👉 La connectivité Bluetooth est de plus en plus répandue dans notre vie quotidienne.
🤔 Vous vous êtes donc peut-être demandé comment fonctionne exactement une enceinte Bluetooth.
➡️ Les enceintes Bluetooth reçoivent l’audio numérique sans fil via le protocole Bluetooth, lorsqu’elles sont associés à des appareils audio numériques compatibles Bluetooth.
Le but principal d’une enceinte est d’agir comme un transducteur qui convertit l’énergie électrique (signaux audio), en énergie ondulatoire mécanique (ondes sonores).
👉 Les enceintes Bluetooth fonctionnent comme des enceintes filaires, à l’exception qu’elles reçoivent des signaux audio.
Les enceintes reçoivent leurs signaux audio sans fil via Bluetooth.
🤓 Pour être plus précis, l’amplificateur de puissance intégré de l’enceinte recevra le signal audio sans fil, via Bluetooth.
Une fois couplés, les enceintes et l’appareil audio numérique forment un Piconet, dans lequel l’appareil audio peut envoyer son signal audio à l’enceinte via Bluetooth.
Piconet
Composants qui pilotent le haut-parleur
👉 Une fois que le récepteur Bluetooth de l’enceinte reçoit le signal audio numérique, il doit passer par 2 composants avant de pouvoir faire fonctionner les pilotes de l’enceinte.
1/ Comme le Bluetooth transmet l’audio numérique, le signal audio reçu doit être converti en un signal audio analogique. Cela se fait via un convertisseur numérique-analogique intégré.
2/ Ensuite, l’audio analogique converti est envoyé via un amplificateur de puissance. Le signal de sortie amplifié aura une impédance suffisamment faible, et un courant suffisamment élevé pour pouvoir piloter correctement le haut-parleur.
🔊 Une fois que le signal est passé à travers le conducteur, celui-ci produira des ondes sonores qui représentent le signal audio.
👂 C’est ainsi que nous entendons les informations d’un signal audio, via des enceintes Bluetooth.
Comment l’audio est transmis de l’appareil audio numérique à l’enceinte Bluetooth, pour ensuite être converti en ondes sonores ?
Le flux de signal d’un appareil audio Bluetooth vers une enceinte Bluetooth couplée vers les oreilles de l’auditeur est le suivant :
- L’appareil audio compatible Bluetooth lit un signal audio numérique,
- Le signal audio est par la suite codé par un codec (généralement SBC « Low Complexity Subband Code« ) dans la norme de transfert A2DP (Advanced Audio Distribution Profile),
- Ce signal audio codé est utilisé comme signal pour moduler les signaux de porteuse radio UHF Bluetooth,
- Les ondes porteuses radio sont transmises sans fil selon les normes Bluetooth, entre l’émetteur Bluetooth de l’appareil audio, et le récepteur de l’enceinte Bluetooth,
- Le récepteur Bluetooth décode alors le signal de modulation de l’onde porteuse,
- Le signal codé A2DP est ensuite décodé en retour vers le signal audio numérique souhaité (des pertes de compression s’appliquent lors du codage et du décodage du signal),
- Ce signal audio numérique est ensuite converti dans un format analogique, par le convertisseur numérique-analogique DAC (Digital to Analog Converter) intégré de l’enceinte,
- L’audio analogique est ensuite amplifié par un circuit amplificateur intégré,
- Ce signal audio amplifié est ensuite envoyé aux haut-parleurs,
- Les pilotes transforment le ou les signaux audio analogiques en ondes sonores,
- Vous pouvez entendre et profiter des ondes sonores (la musique).
Qu’y a-t-il à l’intérieur d’une enceinte Bluetooth ?
Vous trouverez à l’intérieur 1 ou plusieurs haut-parleurs, 1 amplificateur et 1 récepteur Bluetooth avec sortie audio.
🔋 L’enceinte embarque également, d’une manière générale, une batterie rechargeable pour les modèles portables.
Qu’est-ce que la technologie Bluetooth ?
Le Bluetooth est une norme de télécommunication sans fil.
Il est utilisé pour échanger des données entre des appareils fixes et mobiles, sur de courtes distances, en utilisant des ondes radio ultra-hautes fréquences (UHF) à courte longueur d’onde.
Il utilise le spectre des radiofréquences micro-ondes dans la plage de 2,402 GHz à 2,480 GHz, afin de transmettre des données numériques sans fil.
Une technologie complexe
➡️ La complexité de la technologie Bluetooth est due, en partie, à son éventail incroyablement large d’applications.
Le Bluetooth est non seulement utilisé pour transmettre l’audio numérique d’appareils numériques, vers des haut-parleurs/enceintes (ou des écouteurs et des casques), mais il est également mis en œuvre dans diverses applications de transfert de données :
- Communication entre smartphones et haut-parleurs sans fil compatibles Bluetooth,
- Diffusion de données depuis des appareils de fitness compatibles Bluetooth, vers des smartphones/ordinateurs, etc,
- Mise en réseau sans fil entre ordinateurs à proximité,
- Communication entre les ordinateurs et leurs périphériques d’entrée/sortie (souris, clavier, imprimante, microphones, écouteurs etc.),
- Transfert de fichiers, contacts, calendriers/horaires et rappels,
- Communications entre les récepteurs GPS, les équipements médicaux, les lecteurs de codes à barres et les dispositifs de contrôle du trafic,
- En remplacement de l’infrarouge sans fil et filaire RS-232,
- Envoi de publicités depuis des panneaux publicitaires compatibles Bluetooth,
- Pontage entre 2 réseaux Ethernet,
- Connexion de manettes sans fil et d’autres accessoires à des consoles de jeu, telles que la Playstation de Sony,
- Transmission à courte portée des données des capteurs de santé des dispositifs médicaux vers les smartphones,
- Systèmes de localisation en temps réel (RTLS) utilisés pour suivre et identifier l’emplacement des objets en temps réel,
- Prévision des temps de trajet et de la congestion routière pour les automobilistes,
- Connexion entre les contrôleurs de mouvement en réalité virtuelle et l’ordinateur.
Comment fonctionne le Bluetooth ?
➡️ La norme Bluetooth, comme le WiFi, utilise la technique FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum), qui consiste à séparer la bande de fréquence de 2,402-2,480 GHz en 79 canaux (appelés sauts ) chacun de 1MHz de large, puis à transmettre le signal à l’aide d’une séquence de canaux connu des stations émettrices et réceptrices.
En changeant de canal jusqu’à 1 600 fois par seconde, la norme Bluetooth peut éviter les interférences avec d’autres signaux radio.
Mode de fonctionnement maître/esclave
👉 La norme Bluetooth est basée sur un mode de fonctionnement maître/esclave.
Le terme piconet est utilisé pour désigner le réseau formé par un appareil, et tous les appareils trouvés dans sa portée.
Jusqu’à 10 piconets peuvent coexister dans une même zone de couverture.
Un maître peut être connecté simultanément à un maximum de 7 appareils esclaves actifs (255 en mode parqué).
Les appareils d’un piconet ont une adresse logique de 3 bits, pour un maximum de 8 appareils.
Les appareils en mode parqué sont synchronisés, mais n’ont pas leur propre adresse physique dans le piconet.
UNIVERSITÉ SIDI MOHAMED BEN ABDELLAH – Faculté des sciences techniques
👉 À un instant donné, l’appareil maître ne peut être connecté qu’à 1 seul esclave à la fois.
Par conséquent, il doit rapidement basculer entre les esclaves, afin de donner l’impression qu’il est connecté simultanément à tous les appareils esclaves.
Le Bluetooth permet de relier 2 piconets l’un à l’autre pour former un réseau plus large, appelé Scatternet, à l’aide de certains appareils qui font le pont entre les 2 piconets.
AC Toulouse
Xavier LAGRANGE – Ingénieur de l’École Centrale Paris
Professeur à l’École nationale supérieure des télécommunications Bretagne
(ENST Bretagne)
Laurence ROUILLÉ – Docteur en informatique de l’université de Rennes – Ingénieur recherche-développement, NeoSoft
Procédure de connexion
L’établissement d’une connexion entre 2 appareils Bluetooth suit une procédure relativement compliquée, destinée à assurer une certaine sécurité.
Les grandes lignes de la procédure :
- Mode passif,
- Recherche de points d’accès,
- Synchronisation avec les points d’accès,
- Découverte du service de point d’accès,
- Création d’un canal avec point d’accès,
- Jumelage à l’aide d’un code PIN,
- Utiliser le réseau.
La procédure en détails
👉 Lors d’une utilisation normale, un appareil fonctionne en mode passif (c’est-à-dire qu’il est à l’écoute du réseau).
L’établissement d’une connexion débute par une phase dite d’interrogation, au cours de laquelle l’appareil maître envoie une requête d’interrogation à tous les appareils se trouvant à sa portée, appelés points d’accès.
Tous les appareils qui reçoivent la requête répondent avec leur adresse.
L’appareil maître choisit une adresse et se synchronise avec le point d’accès à l’aide d’une technique appelée paging, qui consiste à synchroniser son horloge et sa fréquence avec le point d’accès.
➡️ Un lien avec le point d’accès est alors établi, permettant au dispositif maître d’entrer dans une phase de découverte du service du point d’accès, à l’aide d’un protocole appelé SDP (Service Discovery Protocol).
Après cette phase de découverte de service, le dispositif maître est prêt à créer un canal de communication avec le point d’accès, en utilisant le protocole L2CAP (protocole minimal d’échange de données de la spécification Bluetooth).
Selon les besoins du service, le canal supplémentaire RFCOMM fonctionnant sur le canal L2CAP, peut être établi afin de fournir un port série virtuel.
En effet, certaines applications ont été conçues pour se connecter sur un port standard, indépendamment du matériel utilisé.
Connection indépendante
Par exemple, certains programmes de navigation routière ont été conçus pour se connecter à n’importe quel appareil GPS Bluetooth.
Le point d’accès peut inclure un mécanisme de sécurité appelé couplage, qui restreint l’accès aux seuls utilisateurs autorisés, afin de donner au piconet une certaine mesure de protection.
Cryptage PIN
➡️ L’appairage se fait avec une clé de cryptage appelée PIN (Personal Information Number).
Pour ce faire, le point d’accès envoie une demande d’appairage à l’appareil maître.
La plupart du temps, cela peut inciter l’utilisateur à saisir le code PIN du point d’accès.
Si le code PIN reçu est correct, la connexion est alors établie.
En mode sécurisé, le code PIN sera envoyé crypté, à l’aide d’une seconde clé, afin d’éviter que le signal ne soit compromis.
Lorsque l’appairage devient actif, le dispositif maître est libre d’utiliser le canal de communication établi.
Comment l’audio est-il transmis via la technologie Bluetooth ?
Piconet
👉 Un Piconet est un réseau qui relie des appareils sans fil à l’aide de la technologie Bluetooth.
Le piconet permet à un appareil maître de se connecter avec jusqu’à 7 appareils esclaves actifs.
Cela signifie que dans n’importe quel piconet (il peut y en avoir pratiquement un nombre illimité dans un espace donné), un appareil enverra des informations, et jusqu’à 7 appareils recevront ces informations.
Exemple de l’ordinateur
🖥 Un exemple courant est l’ordinateur, qui agit en tant que maître pour plusieurs appareils.
Il peut être connecté via Bluetooth à une souris, un clavier et un haut-parleur.
Dans ce piconet, l’ordinateur est le maître et les autres périphériques (qu’ils soient d’entrée ou de sortie) sont des périphériques esclaves.
Les codecs audio A2DP, AVRCP et Bluetooth
👉 Le profil de distribution audio avancé (A2DP) est le profil standard Bluetooth, qui permet le transfert de signaux audio stéréo de haute qualité.
Ce profil est utilisé entre une source A2DP (le périphérique audio compatible Bluetooth) et un destinataire.
Pour cet article, le destinataire est l’enceinte Bluetooth, mais il peut également s’agir d’un casque Bluetooth, ou de n’importe quel autre appareil de lecture compatible Bluetooth.
A2DP
👉 A2DP permet un transfert audio à 2 canaux (stéréo).
Il prend en charge obligatoirement le codec SBC (Low Complexity Subband Code) à faible complexité, et de nombreux autres codecs pour transférer efficacement l’audio.
Un codec (ensemble de codeur et décodeur) est un appareil, ou un programme, utilisé pour coder et/ou décoder un flux de données numériques, ou un signal numérique.
L’audio numérique est simplement une représentation numérique de l’audio analogique.
L’audio numérique peut être stocké dans une grande variété de formats de fichiers.
À quoi sert les codecs ?
👉 Les codecs sont nécessaires pour encoder et décoder ces fichiers.
Ils peuvent réduire efficacement l’espace de stockage, et la bande passante nécessaires à la transmission du fichier audio stocké.
Bien que les fichiers mp3, .wav, FLAC puissent être utilisés comme signaux de modulation numérique dans la transmission sans fil Bluetooth, ils sont en fait encodés selon l’un des codecs standard A2DP (souvent SBC), avant d’être transmis sans fil.
SBC
👉 Le codec SBC comprime les signaux audio, ce qui détériore toujours la qualité.
Cependant, la perte est à peine perceptible avec un taux de transfert de données élevé, allant jusqu’à 345 kbps et un algorithme perfectionné.
📅 SBC est un codec requis dans la norme Bluetooth A2DP depuis son introduction en 2003.
De nouveaux codecs ont été introduits depuis lors, mais pour des raisons de compatibilité descendante, SBC est une exigence.
aptX, AAC LDAC
Les autres codecs A2DP incluent :
- aptX (technologie de réduction des données audio numériques),
- aptX HD (Technologie de réduction des données audio numériques – Haute définition),
- AAC (codage audio avancé),
- LDAC (codec audio numérique avec perte).
L’audio numérique d’un appareil audio Bluetooth est généralement encodé, par l’un des codecs énumérés ci-dessus, avant d’être envoyé sans fil à l’enceinte Bluetooth couplée.
Gamme RF Bluetooth et protocole de saut de fréquence
➡️ Le Bluetooth transmet des informations numériques via des fréquences radio à courte portée, dans la bande de fréquences comprise entre 2.400 et 2.485 GHz.
Pour les haut-parleurs Bluetooth, ces informations proviennent du signal audio numérique d’un appareil jumelé.
Le Bluetooth utilise 79 fréquences distinctes entre 2,400 et 2,485 GHz pour transmettre les différentes informations.
Il est capable de changer cette fréquence 1 600 fois par seconde, afin d’éviter les interférences avec d’autres connexions Bluetooth.
Il est peu probable que 2 émetteurs soient sur la même fréquence en même temps.
👍 Cela minimise le risque d’interférence entre les appareils Bluetooth, puisque toute interférence sur une fréquence particulière ne durera qu’une infime fraction de seconde.
