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[音频应用] 数字音频技术知识点及声卡驱动

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金贝

中国原创歌词基地高级

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good 发表于 2020-5-30 21:21:11 | 显示全部楼层 |阅读模式
数字音频技术知识点及声卡驱动
, u) i, f  \2 @( a( Z0 \6 C* j( g关于PCM
' E$ w& A  ]7 u, w6 \  ^; Y* v  s+ u! y1 F' ^
( ?. }1 q& U; Q- i" ]: M
PCM 是Pulse code modulaTIon的缩写,它是对波形最直接的编码方式。它在音频中的地位可能和BMP在图片中的地位有点类似吧。7 k5 N; Y+ Y6 J7 |' H3 }0 Y

" ?; s  k1 T) R; d& h. V! v& ?Sampling rate:从模拟信号到数字信号,即从连续信号到离散信号的转换都是通过离散采样完成的,Sampling rate就是每秒种采样的个数。根据香农采样定理,要保证信号不失真,Sampling rate要大于信号最高频率的两倍。我们知道人的耳朵能听到的频率范围是20hz – 20khz,所以Sampling rate达到40k就够了,再多了也只是浪费。但是有时为了节省带宽和存储资源,可以降低Sampling rate而损失声音的质量,所以我们常常见到小于40k采样率的声音数据。- z4 f0 Q  b1 M) K6 H( w

- \1 D3 v' j: L2 V% P1 [Sample size:用来量化一个采样的幅度,一般为8 bits、16 bits和24 bits。8 bits只有早期的声卡支持,而24 bits只有专业的声卡才支持,我们用的一般都是16 bits的。9 t5 F1 o3 B# j. k) q( z: {

: \$ u  |/ `/ V" b4 s1 B: vNumber of channels:声音通道个数,单声道为一个,立体声为两个,还有更多的(如8个声道的7.1格式)。一般来说,每个声道都来源于一个独立的mic,所以声道多效果会更好(更真实),当然代价也更大。
. `+ a4 }2 [. ?4 W) j% e5 k( b& C  V
' C( g8 v: B: T% I1 ]Frame: Frame是指包含了所有通道的一次采样数据,比如对于16bits的双声道来说,一个frame的大小为4个字节(2 * 16)。. e" O+ D! O  ~+ w1 F

- j, f% p# c3 n8 a; M+ ]* a一、数字音频. \9 w; J! m" k" a) r! F* E
音频信号是一种连续变化的模拟信号,但计算机只能处理和记录二进制的数字信号,由自然音源得到的音频信号必须经过一定的变换,成为数字音频信号之后,才能送到计算机中作进一步的处理。1 V" }* ?1 {+ S, d
  B& H0 c( H" d7 p8 e/ ^) i& O; m+ }
数字音频系统通过将声波的波型转换成一系列二进制数据,来实现对原始声音的重现,实现这一步骤的设备常被称为模/数转换器(A/D)。A/D转换器以每秒钟上万次的速率对声波进行采样,每个采样点都记录下了原始模拟声波在某一时刻的状态,通常称之为样本(sample),而每一秒钟所采样的数目则称为采样频率,通过将一串连续的样本连接起来,就可以在计算机中描述一段声音了。对于采样过程中的每一个样本来说,数字音频系统会分配一定存储位来记录声波的振幅,一般称之为采样分辩率或者采样精度,采样精度越高,声音还原时就会越细腻。
  S0 x: h4 B8 S8 j
4 h0 A2 P+ M+ j, n1 F- t数字音频涉及到的概念非常多,对于在Linux下进行音频编程的程序员来说,最重要的是理解声音数字化的两个关键步骤:采样和量化。采样就是每隔一定时间就读一次声音信号的幅度,而量化则是将采样得到的声音信号幅度转换为数字值,从本质上讲,采样是时间上的数字化,而量化则是幅度上的数字化。下面介绍几个在进行音频编程时经常需要用到的技术指标:! R8 h/ E- f) q

. x. n/ }5 w3 @: T4 c采样频率
8 ^+ e2 i9 `2 N9 l& |- N
# p# r3 ?/ S& v6 h+ I& \3 f5 @* T采样频率是指将模拟声音波形进行数字化时,每秒钟抽取声波幅度样本的次数。采样频率的选择应该遵循奈奎斯特(Harry Nyquist)采样理论:如果对某一模拟信号进行采样,则采样后可还原的最高信号频率只有采样频率的一半,或者说只要采样频率高于输入信号最高频率的两倍,就能从采样信号系列重构原始信号。正常人听觉的频率范围大约在20Hz~20kHz之间,根据奈奎斯特采样理论,为了保证声音不失真,采样频率应该在40kHz左右。常用的音频采样频率有8kHz、11.025kHz、22.05kHz、16kHz、37.8kHz、44.1kHz、48kHz等,如果采用更高的采样频率,还可以达到DVD的音质。 其中,8kHZ为电话的采样频率。8 C8 d" X; p! e
9 f6 @: Z* M, I6 ^$ }9 V" b
量化位数
$ J1 e+ v) h7 u! t: J
0 _6 G: _: _1 ~! ]量化位数是对模拟音频信号的幅度进行数字化,它决定了模拟信号数字化以后的动态范围,常用的有8位、12位和16位。量化位越高,信号的动态范围越大,数字化后的音频信号就越可能接近原始信号,但所需要的存贮空间也越大。" {# C( y" f' d* \& N

! |5 M- }' q  P0 u  [& n9 S9 S$ g: |声道数
. f0 z9 d: e$ }  E" O; W  \) W/ C- p
8 _" ]8 Q0 I6 d: O+ h" [: Y声道数是反映音频数字化质量的另一个重要因素,它有单声道和双声道之分。双声道又称为立体声,在硬件中有两条线路,音质和音色都要优于单声道,但数字化后占据的存储空间的大小要比单声道多一倍。* v/ i7 ?6 I0 N; j2 T  y: a' i
5 r  S' p1 t% Q/ `
二、声卡驱动
3 \0 l2 p* P; U) D8 Z出于对安全性方面的考虑,Linux下的应用程序无法直接对声卡这类硬件设备进行操作,而是必须通过内核提供的驱动程序才能完成。在Linux上进行音频编程的本质就是要借助于驱动程序,来完成对声卡的各种操作。# O& P( F5 I" u) r, e
7 O8 J7 S! i# w, u3 J2 O) q! g
对硬件的控制涉及到寄存器中各个比特位的操作,通常这是与设备直接相关并且对时序的要求非常严格,如果这些工作都交由应用程序员来负责,那么对声卡的编程将变得异常复杂而困难起来,驱动程序的作用正是要屏蔽硬件的这些底层细节,从而简化应用程序的编写。目前Linux下常用的声卡驱动程序主要有两种:OSS和ALSA。
0 k6 S  @' R- D! B" z/ B4 K# J
最早出现在Linux上的音频编程接口是OSS(Open Sound System),它由一套完整的内核驱动程序模块组成,可以为绝大多数声卡提供统一的编程接口。OSS出现的历史相对较长,这些内核模块中的一部分(OSS/Free)是与Linux内核源码共同免费发布的,另外一些则以二进制的形式由4Front Technologies公司提供。由于得到了商业公司的鼎力支持,OSS已经成为在Linux下进行音频编程的事实标准,支持OSS的应用程序能够在绝大多数声卡上工作良好。; o) ?- |5 H5 B! d: l! M

- Q3 G# ~; W8 C0 c- ]) [虽然OSS已经非常成熟,但它毕竟是一个没有完全开放源代码的商业产品,ALSA(AdvancedLinux Sound Architecture)恰好弥补了这一空白,它是在Linux下进行音频编程时另一个可供选择的声卡驱动程序。ALSA除了像OSS那样提供了一组内核驱动程序模块之外,还专门为简化应用程序的编写提供了相应的函数库,与OSS提供的基于ioctl的原始编程接口相比,ALSA函数库使用起来要更加方便一些。ALSA的主要特点有:  s( }( K  i0 o) E0 [, i1 w

0 L. N& e5 n7 {支持多种声卡设备
# U0 k0 K7 I# f" ^' h) k# Q/ @8 G+ G2 }' V) Q
模块化的内核驱动程序& h' c0 B3 q0 Q' @

% q/ e1 r8 V  l) _, i' }; A3 W  M4 u支持SMP和多线程
- S8 G5 W+ \' |) Z6 B. d' G( [5 g& N1 J7 a3 [
提供应用开发函数库* R1 U, R6 a' L2 ^1 w; z
5 S( w8 r2 R( P  O6 Q* q& h
兼容OSS应用程序
' F- z2 x2 w+ x- k, @9 J5 R4 X! ~' m7 r. T8 u
ALSA和OSS最大的不同之处在于ALSA是由志愿者维护的自由项目,而OSS则是由公司提供的商业产品,因此在对硬件的适应程度上OSS要优于ALSA,它能够支持的声卡种类更多。ALSA虽然不及OSS运用得广泛,但却具有更加友好的编程接口,并且完全兼容于OSS,对应用程序员来讲无疑是一个更佳的选择。
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