蓝牙协议中的SBC编解码原理和仿真

一、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。


二、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。

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。

三、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。

四、关于SBC编码的一些性质

1. 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。
2. SBC支持的采样率
   包括44.1kHz、48kHz、32kHz、16kHz。
3. 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)。

五、编解码仿真

　　1 下载信息：

• Download (HTTP): https://www.kernel.org/pub/linux/bluetooth/sbc-1.4.tar.xz

• Download MD5 sum: 800fb0908899baa48dc216d8e156cc05

• Download size: 248 KB

• Estimated disk space required: 2.9 MB

• Estimated build time: Less than 0.1 SBU

    2 编译和运行：

./configure --prefix=/usr --disable-static --disable-tester &&
make

    3 使用方法：

      编码：

sbcenc test9a.au > test9.sbc

     解码：

sbcdec -f test9b.au test9.sbc

  亲测有效。

参考文档：

1 https://www.cnblogs.com/huahuahu/p/lan-ya-xie-yi-zhong-deSBC-bian-ma.html

2 http://www.linuxfromscratch.org/blfs/view/svn/multimedia/sbc.html