫做全双工,对于无线网来说将是一个巨大的进步。它能够瞬间使网络承载数据的物理能力,即网络
    发表于 07-11 07:17

    通信基础知识:单工,半双工全双工

    单工,半双工,全双工区别1.单工数据传输只支持数据在一个方向上传输;在同一时间只有一方能接受或发送信息,不能实现双向通信,举例:电视,广播。2.半双工数据传输允许数据在两个方向上传输,
    发表于 09-30 11:37

    求大佬分享一个基于模拟音频连接器的全双工数据实现方案

    求大佬分享一个基于模拟音频连接器的全双工数据实现方案
    发表于 06-03 06:06

    USB音频如何使用I2S全双工传输

    AT32F403A USB Audio full-duplex演示USB音频使用I2S全双工传输。
    发表于 10-27 08:07

    OSD435全双工视频/音频/数据光端机

    应用场合: 在控制中心和摄像机之间要求全双工视频、音频和/或数据传输的CCTV网络 交通监控网络 远程教育 高品质的电视会议系统
    发表于 12-17 00:25 20次下载

    网卡的全双工

     网卡的全双工   网卡的全双工(Full Duplex)是指网卡
    发表于 12-26 11:47 1140次阅读

    全双工,全双工是什么意思

    全双工,全双工是什么意思 概念及实例: 单工即Simplex Communication,指在通信过程的任意时刻,信息只能由一方A传到另
    发表于 03-17 16:21 4346次阅读

    全双工传输,全双工传输原理是什么?

    全双工传输,全双工传输原理是什么? 全双工模式(Full-duplex Transmissions)是指同时发生在两个方向上的一种数据传输方式。简单的解释就是就像电
    发表于 03-17 16:22 4562次阅读

    基于LPC1768的全双工UART的软件模拟实现

    基于LPC1768的全双工UART的软件模拟实现
    发表于 09-26 09:14 14次下载
    基于LPC1768的<b class='flag-5'>全双工</b>UART的软件模拟<b class='flag-5'>实现</b>

    如何实现BLE全双工语音通讯

    在无线蓝牙领域,既能满足超低功耗,又能进行全双工语音通讯,一直是市场上的需求,比如:无线门铃,短距离对讲机等应用。针对BLE语音相关的应用场景,ST推出了FP-AUD-BVLINKWB1这个软件包供客户评估。
    的头像 发表于 04-14 08:47 4382次阅读

    UM2382_基于BLE全双工语音流传输的STM32ODE功能软件包入门指南

    UM2382_基于BLE全双工语音流传输的STM32ODE功能软件包入门指南
    发表于 11-22 19:25 0次下载
    UM2382_基于<b class='flag-5'>BLE</b><b class='flag-5'>全双工</b>语音流传输的STM32ODE功能软件包入门指南

    双工全双工通信模式的比较

    双工全双工通信模式的比较  半双工全双工是两种不同的通信模式,在不同的通信需求下,它们各有优劣。下面,我将详细介绍半双工
    的头像 发表于 01-09 14:00 1726次阅读

    全双工音频对讲模块-支持空中升级、多级无线中继

    SA618F30是一款高集成的大功率全双工无线音频模块,发射功率高达32dBm。该音频模块简化接口,只需外接音频功放或麦克风即可作为一个小型对讲机,方便快捷嵌入到各类手持设备中。支持多
    的头像 发表于 05-08 17:13 504次阅读
    <b class='flag-5'>全双工</b><b class='flag-5'>音频</b>对讲模块-支持空中升级、多级无线中继

    全双工与半双工威廉希尔官方网站 解析

    A到B的同时可以B到A。这种通信方式极大地提高了数据传输的效率和实时性。在手机通信中,全双工模式的应用尤为突出,使得电话的两边的人在同一时刻都可以说话发送数据,实现了真正的双向通信。 全双工模式的优点在于能够
    的头像 发表于 06-16 10:18 736次阅读