AptX

aptX (от англ. Audio Processing Technology^[4] - технология обработки звука) - это проприетарное семейство аудиокодеков с алгоритмами сжатия, принадлежащих Qualcomm, ориентированное на беспроводные аудиоприложения.

Оригинальный алгоритм сжатия был разработан в 1980-х годах доктором Стивеном Смитом в рамках его докторской диссертации в Школе электроники, электротехники и компьютерных наук Университета Квинс в Белфасте. Разработка основана на принципах ADPCM во временной области, без использования психоакустических методов слуховой маскировки.

Алгоритм был коммерциализирован под названием aptX и впервые представлен на рынке как полупроводниковый продукт — программируемая интегральная схема DSP APTX100ED. Изначально её использовали производители оборудования для автоматизации вещания, которым требовалось хранить аудиозаписи CD-качества на жестком диске компьютера для автоматического воспроизведения (например, во время радиошоу, что заменяет работу диджея).

В 1988 году Solid State Logic приобрела компанию, а в 1989 году она стала частью Carlton Communications.^[5] В начале 1990-х кодеки APT использовались для передачи звука по линиям ISDN,^[6][7] например, компаниями, такими как Disney, для проверки дубляжа, выполненного в Европе. 23 декабря 1999 года Solid State Logic была продана компанией Carlton Communications инвестиционной компании 3i.^[8][9][10] В 2005 году Solid State Logic продала APT в рамках выкупа менеджментом.^[11][12] 1 марта 2005 года в Белфасте была зарегистрирована компания APT Licensing Ltd. (до 18 декабря 2008 года называлась Audio Processing Technology Holdings Limited).

Использование запатентованных технологий позволило значительно расширить диапазон алгоритмов aptX для сжатия аудиоданных в режиме реального времени. Эти алгоритмы доступны в виде программного обеспечения, встроенного ПО и программируемого оборудования для различных сфер применения:^[13]

• Профессиональный звук;
• Телерадиовещание;
• Бытовая электроника, особенно для приложений, обеспечивающих беспроводную передачу звука;
• Беспроводные наушники с малой задержкой для игр и видео;
• Аудио через IP

Кодек aptX был представлен как альтернатива SBC — схеме поддиапазонного кодирования для потоковой передачи стерео- и моноаудио с потерями, рекомендованной Bluetooth SIG для расширенного профиля распространения звука (A2DP) в стандарте Bluetooth. Поддержка aptX доступна в высокопроизводительных периферийных устройствах Bluetooth.^[14][15]

Стандартный aptX и его улучшенная версия (E-aptX) широко применяются в аппаратных кодеках ISDN и IP-аудио, выпускаемых различными производителями оборудования для вещания.

В 2007 году к семейству aptX были добавлены новые форматы.^[16] Одним из них стал aptX Live, обеспечивающий сжатие с коэффициентом до 8:1. В апреле 2009 года был анонсирован aptX HD — аудиокодек с потерями, отличающийся возможностью масштабирования, адаптивности и высокой степенью сохранения качества звука.^[17]

В 2009 году компания разделилась на две части: производство вещательного оборудования было приобретено Audemat и вошло в состав WorldCast Systems, а лицензионный бизнес, получивший название APT Licensing, был приобретён компанией CSR в 2010 году.^[18]

До приобретения компанией CSR кодек назывался apt-X. В августе 2015 года CSR была приобретена компанией Qualcomm.^[19]

Аудиокодек aptX широко применяется в беспроводных аудиоприложениях для бытовых и автомобильных устройств. Он предназначен для потоковой передачи стереозвука в реальном времени через соединение Bluetooth A2DP между источником, таким как смартфон, планшет или ноутбук, и приёмником, например, стереодинамиком, гарнитурой или наушниками.

Чтобы реализовать преимущества кодирования aptX по сравнению с поддиапазонным кодированием SBC, предусмотренным стандартом Bluetooth, технология должна поддерживаться как на передающем, так и на приёмном устройстве. Изделия с логотипом CSR aptX сертифицированы на совместимость друг с другом.^[20]

Улучшенный aptX представляет собой формат сжатия аудиосигнала с коэффициентом 4:1, предназначенный для профессиональных аудиовещательных приложений, включая AM, FM, DAB, HD Radio и системы 5.1.

Улучшенный aptX способен обрабатывать до четырёх стереопар аудиосигнала AES3 и сжимать их в один поток AES3 для передачи. Кодек поддерживает разрядность 16, 20 или 24 бита.

Для аудио с частотой дискретизации 48 кГц битрейт для E-aptX составляет:

• 384 кбит/с для двухканального звука;
• 768 кбит/с — для четырехканального;
• 1024 кбит/с — для 5.1-канального;
• 1280 кбит/с — для 5.1 и стерео.

Минимальный битрейт составляет около 60 кбит/с для монофонического звука с частотой дискретизации 16 кГц, обеспечивая частотную характеристику около 7,5 кГц, что немного ниже показателей широкополосных телефонных кодеков с той же частотой дискретизации.^[21]

aptX Live — аудиокодек, разработанный для увеличения плотности каналов цифровых беспроводных микрофонов в условиях ограниченной полосы пропускания. Технология применяется в живых выступлениях, телевизионных и радио-программах, а также на специальных мероприятиях, где спектральная эффективность радиоустройств (беспроводных микрофонов, внутриушного мониторинга и систем двусторонней связи) является ключевым фактором.

aptX Live обеспечивает сжатие цифровых аудиопотоков с разрешением 24 бита до коэффициента 8:1, сохраняя акустическую целостность (динамический диапазон около 120 дБ) и обеспечивая низкую задержку около 1,8 мс при частоте дискретизации 48 кГц. Кодек также поддерживает технологии, повышающие стабильность соединения при высоком коэффициенте битовых ошибок (BER), что делает его подходящим для профессионального применения.

aptX LL (aptX Low Latency) — технология, разработанная для видео- и игровых приложений, где критична синхронизация звука и изображения. Она обеспечивает передачу стереозвука по радиоканалу ближнего действия с использованием стандарта аудиопрофиля Bluetooth A2DP.

Технология обеспечивает сквозную задержку около 32 миллисекунд (мс) по Bluetooth. Для сравнения, стандартное стереокодирование Bluetooth с использованием SBC обеспечивает сквозную задержку менее 40 мс в зависимости от конкретной системы и буферизации.

В вещательном телевидении рекомендуемая задержка для синхронизации звука и изображения составляет +40 мс и −60 мс (звук соответственно идёт перед или после видео).^[22] Для работы aptX Low Latency требуется специальная беспроводная антенна, что ограничивало его распространение в смартфонах. Впоследствии Qualcomm заменила эту технологию на aptX Adaptive.^[23][24] Основным конкурентом aptX LL является LLAC.

aptX HD (aptX High Definition) — аудиокодек, поддерживающий битрейт до 576 кбит/с. Он обеспечивает передачу аудио высокой чёткости с частотой дискретизации до 48 кГц и глубиной цвета до 24 бит.

Несмотря на название, aptX HD остаётся кодеком с потерями.^[25] Он использует «гибридную» схему кодирования, которая позволяет ограничивать среднюю и пиковую скорость сжатия данных. Для этого динамически применяются методы сжатия с минимальными потерями на участках аудио, где требуется сохранить качество при ограниченной полосе пропускания.

Методы кодирования с минимальными потерями позволяют поддерживать звуковой диапазон до 20 кГц и динамический диапазон не менее 120 дБ. Основными конкурентами aptX HD являются кодек LDAC, разработанный Sony, и LHDC.

Ещё одним настраиваемым параметром кодека aptX HD является задержка кодирования. Она может динамически регулироваться вместе с другими параметрами, такими как уровень сжатия и вычислительная сложность.

Задержка кодека aptX HD может регулироваться до 1 миллисекунды при частоте дискретизации 48 кГц, в зависимости от конфигурации других параметров кодирования.

aptX HD демонстрирует преимущества по сравнению с другими кодеками с потерями при низкой задержке кодирования, например 5 миллисекунд или меньше, что делает его пригодным для интерактивных аудиоприложений, чувствительных к задержкам.

Многие кодеки с потерями отличаются низкими вычислительными затратами по сравнению с популярными кодеками, такими как MP3 и AAC, которые используют сжатие с потерями. Это важно для аудиоприложений, работающих на маломощных мобильных устройствах.

aptX HD обеспечивает низкие вычислительные затраты за счёт динамического выбора функций кодирования для каждого короткого аудиофрагмента. При этом кодек учитывает другие эксплуатационные ограничения, такие как уровень сжатия и задержка кодирования.

В зависимости от конфигурации масштабируемых параметров, aptX HD способен кодировать 48-битный стереоаудиопоток с частотой дискретизации 16 кГц, используя примерно 10 MIPS на современном RISC-процессоре с расширениями для обработки сигналов. Соответствующий декодер на той же платформе использует около 6 MIPS.

Пользовательские метаданные и специальные данные синхронизации могут сжиматься с настраиваемой скоростью. Это обеспечивает ресинхронизацию декодера в случае повреждения или потери данных в каналах связи с изменяющимся качеством обслуживания. В зависимости от настроек параметров, ресинхронизация может происходить в течение 1–2 миллисекунд.^[26][27]

aptX Adaptive — технология динамического кодирования звука, разработанная компанией Qualcomm. Она обеспечивает оптимальное качество звука и минимальную задержку в беспроводных наушниках и колонках.

aptX Adaptive поддерживает динамическое масштабирование битрейта в диапазоне от 279 до 420 кбит/с, обеспечивая качество звука, сопоставимое с битрейтом 352 кбит/с для aptX и 576 кбит/с для aptX HD.

Технология aptX Adaptive поддерживает глубину звука 16 и 24 бита при частотах дискретизации 44,1, 48 и 96 кГц. Поддержка конкретной частоты дискретизации зависит от аппаратной реализации: например, наушники B&O H95 поддерживают только 48 кГц, несмотря на совместимость с aptX Adaptive. Аппаратный кодек aptX Adaptive обеспечивает сквозную задержку около 80 миллисекунд.^[28] Большинство смартфонов используют программный передатчик, который не обеспечивает более низкую задержку по сравнению с другими кодеками.^[29]

aptX Adaptive совместим с более старыми кодеками aptX и aptX HD, но не с aptX LL.^{[23][30][31][32]}

aptX Voice — функция, входящая в состав aptX Adaptive, разработанная для улучшения качества передачи голоса при использовании Bluetooth-аксессуаров для голосовых вызовов. Она поддерживает частоту дискретизации до 32 кГц в режиме Bluetooth Hands-Free.^[33]

В 2021 году компания Qualcomm представила aptX Lossless — функцию кодека aptX Adaptive, обеспечивающую передачу звука CD-качества без потерь с разрядностью 16 бит и частотой дискретизации 44,1 кГц по Bluetooth.

aptX Lossless использует технологию Qualcomm Bluetooth High Speed Link для масштабирования скорости передачи данных до примерно 1,2 Мбит/с при благоприятных условиях радиоканала.^[34]

16-битный сигнал CD-качества с частотой дискретизации 44 кГц (полоса пропускания до 22 кГц) делится на четыре 16-битных поддиапазона с помощью квадратурного зеркального фильтра с 64 отводами. Первый фильтр разделяет сигнал на два диапазона: 0–11 кГц и 11–22 кГц. Каждый из этих диапазонов затем проходит через второй 64-канальный фильтр, который делит их на четыре поддиапазона: 0–5,5 кГц, 5,5–11 кГц, 11–16,5 кГц и 16,5–22 кГц. Для кодирования используется ADPCM, который распределяет биты с учётом дисперсии сигнала в разных поддиапазонах.

Каждая полоса кодируется с использованием ADPCM, при этом биты распределяются следующим образом:

• Полоса 1: 8 бит для диапазона 0–5,5 кГц
• Полоса 2: 4 бита для диапазона 5,5–11 кГц
• Полоса 3: 2 бита для диапазона 11–16,5 кГц
• Полоса 4: 2 бита для диапазона 16,5–22 кГц

В будущем планируется модернизация, предусматривающая адаптивное перераспределение битов в зависимости от дисперсионного анализа каждого поддиапазона. Распределение битов может изменяться, например, до значений 9, 2, 3, 2.

Для монофонического сигнала с разрядностью 16 бит и частотой дискретизации 44,1 кГц (705,6 кбит/с) сигнал преобразуется в четыре поддиапазона по 16 бит с частотой 11,025 кГц, сохраняя общий поток 705,6 кбит/с. Затем эти поддиапазоны кодируются с распределением битов 8 + 4 + 2 + 2 при частоте 11,025 кГц, что даёт поток 176,4 кбит/с.

При необходимости используется краткосрочный анализатор RMSE для уменьшения динамического диапазона, что позволяет более эффективно распределять биты во время тихих фрагментов, соответствуя формату с потерями.

Для стереосигнала стандартный поток PCM со скоростью 1,4 Мбит/с преобразуется в поток aptX со скоростью 352 кбит/с.

Подробности описаны в патенте EP0398973B1.^[35] Основная идея заключается в том, что на более высоких частотах изменения в сигнале менее заметны, что облегчает кодирование с использованием кодеков, таких как ADPCM.

• Сжатие с потерями

• aptx.com — официальный сайт AptX
• Article Skips Second Coding Family, Radio World 09.12.2007
• Entertainment Engineering, Volume 6, Issue 6: Licensable Intellectual Property for HD Digital Audio . Дата обращения: 29 июня 2009. Архивировано 16 февраля 2012 года.