一簡介

在無線藍牙領域，既能滿足超低功耗，又能進行全雙工語音通訊，一直是市場上的需求，比如：無線門鈴，短距離對講機等應用。針對BLE語音相關的應用場景，ST推出了FP-AUD-BVLINKWB1這個軟件包供客戶評估。

本文將對這個軟件包展開介紹，該軟件包主要包含以下特性：

使用Opus v1.3編碼和解碼，通過BLE實現全雙工立體音頻流。

使用自定義BlueVoiceOPUS協議，通過API即可使用Opus功能。

源碼包含數字音頻捕獲和處理。

可以通過USB進行音頻流的回放。

可使用麥克風擴展板X-NUCLEO-CCA02M2 + Nucleo開發板P-NUCLEO-WB55的組合或者探索板STM32WB5MM-DK。

兼容STBLESensor App。

免費開源。

感興趣的話歡迎下載該軟件包進行評估

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二軟件介紹

軟件架構

▲圖1.軟件架構圖

Hardware Abstraction:硬件抽象層，使用了STM32的HAL庫提供底層的硬件驅動。

BSP層：在HAL層之上，提供了板級支持包，包含了SPI,ADC,LED和User Button等驅動。

Middleware層：中間件層，主要包含了以下內容：

□ STM32 WPAN：提供BLE，Thread，Zigbee等協議相關的接口API，本應用只使用了BLE協議。

□ USB Device：提供各種不同USB device類的實現，本應用中只使用了USB Audio類。

□ PDM Lib：提供了數字麥克風PDM信號到PCM信號轉換的軟件實現。

□ OPUS：開源第三方的OPUS庫，版本v1.3。

Opus簡介Opus是完全開源免費的高通用性音頻編解碼協議，由Internet Engineering Task Force (IETF)標準化。

Opus可以處理廣泛的音頻應用，包括IP語音、視頻會議、游戲內聊天，甚至遠程現場音樂表演。它可以從低比特率窄帶語音縮放到非常高質量的立體聲音樂，并且具備以下特點：

比特率范圍：6kb /s到510 kb/s

采樣率范圍：8khz(窄帶)到48kHz(全帶)

幀大小：2.5 ms到60 ms

比特率，采樣率，幀大小動態可調節

支持固定比特率(CBR)和可變比特率(VBR)

支持語音和音樂

支持單聲道和立體聲

最多支持255個通道

良好的魯棒性和丟包隱藏能力

支持浮點和定點

BlueVoiceOPUS協議BlueVoiceOPUS是自定義的協議，Central和Peripheral是GAP層的角色，在點對點通訊中，主動發起連接請求的設備為Central。在GATT協議中，Server接受請求和命令，將數據保存在屬性中。Client實施服務發現流程，并向Server請求數據。

如果是單向的非對稱語音系統，那么具備麥克風的設備可以定義為Server，客戶端可以主動或被動接收Server的語音數據流。

▲圖2.GATT角色分配

如圖2，FP-AUD-BVLINKWB1提供了雙向的系統，雙方設備都具備語音的能力，所以雙方都實現了GATT Server以及Client的角色。并且，Server的語音數據基于notification性質，將以異步的方式主動發送給Client。

? BlueVoiceOPUS服務

ATT協議用于在設備中進行數據交換，ATT的最小實體稱為屬性。GATT服務由各種服務組成，其中服務由服務申明屬性作為起始，每一個服務又包含若干特性，特性由任意屬性或屬性描述符組成。

表1是典型的BLE服務的屬性表，其中包含了1個服務申明以及3個特性。Audio特性用來通知對方設備音頻數據。Ctrl特性通知對方設備控制數據，比如播放，暫停等。Music特性用來通知對方音樂數據，該特性只在ST BLE Sensor APP中實現，取代Audio特性，用來傳輸壓縮后的48KHz立體音樂。

▲表1.BlueVoiceOPUS服務屬性表

? BLUEVoiceOPUS實現

在Middleware層，和BlueVoiceOPUS協議相關的文件包括：

bvopus_service_stm：該文件管理所有和BLE相關的功能，包括添加服務和添加特性，以及數據的接收和發送。其中包含了一個簡單的數據封包和解析協議。

opus_interface_stm：該文件實現了Opus編碼器和BlueVoiceOPUS服務的接口。提供簡單的API用于Opus初始化，配置，數據壓縮和解壓等。

應用層介紹在軟件包中包含了三個主要的工程：

BVLCentral：作為主設備主動發起連接，并提供BlueVoiceOPUS服務。

BVLPeripheral：作為從設備廣播，并提供BlueVoiceOPUS服務。

BVLPeripheral_FullBand：作為從設備廣播，提供BlueVoiceOPUS服務, 可以通過BLE接收立體聲音樂，但目前只能和ST BLE Sensor相連。

BVLCentral和BVLPeripheral分別燒錄到WB55的開發板中，分別作為主機和從機，通過開啟或停止音頻通知，可以達到三種不同類型的通訊：單工，半雙工和全雙工。

當設備在輸出音頻流時，應用層負責語音的獲取，數據壓縮和封包，然后通過BlueVoiceOPUS協議發送出去。

當設備在接收音頻流時，應用層通過從BlueVoiceOPUS協議中接收BLE數據包，然后解包和解碼OPUS語音數據。

通過P-NUCLEO-WB55上的SW1控制打開或關閉語音流通道。

通過LED顯示設備的狀態。

廣播/發現狀態：綠色LED閃爍

連接狀態：藍色LED緩慢閃爍

語音流狀態：藍色LED正常閃爍

接收狀態：藍色LED穩定點亮(不閃爍)

全雙工狀態：藍色LED快速閃爍(雙方設備)

BVLCentral可以由APP(ST BLE Sensor)代替，完成設備和手機端的全雙工語音通訊。

▲圖3.應用流程圖

整個應用流程如圖3所示,整個流程介紹如下：

從設備廣播，主設備發起連接，直到連接建立成功。

雙方互相完成服務和特性發現流程。

從設備通過按鈕，請求打開特性通知，主設備打開通知，從設備發送語音流，此時狀態為語音流狀態。

相反地，主設備通過按鈕，請求打開特性通知，從設備打開通知，主設備發送語音流，此時狀態變為全雙工狀態。

可以通過按鈕，開關語音流，改變語音流狀態。

三系統部署指導

下面將從不同方面分別介紹Demo的部署流程。

兩塊STM32WB開發板之間的全雙工音頻流

▲圖4.NUCLEO+CCA02M2的組合

如上圖4 ，可以使用P-NUCLEO-WB55開發板與一塊麥克風擴展板X-NUCLEO-CCA02M2進行組合。然后分別燒錄BVLCentral工程和BVLPeripheral工程。當雙方設備建立連接以后，通過Nucleo上的SW1按鈕，就可以建立起半雙工或全雙工的語音流了。麥克風擴展板可以對語音信號以8kHz或16kHz進行采集，并通過BlueVoiceOPUS協議傳輸，當對方設備接收到語音數據后，也通過usb傳輸到PC，使用刻錄軟件(如audacity)進行刻錄保存，然后使用Audacity或其他語音軟件播放。

▲圖5.STM325MM-DK探索板

如上圖5，也可以使用STM32WB5MM-DK進行同樣的操作，該開發板使用了STM32WB5MM的模組，并且板載了一塊OLED顯示屏供開發。

當然也可以使用圖4和圖5的組合，只要一塊燒錄的是主機程序，另一塊燒錄的是從機程序即可。

STM32WB開發板和手機之間的全雙工音頻流除了上面的配置方法外，ST還提供了ST BLE Sensor手機APP供測試。

▲圖6.手機和開發板之間的音頻流

如圖6，手機可以作為主設備，掃描然后連接STM32WB55開發板，建立全雙工的音頻流的BLE鏈路。語音信號可以從開發板采集，發送到手機側進行播放。也可以從手機側采集，發送到開發板后，再通過USB進行播放。

STM32WB開發板和手機之間的立體聲音樂播放上面介紹的都是8kHz/16kHz的語音流，該軟件包還提供了全帶(Full-Band)的48kHz立體聲音樂流方案。

▲圖7.48kHz立體聲音樂流方案

如圖7，手機掃描設備后，發起并建立連接，完成GATT服務發現流程，然后通過按鈕打開特性的通知屬性，建立全帶音樂流。APP使用OPUS對手機內音樂進行壓縮和封包，然后通過BLE發送給開發板。開發板通過USB將數據導出到PC上，最后使用Audacity或其他語音軟件進行播放。

原文標題：無線與云連接技術專題之二：利用Opus在STM32WB上實現BLE全雙工語音流

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審核編輯：湯梓紅