Die Bluetooth^® Special Interest Group (SIG) hat den Audiobereich quasi von Beginn an als einen Schlüsselmarkt für die drahtlose Bluetooth -Technologie erkannt. Kurz nach der Zulassung von Bluetooth 1.0 im Jahr 1999 kam das erste Bluetooth Consumer-Produkt in den Handel: ein mobiles Headset mit Freisprechfunktion. Dieses Headset wurde auf der (inzwischen nicht mehr existierenden) einflussreichen Computerfachmesse COMDEX mit dem „Best in Show Technology Award“ ausgezeichnet und zeigte schon früh, dass Bluetooth ein kommerzieller Erfolg sein würde.

Ein Großteil dieses Erfolgs war darauf zurückzuführen, dass die Entwicklungsingenieure Innovationen entwickelten, mit denen die Grenzen des theoretischen Rohdatendurchsatzes von Bluetooth von einem Megabit pro Sekunde (in der Praxis etwa 721 kbit/s) überwunden werden konnten und somit eine adäquate Sprachübertragung möglich war. Eine dieser Innovationen bestand darin, das Sampling des Original-Analogsignals zu begrenzen, um die drahtlos zu übertragende Datenmenge zu reduzieren.

Die Referenz für hochwertigen digitalen Klang ist die CD. Diese Technologie tastet das ursprüngliche analoge Signal mit einer Genauigkeit von 16 Bit (1,41 Mbps) bei 44,1 kHz ab. Diese Samplingrate reicht aus, um alle Klänge zu erfassen, die das menschliche Ohr in einer Bandbreite von 20 kHz hören kann. Bei reinen Sprachsystemen können die Entwickler jedoch die besondere Empfindlichkeit des Ohrs für Töne mit einer Frequenz zwischen 800 Hz und 4 kHz nutzen. Mit dieser Bandbreite lassen sich 80 % der Informationen erfassen, die von den Schallwellen übertragen werden — und das ist mehr als ausreichend, um Sprache zu verstehen. Durch die Reduzierung der abgetasteten Bandbreite kann die Abtastrate proportional auf 8 kHz reduziert werden. Selbst wenn die 16-Bit-Präzision beibehalten wird, reduziert diese Abtastrate den erforderlichen Datendurchsatz auf 128 kbit/s.

Die geschickte Anpassung der Analog-Digital-Abtastung ist jedoch nicht der einzige Trick der Entwickler. Es sind noch weitere erforderlich, denn obwohl 128 Kbit/s unter idealen Bedingungen mit Bluetooth möglich sind, genügt schon eine kleine Störung durch eine nahe gelegene 2,4-GHz-Quelle wie Wi-Fi^®, um die Drahtlosverbindung zu stören. Deshalb setzen die Entwickler Codecs und erhöhen dadurch die Zuverlässigkeit. Dabei komprimiert ein Algorithmus die digitalen Daten und reduziert somit die Datenlast der drahtlosen Verbindung. Gleichzeitig dekomprimiert ein weiterer Algorithmus die Daten am anderen Ende, um die ursprünglichen Informationen wiederherzustellen.

Stereo als Herausforderung

Die drahtlose Übertragung von Mono-Sprachdaten ist eine Sache, das Streaming von Stereo-Audio eine ganz andere. Mit der Einführung des MPEG-1- oder MPEG-2-Audio-Layer-3-Formats („MP3“), das in den Anfängen des Internets die Anforderungen an Speicherung und Datenaustausch erleichterte, wurden die Quelldateien bereits bis zu einem gewissen Grad komprimiert, bevor der Codec zum Einsatz kam, um die Anforderungen an den Datendurchsatz weiter zu verringern.

Die Bluetooth SIG unterstützte die Audiotechniker, indem sie zusätzliche Firmware einführte, um das Bluetooth-Protokoll für Audioanwendungen anzupassen. Die Firmware mit der Bezeichnung Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) erleichtert das Audio-Streaming zwischen zwei Bluetooth-Geräten. Doch mit A2DP und MP3 konnten zwar die Schwierigkeiten beim Datendurchsatz über Bluetooth beseitigt werden, aber die Audioqualität war immer noch nicht wirklich überzeugend. Der nächste Schritt der Bluetooth SIG war die Einführung eines einfachen Subband-Codecs (SBC), der nur wenig Rechenleistung benötigt und die Audioqualität bei niedrigen bis mittleren Bitraten verbessert.

Die Gruppe eröffnete auch anderen neue Möglichkeiten, indem sie in A2DP eine optionale Unterstützung für proprietäre Codecs wie Advanced Audio Coding (AAC), High-Efficiency AAC (HE-AAC) und Adaptive Transform Acoustic Coding (ATRAC) sowie herstellerdefinierte Codecs wie aptX und aptX-HD von Qualcomm und LDAC von Sony aufnahm. Heute nutzen nahezu alle erhältlichen kabellosen Kopfhörer Bluetooth und einen vom Hersteller definierten Codec. Doch trotz aller technologischen Entwicklung ist selbst der beste dieser Kopfhörer noch weit entfernt von den High-End-Wünschen der Audio-Liebhaber.

Die begrenzte Audioqualität scheint dem Absatz von Kopfhörern jedoch nicht zu schaden. Laut dem Marktforscher Statista wurden 2017 140 Millionen kabellose Kopfhörer ausgeliefert. Viele dieser Produkte sind Über-Ohr-Kopfhörer — und das aus gutem Grund. Bluetooth kann Audiosignale nur an ein einziges Gerät übertragen, z. B. an den linken Ohrhörer eines kabellosen Kopfhörers. Die Elektronik auf dieser Seite des Produkts verarbeitet den eingehenden Stream in einen linken und einen rechten Kanal und leitet den rechten Kanal über ein Kabel an den anderen Ohrhörer weiter. Ein Problem ergibt sich, wenn kein Kabel vorhanden ist, z. B. bei In-Ear-Kopfhörern oder „Earbuds“. Die Entwickler lösen dieses Problem, indem sie den eingehenden Bluetooth-Audiostream in einem Ohrhörer verarbeiten und dann den zweiten Kanal drahtlos an den anderen Ohrhörer weiterleiten. Das ist eine zufriedenstellende Lösung, aber sie ist rechenintensiv und belastet die Batterien.

Die LE Audio-Lösung

Die Bluetooth SIG hat kürzlich angekündigt, dass sowohl die Audioqualität als auch der Stromverbrauch verbessert werden sollen, indem die „klassische“ Bluetooth-Technologie durch Bluetooth Low Energy ersetzt wird. Bluetooth LE bietet den gleichen Rohdatendurchsatz von einem Megabit pro Sekunde wie sein großes Pendant, hat aber einen wesentlich geringeren Stromverbrauch.

Entscheidend für die Aussage der Bluetooth SIG, dass LE Audio das drahtlose Stereostreaming verbessern wird, ist die Einführung der so genannten „LE Isochronous Communication“. Mit dieser Technologie werden die Probleme von herkömmlichem Bluetooth Audio überwunden, indem mehrere Geräte, z. B. ein Paar Ohrhörer, jeweils einen eigenen Audio-Streaming-Kanal erhalten. Das Besondere daran ist, dass die Kanäle jeweils „zeitbegrenzt“ sind, so dass z. B. der linke und der rechte Kanal bei der Wiedergabe das ursprüngliche präzise musikalische Timing abbilden.

LE Audio bietet auch einen neuen Codec für das Streaming von Stereo-Audio. Der „Low Complexity Communication Codec“ (LC3) wurde laut Bluetooth SIG speziell entwickelt, um den Stromverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig die Audioqualität zu verbessern. Zudem soll LC3 „Verbesserungen in der Audioqualität gegenüber dem SBC-Codec bieten … sogar bei einer 50 Prozent niedrigeren Bitrate“. Die Entwicklungsingenieure gehen davon aus, dass die Batterielaufzeit mit LE Audio mindestens 40 Prozent länger sein wird als bei einer identischen Bluetooth Classic Audio-Anwendung. Dadurch lässt sich die Wiedergabezeit verlängern oder die Größe der Ohrhörer durch die Verwendung kleinerer Batterien reduzieren.