HD Voice: tutta la qualità delle chiamate VoIP e VoLTE con Wideband Speech

Grazie all’utilizzo diffuso di app VoIP come Skype e FaceTime, così come grazie alla crescente pervasività di VoLTE, le chiamate tramite laptop, tablet e smartphone non sono mai state così nitide. Tuttavia, la qualità delle chiamate via Bluetooth in auto è rimasta indietro, rendendo difficile sentire la differenza. 

Introduzione

Sia che si tratti di kit vivavoce per auto, autoradio o sistemi di infotainment, diversi sistemi elettronici per auto utilizzano implementazioni Bluetooth obsolete che trasmettono le chiamate vocali con un audio di scarsa qualità. Lo stack Bluetooth attuale supporta Wideband Speech, in grado di offrire una trasmissione vocale di qualità superiore per riprodurre meglio il naturale intervallo di frequenza della voce umana, consentendo così la perfetta qualità vocale possibile grazie alla telefonia VoIP e VoLTE.

Wideband contro Narrowband Speech

Per una serie di ragioni storiche, commerciali e tecniche, le chiamate fatte attraverso le tradizionali reti cellulari 3G vengono generalmente trasmesse su una larghezza di banda con frequenza relativamente stretta e con una bassa frequenza di campionamento. La codifica Adaptive Multi-Rate (AMR, nota anche come AMR-NB), l’attuale standard cellulare per chiamate non VoLTE, è stato progettato in origine per GSM 2G ma è progredito al 3G. Esso specifica la frequenza di campionamento 8 kHz e trasmette frequenze audio da 300 Hz a 3,4 kHz.  Questo codec multirate a banda stretta trasmette bene la voce in condizioni radio ottimali ma, in caso di segnale debole, il bitrate può crollare da un 12,2 kb/s ottimale a soli 4,75 kb/s. Inoltre, l’intervallo di trasmissione di AMR ovvero da 300 Hz a 3,4 kHz, tagliando buona parte delle frequenze alte e basse della voce umana, la quale si estende da 80 Hz a 14 kHz.

Con requisiti così limitati per la trasmissione delle chiamate via cellulare, l’Hands Free Profile (HFP) di Bluetooth progettato per la trasmissione wireless di chiamate vocali verso autoradio e cuffie, presentava anche una qualità audio relativamente modesta sin dalla sua introduzione nei primi anni del 2000. Fu solo nel 2011 che il supporto per l’audio a banda larga, noto anche come HD Voice, fece il suo ingresso con HFP 1.6.

HD Voice

HFP 1.6 ha cambiato le regole del gioco presentando un supporto audio a banda larga per chiamate in vivavoce attraverso autoradio e cuffie Bluetooth. Con una frequenza di campionamento di 16 kHz, ha raddoppiato quella a 8 kHz di HFP 1.5, così come la sua larghezza di banda audio.

Figura 1: Wideband contro Narrowband (Fonte: Texas Instruments)

La pressione per il supporto Wideband speech Bluetooth è arrivata da due fronti: l'avvento della telefonia VoIP e i recenti miglioramenti in termini di qualità delle chiamate vocali dei fornitori di reti di telefonia mobile.  L’audio a banda larga ha caratterizzato chiaramente le applicazioni VoIP dalla loro comparsa sul mercato. Skype, leader nella telefonia VoIP, ha offerto chiamate in qualità HD Voice dal suo lancio nel 2003 e SILK, il suo codec più recente, offre qualità di chiamata di fedeltà "superwideband" ancora maggiore, con frequenza di campionamento fino a 24 kHz. Se 24 kHz non bastano, FaceTime, prodotto di videotelefonia di Apple, utilizza il codec AAC-ELD, che offre supporto audio fino a 96 kHz.

Figura 2: crescita di HD Voice mobile a livello mondiale (Fonte: GSA)

Dal punto di vista dei cellulari, negli ultimi anni si sono visti anche enormi progressi. 3GPP ha standardizzato AMR-WB come codec per HD Voice nella Release 5. Conosciuto anche come G722.2, AMR-WB ha una frequenza di campionamento di 16 kHz e frequenza di banda da 50 Hz a 7 kHz. Nonostante il raddoppio della qualità audio delle chiamate vocali rispetto ad AMR, presenta requisiti di larghezza di banda simili over-the-air di appena 12,65 kbit/s per una qualità audio completa. Da quando la prima rete HD Voice venne lanciata nel 2009, la crescita è stata rapida e, a partire dal dicembre 2015, sono attualmente oltre 150 le implementazioni di rete HD Voice attive in 87 paesi stando all’ultimo rapporto GSA.   Una tendenza recente sul fronte dei cellulare che ha spinto all'adozione di HD Voice è VoLTE. Attualmente esistono 46 implementazioni VoLTE a livello globale con oltre 118 operatori che investono nella tecnologia VoLTE. Con l'aumento della larghezza di banda e la natura IP delle reti LTE, VoLTE rappresenta un modo naturale per gli operatori di rendere più specifica la propria rete offrendo anche chiamate vocali di qualità superiore ad HD Voice. È importante sottolineare che la natura IP di VoLTE permette anche di fornire chiamate HD Voice cross-network con maggiore facilità, lanciando così una sfida alle reti 3G esistenti.

L’ultimo miglio

Una sfida cruciale per la distribuzione HD Voice è stata rappresentata dal fatto che la piena qualità HD Voice si sviluppa solo quando ogni anello della catena, dallo smartphone del chiamante, alla rete di trasmissione, per arrivare allo smartphone del destinatario e al dispositivo Bluetooth, sostiene il Wideband speech. Fino a poco tempo fa, l'anello più debole della catena era lo smartphone. L'iPhone ha lanciato il supporto per HD Voice nel 2012 con l'iPhone 5. Gli smartphone Android sono arrivati dopo, con vari supporti per HD Voice distribuiti tra marche e modelli. Ma mentre il supporto HD Voice ha avuto un avvio lento, la crescita è stata rapida e le chiamate in HD Voice sono ora la norma, grazie al supporto diffuso di tutti i principali marchi di smartphone.   Grazie al supporto di HD Voice nella maggior parte degli smartphone oggi sul mercato, nonché a livello di rete, l'ultimo passo per implementare la tecnologia Wideband speech in auto si concentra ora sulla connessione Bluetooth di tipo automotive.

Implementazione Wideband Speech per auto

Una serie di fattori ha ostacolato l’implementazione di Wideband Speech nei sistemi stereo e di infotainment delle auto, ma nuovi sviluppi stanno rendendo più immediata che mai l’implementazione dei sistemi automotive di tipo Bluetooth che supportano chiamate vocali di alta qualità.  I sistemi elettronici per auto non solo affrontano cicli di sviluppo più lunghi rispetto all’elettronica di consumo, ma devono soddisfare anche requisiti più rigidi a causa di condizioni operative più dure e cicli di vita più estesi.

Le auto vengono tipicamente sviluppate nel corso degli anni, al contrario di quanto accade con i dispositivi di consumo, sviluppati nel corso di mesi. Mentre i progetti modulari per l’elettronica di bordo hanno contribuito ad accelerare il progresso, i cicli di sviluppo richiedono solitamente tempistiche superiori all’anno. A causa di escursioni climatiche, vibrazioni costanti e cicli di vita prolungati, i sistemi elettronici destinati a essere utilizzati a bordo devono essere qualificati AEC-Q100, che specifica una serie di stress test e requisiti legati agli intervalli di temperatura di esercizio.  Un altro limite al supporto per Wideband speech è stato creato da implementazioni obsolete dello stack Bluetooth. Mentre il supporto Bluetooth su computer portatili, tablet e smartphone è passato a HFP 1.6 con il supporto per Wideband speech, ancora oggi molte implementazioni Bluetooth integrate utilizzano spesso HFP 1.5.

Figura 3: Il modulo di connettività di TI WL1837MOD offre ai sistemi di infotainment coesistenza WiFi+Bluetooth e accesso a uno stack aggiornato con supporto Wideband Speech

In generale i cicli di sviluppo per auto possono essere velocizzati con difficoltà, ma lo sviluppo dell'elettronica di bordo può essere notevolmente accelerato utilizzando componenti pre-qualificati. Per i sistemi di infotainment che richiedono connettività sia Wi-Fi che Bluetooth, i moduli radio qualificati AEC-Q100, come TI WL1837MOD, consentono la coesistenza di Wi-Fi e Bluetooth, con uno stack aggiornato messo a disposizione da TI per il supporto al Wideband speech, e sono certificati per operare in condizioni automotive, riducendo lo sviluppo e i tempi di certificazione.  Per autoradio aftermarket, cuffie e kit vivavoce per auto che non necessitano di connettività Wi-Fi, sarà sufficiente un modulo Bluetooth HCI aggiornato all’ultimo modello. Alcuni moduli come CC2564MOD di TI dispongono di un coprocessore DSP in grado di scaricare elaborazione codec mSBC per Wideband speech e A2DP. Questo riduce il carico sul processore host, migliora il consumo di energia e può ridurre anche i ritardi di trasmissione per le chiamate vocali.

Figura 4: sia la serie CC2564MODx che WL1837MOD di Texas Instruments presentano HFP 1.6 assistito per scaricare l'elaborazione dei codec per Wideband speech

Chiarissimi vantaggi

I vantaggi del Wideband speech nel caso dell’utilizzo per automotive sono innegabili. Le chiamate tramite Bluetooth sono una caratteristica chiave per sistemi di infotainment e stereo del settore automotive, perché consentono a chi è alla guida di tenere gli occhi sulla strada invece che sul telefono. Tuttavia, una scarsa qualità di chiamata può rivelarsi altrettanto pericolosa. In ambienti automotive rumorosi, il Wideband speech ha dimostrato di migliorare l’intelligibilità vocale. La migliore qualità vocale data dal Wideband speech riduce il carico cognitivo per il conducente consentendo di mantenere l’attenzione sulla strada invece che su ciò che l’interlocutore sta tentando di dire. Wideband speech beneficia inoltre di applicazioni di riconoscimento vocale e Apple raccomanda assolutamente HFP 1.6 per le connessioni Bluetooth Siri.  Il maggiore intervallo di frequenza e la frequenza di campionamento riproducono meglio i cambi di tonalità, riducendo la confusione tra suoni spesso percepiti male come “f” e “s”. Le chiamate da parte di persone con accenti marcati sono inoltre più semplici da comprendere. In caso di conference call è possibile riconoscere più partecipanti in modo molto più semplice.  In ambito automotive, l’implementazione Wideband speech ha dovuto superare diversi ostacoli in passato ma, grazie alla disponibilità di moduli prequalificati e degli ultimissimi stack Bluetooth per il supporto di HFP 1.6, il supporto HD Voice è più semplice che mai.

 

A cura di Mark Patrick - Mouser Electronics

 

 

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 22 febbraio 2017

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