aptX ist ein alternativer Codec zu dem Standard-Codec SBC für Bluetooth, der eine deutlich bessere Tonqualität liefert.

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Hochauflösendes Audio für Bluetooth-Musikanwendungen Musikgenuss ohne Kompromisse

27.10.2017

Bluetooth ist eine verbreitete Drahtlosverbindung für Audio-Anwendungen. Die Kombination des A2DP-Protokolls und eines frame-basierten Codecs führte bis dato zu einer übermäßigen Latenz und einer Tonqualität, die unter jener der CD liegt. Mit dem Codec aptX ist beides nun Geschichte.

Bluetooth wurde vor 15 Jahren eingeführt und hat sich als einfache Drahtlosverbindung für eine breite Palette an tragbaren Geräten erwiesen. Bluetooth wird kontinuierlich weiterentwickelt und wurde seit dessen Ersteinführung vielen Verbesserungen unterzogen, um höhere Bandbreiten und neue Fähigkeiten wie Stereoton zu ermöglichen.

Standard-Bluetooth-Stereo verwendet zur Tonkomprimierung A2DP (Advanced Audio Distribution Profile) mit einer paketierten Struktur sowie frame-basierte Audiocodecs. Der im Bluetooth eingesetzte Standard-SBC-Codec ist zwar sehr flexibel. Zahlreiche Implementierungen liefern jedoch eine Tonqualität, die weit unter jener der CD liegt. Durch den Einsatz von SBC mit A2DP kann es auch zu langen Systemlatenzen mit Verzögerungen von über 200 ms und Jitter bis zu 50 ms kommen. Standard-Bluetooth-Implementierungen neigen daher dazu, eine suboptimale Audioleistung sowohl bei der Audioqualität als auch bei den Latenzen - bei Anwendungen, die eine Synchronisation von Ton und Bild erfordern - zu liefern.

Im Jahre 2009 wurde die aptX-Audiotechnologie, inzwischen ein Produkt von Qualcomm Technologies, erstmals der Unterhaltungselektronikindustrie für den Einsatz in Bluetooth-Stereokopfhörern und -Lautsprechern vorgestellt. Beim aptX-Codec handelt es sich um einen zu SBC alternativen Codec, der durchgängig eine der CD ähnliche Audioqualität liefern kann und von vielen Hochleistungs-Bluetoothgeräten unterstützt wird. aptX wird in Kopfhörern, Headsets, Tonanlagen in Autos und Home-Entertainment-Systemen von über 320 Audiomarken eingesetzt. Qualcomm betreibt ein Interoperabilitätsprogramm, um eine sichere Konnektivität zwischen aptX-zertifizierten Produkten sicherzustellen.

Der aptX-Codec wurde für eine Reihe professioneller Audioanwendungen wie Film, Musik, Rundfunk und Postproduktion weiter optimiert. Diese Optimierungen finden nun Eingang in Bluetooth-Audioanwendungen und führen zu einer CD-äquivalenten oder höheren Tonqualität und einem verbesserten Hörerlebnis. Gegenüber den bisherigen Möglichkeiten der Bluetooth-A2DP-Konnektivität, bietet die in diesem Artikel beschriebene Lösung eine bessere Klangtreue.

Herausforderungen von Bluetooth

Die Bluetooth Special Interest Group (SIG) führte A2DP als Protokoll zur Übertragung von Stereoton ein, um Nutzern den drahtlosen Genuss von Stereomusik zu ermöglichen. Die Freiheit der drahtlosen Konnektivität war allerdings bisher immer mit einer geringeren Klangleistung, einer höheren Latenz und geringeren Batterielebensdauer verbunden. Einzeln betrachtet wird jeder dieser Nachteile, je nach Anwendung, von einigen Nutzern lediglich als Unannehmlichkeit empfunden. Zusammen reichen diese Schwächen jedoch aus, um trotz der allgegenwärtigen Präsenz von Bluetooth eine breite Marktakzeptanz zu verhindern. Abhilfe schafft hier der aptX-Codec. Er arbeitet mit einem fixen Kompressionsverhältnis-Algorithmus, sodass jede Implementierung die gleiche Audioqualität garantiert. Dabei setzt der Codec kein Frame-Format ein und arbeitet daher effizient mit der paketierten Struktur von A2DP zusammen.

Der ursprüngliche 16-Bit aptX-Codec wurde in Bluetooth eingeführt, um die Schwächen von SBC auszumerzen, was auf zweierlei Wegen erreicht wurde: 1) Der aptX-Codec bietet eine durchgängige Audioleistung und basiert auf einem fixen 4:1-Kompressionsverhältnis. Dadurch wird sichergestellt, dass es zu keiner Variabilität in der Audioleistung kommt, wenn der Entwickler Source- und Sink-Geräte verschiedener Hersteller kombiniert. 2) Qualcomm Technologies betreibt ein Interoperabilitätsprogramm, bei dem jedes Produkt mit aptX einer Reihe von Leistungskontrollen unterzogen wird, bei denen nicht nur die Klangintegrität der Geräte, sondern auch die RF-Robustheit und der Verbindungs- und Pairing-Prozess geprüft werden. Zusammen trägt dies zu einem verbesserten gesamten Bluetooth-Erlebnis für den Konsumenten bei.

Das mit aptX angegangene Hauptproblem bezog sich auf die variable Qualität von SBC, welches dann gute Klangleistungen lieferte, wenn die Frequenzganggrenze von etwas über 15 bis 20 kHz reichte, je nach Bit-Pool, der im Bluetooth-Sourcegerät verwendet wurde. Genau diese Variabilität wirkte sich auf die Audioleistung des Sink-Geräts aus und resultierte in einer schwankenden Audioqualität beim Konsumenten. In den Anfangsjahren von Bluetooth wurde SBC in den meisten Source-Geräten bei einem 32-Bit-Pool implementiert, was der geringsten Audioleistung entsprach und daher ein insgesamt schwaches Konsumentenerlebnis zur Folge hatte. Hier sollte betont werden, dass sogar bei einem Bit-Pool von 58 der SBC-Codec auf der Basis von ITU-R BS-1116-1 schlechter abschnitt als der aptX-Codec.

Die Salford University in Manchester hat die Audioqualität des Standard-Bluetooth-SBC bei 328 kbit/s (Bit-Pool 52) und jene des aptX bei 354 kbit/s von einer Testgruppe von 30 Zuhörern bewerten lassen. Zur wahrnehmungsgestützten Bewertung der Audioqualität nutzen sie den PEAQ-Algorithmus. Die Ergebnisse zeigten, dass aptX um einen Faktor von 2,5 besser abschnitt als die beste Implementierung von SBC bei einem Bit-Pool 58. Die vielen Nutzer von Hochleistungs-Audiogeräten, die aptX unterstützen, wissen diese Vorteile zu schätzen.

Der aptX-Codec bietet zwei Vorteile gegenüber anderen A2DP-Codecs: er verfügt über eine geringe Codec-Verzögerung von 1,9 ms und benutzt kein Frame-Format, was ebenso wichtig ist. Daher können die Bluetooth-Pakete effizient befüllt werden, ohne dass es zu einem Wartezustand bei der Dekodierung kommen muss. Als Algorithmus mit einer fixen Kompressionsrate bietet aptX darüber hinaus stets die gleiche Bitrate. Somit kann die gleiche Audioqualität mit sämtlichen aptX-Implementierungen garantiert werden. Durch diese Kombination von Funktionalitäten kann aptX eine End-to-End-Latenz von 40 ms bieten und dabei eine professionelle Audioleistung und -Robustheit garantieren. Der Wert von 40 ms entspricht den von der Europäische Rundfunkunion (EBU) verlangten Kriterien für die Lippensynchronität.

Audioqualität besser als CD

Um das Klangerlebnis noch weiter zu steigern, bietet Qualcomm nun aptX HD, der vorwiegend auf „Enhanced aptX 24 Bit“ basiert - einem Codec, der im professionellen Audiobereich in Film, Musik, Rundfunk, und Postproduktion stark eingesetzt wird. Zu den Nutzern von Enhanced aptX 24 Bit zählen unter anderem die Skywalker Ranch von George Lucas, die BBC und die japanische NHK. Der aptX-HD-Codec bietet eine Wortbreite von 24 Bit und eine Abtastfrequenz von 48 kHz. Angesichts der Marktanforderungen für High-Resolution-Audio wurde der aptX-HD-Codec für eine Audioqualität konzipiert, die besser als die der CD sein sollte.

Qualcomm hat kürzlich ein Forschungsprogramm gemeinsam mit der Salford University initiiert, um zu zeigen, dass aptX HD wirklich eine bessere Audioqualität erzeugt wie die CD. Zu diesem Zweck wurden mehrere Musikstücke in Auftrag gegeben und in einem Aufnahmestudio erzeugt, bei denen das Original mit 24 Bit bei 96 kHz gesampelt wurde. Dieser Content wurde anschließend zweierlei verarbeitet: Erstens auf 44,1 kHz, 16 Bit, das heißt auf CD-Qualität herunter gesampelt und zweitens einem Kodierungs-/Dekodierungszyklus mit aptX HD unterzogen, um eine Version mit 48 kHz und 24 Bit zu erzeugen. Die drei Versionen Original 96/24, CD 44,1/16 Bit und aptX HD 48/24 wurden dann bei Hörtests der Salford University eingesetzt.

Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass 50 Prozent der Zuhörer keinen erkennbaren Unterschied zwischen aptX HD und dem Originalcontent mit 96/24 ausmachen konnten, aber sehr wohl einen Unterschied zwischen der CD-Qualität und dem 96/24 Bit-Originalcontent feststellten. Ausgehend davon konnten die Forscher darauf schließen, dass aptX HD seinen Anspruch zu erreicht. In Verbindung mit der CSR8675-Plattform, die eine 24-Bit-Audioarchitektur verwendet, liefert aptX HD einen Frequenzgang von über 22 kHz und ein Signal-Rausch-Verhältnis von 129 dB - somit kann aptX HD eine bessere Klangtreue als frühere Möglichkeiten der Bluetooth-Konnektivität garantieren.

Diese Entwicklungen haben teilweise oder gänzlich die Probleme der Audioleistung, Latenz und Batterielebensdauer beseitigt, die mit Bluetooth-Verbindungen einhergehen. aptX und aptX HD führen zu einer Verbesserung der Audioqualität von Bluetooth-Stereo. Die aptX Low Latency verringert die End-to-End-Latenz und erfüllt dabei die Branchenanforderungen für Lippensynchronität sowohl bei drahtlosen Ton- als auch bei Bildanwendungen. Bluetooth Smart, das ursprünglich für selten genutzte Anwendungen mit geringen Datenraten wie HID (Human Interface Devices wie Tastaturen, Mäuse und andere Eingabegeräte) und Wearables konzipiert wurde, hat sich inzwischen verbreitet. Bluetooth Smart kann nun in Verbindung mit A2DP für den Transport nichtkritischer Befehle und Updates eingesetzt werden, die früher normalerweise über höhere Bitraten und rechenintensivere Protokolle übertragen wurden.

Weg mit den Kabeln

Kann der Konsument nun in den Genuss aller Vorteile der kabelgebundenen Qualität kommen, jedoch ohne Kabel? Zu Beginn, als A2DP auf den Markt kam, mussten Experten das verneinen. Durch die Einführung von aptX und anschließend aptX HD, durch die Verwendung des Interoperabilitätsprogramms von Qualcomm, die Verbesserung der Silikonplattformen und die Vorteile von Bluetooth Smart, hat A2DP jedoch den Weg zu einem kabellosen Genuss ohne Kompromiss bereits geebnet.

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