Linux蓝牙之宽带语音（WBS）
Linux蓝牙之宽带语音（WBS）
1. 概述
1.1 什么是WBS
WBS（Wideband Speech，宽带语音）是蓝牙技术联盟（SIG）定义的一种高质量语音传输技术，也称为蓝牙宽带语音或HD Voice。它使用 mSBC 编码 在 eSCO（增强同步连接）链路上提供16kHz采样率的语音传输，相比传统的窄带语音（NBS，8kHz采样率）显著提升了通话质量。
1.2 技术背景
| 特性 | 窄带语音（NBS） | 宽带语音（WBS） |
|---|---|---|
| 采样率 | 8kHz | 16kHz |
| 频率范围 | 300Hz-3400Hz | 50Hz-7000Hz |
| 编码算法 | CVSD | mSBC |
| 语音质量 | MOS 3.0-3.5 | MOS 3.5-4.0 |
| 蓝牙版本 | Bluetooth 1.x+ | Bluetooth 2.1+（HFP 1.6+） |
1.3 应用场景
- 蓝牙免提通话（HFP）：车载蓝牙、蓝牙耳机
- VoIP通话：通过蓝牙设备进行网络语音通话
- 语音助手：Siri、Google Assistant、Alexa等
- 助听设备：高质量音频传输
2. 技术原理
2.1 mSBC编码
mSBC（modified Sub-Band Coding）是WBS的核心编码算法：
输入PCM音频（16kHz, 16bit）
↓
子带分解（4个子带）
↓
自适应量化
↓
比特分配
↓
输出mSBC比特流（60字节/帧）2.2 SCO/eSCO传输
WBS使用透明模式（Transparent Mode）的eSCO链路传输：
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│ eSCO链路参数 │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 参数 │ T1配置 │ T2配置 │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 包类型 │ EV3 │ 2EV3 │
│ 最大延迟 │ 8ms │ 13ms │
│ 重传次数 │ 2次 │ 2次 │
│ 空中传输速率 │ 64kbps │ 64kbps │
│ 带宽需求 │ 80kbps │ 80kbps │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘2.3 USB Alternate Settings
对于USB蓝牙适配器，WBS需要选择合适的 Alternate Settings（不重新枚举设备的情况下，动态切换不同的配置方案，例如改变端点的数量、类型、数据包大小或带宽需求）：
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│ USB Alternate Settings │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│ ALT │ 包大小 │ 间隔 │ 用途 │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│ ALT1 │ 17字节 │ 1ms │ NB语音/兼容 │
│ ALT3 │ 25字节 │ 7.5ms │ WBS备选 │
│ ALT6 │ 63字节 │ 7.5ms │ WBS首选 │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘3. Linux内核实现
下面我们来看看在linux中关于 WBS 的实现。
基于内核v7.1.0-rc6
3.1 代码架构
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 用户空间 │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ BlueZ / PulseAudio / PipeWire ││
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘│
└────────────────────────┬────────────────────────────────┘
│ MGMT API
┌────────────────────────┴────────────────────────────────┐
│ 内核空间 │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ net/bluetooth/mgmt.c ││
│ │ - set_wideband_speech() ││
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘│
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ net/bluetooth/hci_conn.c ││
│ │ - hci_setup_sync() / esco_param_msbc[] ││
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘│
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ net/bluetooth/sco.c ││
│ │ - SCO连接管理 ││
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘│
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ drivers/bluetooth/ ││
│ │ - btintel.c / btusb.c / btrtl.c / hci_qca.c ││
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘│
└─────────────────────────────────────────────────────────┘3.2 关键数据结构
/* WBS eSCO参数定义 - net/bluetooth/hci_conn.c:65-68 */
static const struct sco_param esco_param_msbc[] = {
{ EDR_ESCO_MASK & ~ESCO_2EV3, 0x000d, 0x02 }, /* T2 */
{ EDR_ESCO_MASK | ESCO_EV3, 0x0008, 0x02 }, /* T1 */
};
/* 空中模式定义 - include/net/bluetooth/hci_core.h:2508 */
#define SCO_AIRMODE_TRANSP 0x0003 /* 透明模式，用于mSBC */
#define SCO_AIRMODE_CVSD 0x0000 /* CVSD模式，用于NB语音 */4. 支持流程分析
4.1 硬件支持检测
驱动程序在初始化时检测硬件是否支持WBS，并设置相应的quirk标志：
/* Intel设备 - drivers/bluetooth/btintel.c:3556-3559 */
if (!btintel_test_flag(hdev, INTEL_ROM_LEGACY_NO_WBS_SUPPORT))
hci_set_quirk(hdev, HCI_QUIRK_WIDEBAND_SPEECH_SUPPORTED);
/* USB设备 - drivers/bluetooth/btusb.c:4341-4342 */
if (id->driver_info & BTUSB_WIDEBAND_SPEECH)
hci_set_quirk(hdev, HCI_QUIRK_WIDEBAND_SPEECH_SUPPORTED);
/* Realtek设备 - drivers/bluetooth/btrtl.c:1310-1320 */
switch (btrtl_dev->project_id) {
case CHIP_ID_8822C:
case CHIP_ID_8852A:
case CHIP_ID_8852B:
case CHIP_ID_8852C:
case CHIP_ID_8851B:
case CHIP_ID_8922A:
case CHIP_ID_8852BT:
case CHIP_ID_8761C:
hci_set_quirk(hdev, HCI_QUIRK_WIDEBAND_SPEECH_SUPPORTED);
break;
}
/* Qualcomm设备 - drivers/bluetooth/hci_qca.c:2553-2555 */
if (data->capabilities & QCA_CAP_WIDEBAND_SPEECH)
hci_set_quirk(hdev, HCI_QUIRK_WIDEBAND_SPEECH_SUPPORTED);4.2 用户空间配置
用户空间通过MGMT API控制WBS功能：
/* net/bluetooth/mgmt.c:4402-4449 */
static int set_wideband_speech(struct sock *sk, struct hci_dev *hdev,
void *data, u16 len)
{
struct mgmt_mode *cp = data;
int err;
bool changed = false;
/* 检查硬件是否支持WBS */
if (!hci_test_quirk(hdev, HCI_QUIRK_WIDEBAND_SPEECH_SUPPORTED))
return mgmt_cmd_status(sk, hdev->id,
MGMT_OP_SET_WIDEBAND_SPEECH,
MGMT_STATUS_NOT_SUPPORTED);
/* 验证参数 */
if (cp->val != 0x00 && cp->val != 0x01)
return mgmt_cmd_status(sk, hdev->id,
MGMT_OP_SET_WIDEBAND_SPEECH,
MGMT_STATUS_INVALID_PARAMS);
hci_dev_lock(hdev);
/* 设备已上电时不允许更改 */
if (hdev_is_powered(hdev) &&
!!cp->val != hci_dev_test_flag(hdev,
HCI_WIDEBAND_SPEECH_ENABLED)) {
err = mgmt_cmd_status(sk, hdev->id,
MGMT_OP_SET_WIDEBAND_SPEECH,
MGMT_STATUS_REJECTED);
goto unlock;
}
/* 设置或清除WBS启用标志 */
if (cp->val)
changed = !hci_dev_test_and_set_flag(hdev,
HCI_WIDEBAND_SPEECH_ENABLED);
else
changed = hci_dev_test_and_clear_flag(hdev,
HCI_WIDEBAND_SPEECH_ENABLED);
err = send_settings_rsp(sk, MGMT_OP_SET_WIDEBAND_SPEECH, hdev);
if (err < 0)
goto unlock;
if (changed)
err = new_settings(hdev, sk);
unlock:
hci_dev_unlock(hdev);
return err;
}4.3 SCO连接建立
建立WBS SCO连接时选择mSBC参数：
/* net/bluetooth/hci_conn.c:407-457 */
static bool hci_setup_sync_conn(struct hci_conn *conn, __u16 handle)
{
struct hci_dev *hdev = conn->hdev;
struct hci_cp_setup_sync_conn cp;
const struct sco_param *param;
conn->state = BT_CONNECT;
conn->out = true;
conn->attempt++;
cp.handle = cpu_to_le16(handle);
cp.tx_bandwidth = cpu_to_le32(0x00001f40);
cp.rx_bandwidth = cpu_to_le32(0x00001f40);
cp.voice_setting = cpu_to_le16(conn->setting);
/* 根据空中模式选择参数 */
switch (conn->setting & SCO_AIRMODE_MASK) {
case SCO_AIRMODE_TRANSP: /* WBS模式 */
if (!find_next_esco_param(conn, esco_param_msbc,
ARRAY_SIZE(esco_param_msbc)))
return false;
param = &esco_param_msbc[conn->attempt - 1];
break;
case SCO_AIRMODE_CVSD: /* NB模式 */
if (conn->parent && lmp_esco_capable(conn->parent)) {
if (!find_next_esco_param(conn, esco_param_cvsd,
ARRAY_SIZE(esco_param_cvsd)))
return false;
param = &esco_param_cvsd[conn->attempt - 1];
} else {
if (conn->attempt > ARRAY_SIZE(sco_param_cvsd))
return false;
param = &sco_param_cvsd[conn->attempt - 1];
}
break;
default:
return false;
}
cp.retrans_effort = param->retrans_effort;
cp.pkt_type = __cpu_to_le16(param->pkt_type);
cp.max_latency = __cpu_to_le16(param->max_latency);
if (hci_send_cmd(hdev, HCI_OP_SETUP_SYNC_CONN, sizeof(cp), &cp) < 0)
return false;
return true;
}4.4 USB Alternate Setting选择
USB蓝牙适配器在WBS连接时选择合适的alternate setting：
/* drivers/bluetooth/btusb.c:2415-2433 */
} else if (data->air_mode == HCI_NOTIFY_ENABLE_SCO_TRANSP) {
/* Bluetooth USB spec recommends alt 6 (63 bytes), but
* many adapters do not support it. Alt 1 appears to
* work for all adapters that do not have alt 6, and
* which work with WBS at all. Some devices prefer
* alt 3 (HCI payload >= 60 Bytes let air packet
* data satisfy 60 bytes), requiring
* MTU >= 3 (packets) * 25 (size) - 3 (headers) = 72
* see also Core spec 5, vol 4, B 2.1.1 & Table 2.1.
*/
if (btusb_find_altsetting(data, 6))
new_alts = 6;
else if (btusb_find_altsetting(data, 3) &&
hdev->sco_mtu >= 72 &&
test_bit(BTUSB_USE_ALT3_FOR_WBS, &data->flags))
new_alts = 3;
else
new_alts = 1;
}4.5 HCI命令配置
配置错误数据报告以支持WBS：
/* net/bluetooth/hci_sync.c:4813-4832 */
static int hci_set_err_data_report_sync(struct hci_dev *hdev)
{
struct hci_cp_write_def_err_data_reporting cp;
bool enabled = hci_dev_test_flag(hdev, HCI_WIDEBAND_SPEECH_ENABLED);
/* 检查命令支持和特性支持 */
if (!(hdev->commands[18] & 0x08) ||
!(hdev->features[0][6] & LMP_ERR_DATA_REPORTING) ||
hci_test_quirk(hdev, HCI_QUIRK_BROKEN_ERR_DATA_REPORTING))
return 0;
if (enabled == hdev->err_data_reporting)
return 0;
memset(&cp, 0, sizeof(cp));
cp.err_data_reporting = enabled ? ERR_DATA_REPORTING_ENABLED :
ERR_DATA_REPORTING_DISABLED;
return __hci_cmd_sync_status(hdev, HCI_OP_WRITE_DEF_ERR_DATA_REPORTING,
sizeof(cp), &cp, HCI_CMD_TIMEOUT);
}5. 完整流程图
graph TD
A[蓝牙驱动初始化] --> B{检测硬件WBS支持}
B -->|Intel设备| C[设置HCI_QUIRK_WIDEBAND_SPEECH_SUPPORTED]
B -->|USB设备| C
B -->|Realtek设备| C
B -->|Qualcomm设备| C
B -->|不支持| D[不设置quirk]
C --> E[hci_register_dev]
E --> F[用户空间查询WBS支持]
F --> G{检查quirk标志}
G -->|支持| H[返回MGMT_SETTING_WIDEBAND_SPEECH]
G -->|不支持| I[返回不支持]
H --> J[用户空间发送SET_WIDEBAND_SPEECH]
J --> K{验证参数}
K -->|val=0或1| L[设置HCI_WIDEBAND_SPEECH_ENABLED]
K -->|其他值| M[返回INVALID_PARAMS]
L --> N[发送settings_rsp]
N --> O[通知设置变更]
O --> P[建立SCO连接]
P --> Q{选择air_mode}
Q -->|WBS| R[SCO_AIRMODE_TRANSP]
Q -->|NB| S[SCO_AIRMODE_CVSD]
R --> T[选择eSCO参数]
T --> U{尝试参数}
U -->|T2| V[2EV3, max_latency=13ms]
U -->|T1| W[EV3, max_latency=8ms]
V --> X[发送SETUP_SYNC_CONN]
W --> X
X --> Y{USB适配器?}
Y -->|是| Z[选择alternate setting]
Y -->|否| AA[建立连接]
Z --> AB{查找ALT6}
AB -->|支持| AC[使用ALT6]
AB -->|不支持| AD{查找ALT3且MTU>=72}
AD -->|支持| AE[使用ALT3]
AD -->|不支持| AF[使用ALT1]
AC --> AG[配置错误数据报告]
AE --> AG
AF --> AG
AG --> AA
AA --> AH[WBS连接建立完成]
style A fill:#e1f5e1
style H fill:#c8e6c9
style L fill:#c8e6c9
style AH fill:#a5d6a7
style D fill:#ffcdd2
style M fill:#ffcdd2
style I fill:#ffcdd26. 参考资料
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