瑞芯微-I2S | 語音文件格式wav與pcm快速入門-4

一口君后面會陸續(xù)更新基于瑞芯微rk3568的I2S系列文章。預(yù)計10篇左右。有對語音感興趣的朋友，可以收藏該專題。

《瑞芯微 | I2S-音頻基礎(chǔ) -1》

《瑞芯微-I2S | 音頻驅(qū)動調(diào)試基本命令和工具-基于rk3568-2》

《瑞芯微-I2S | ALSA基礎(chǔ)-3 》

調(diào)試I2S，最常用到的測試文件就是wav格式和pcm格式，本文主要講解語音格式相關(guān)知識點。

本文還用到邏輯分析儀，使用方法如下：《推薦最近在使用的還不錯的一款邏輯分析儀》

本文用到的 音頻文件+邏輯分析儀軟件+i2s數(shù)據(jù)波形 后臺回復(fù)：i2s

一、pcm

與pcm相關(guān)的幾個參數(shù)：

1. PCM數(shù)據(jù)常用量化指標(biāo)

采樣率(Sample rate)：每秒鐘采樣多少次，以Hz為單位。采樣率表示音頻信號每秒的數(shù)字快照數(shù)。該速率決定了音頻文件的頻率范圍。采樣率越高，數(shù)字波形的形狀越接近原始模擬波形。低采樣率會限制可錄制的頻率范圍，這可導(dǎo)致錄音表現(xiàn)原始聲音的效果不佳。

根據(jù) 奈奎斯特采樣定理，為了重現(xiàn)給定頻率，采樣率必須至少是該頻率的兩倍。例如，CD 的采樣率為每秒 44,100 個采樣，因此可重現(xiàn)最高為 22,050 Hz 的頻率，此頻率剛好超過人類的聽力極限 20,000 Hz。

位深度(Bit-depth)：表示用多少個二進制位來描述采樣數(shù)據(jù)，一般為16bit。位深度決定動態(tài)范圍。采樣聲波時，為每個采樣指定最接近原始聲波振幅的振幅值。較高的位深度可提供更多可能的振幅值，產(chǎn)生更大的動態(tài)范圍、更低的噪聲基準(zhǔn)和更高的保真度。

字節(jié)序：表示音頻PCM數(shù)據(jù)存儲的字節(jié)序是大端存儲（big-endian）還是小端存儲（little-endian），為了數(shù)據(jù)處理效率的高效，通常為小端存儲。

聲道數(shù)（channel number）：當(dāng)前PCM文件中包含的聲道數(shù)，是單聲道（mono）、雙聲道（stereo）？此外還有5.1聲道等。

采樣數(shù)據(jù)是否有符號（Sign）：要表達的就是字面上的意思，需要注意的是，使用有符號的采樣數(shù)據(jù)不能用無符號的方式播放。

以FFmpeg中常見的PCM數(shù)據(jù)格式s16le為例：

它描述的是有符號16位小端PCM數(shù)據(jù)

s表示有符號，
16表示位深，
le表示小端存儲。

2. PCM數(shù)據(jù)流

PCM (Pulse Code Modulation) 也被稱為脈沖編碼調(diào)制。PCM 音頻數(shù)據(jù)是未經(jīng)壓縮的音頻采樣數(shù)據(jù)裸流，它是由模擬信號經(jīng)過采樣、量化、編碼轉(zhuǎn)換成的標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)。

PCM 音頻數(shù)據(jù)的存儲

如果是單聲道的音頻文件，采樣數(shù)據(jù)按時間的先后順序依次存入（有的時候也會采用 LRLRLR 方式存儲，只是另一個聲道的數(shù)據(jù)為 0），如果是雙聲道的話通常按照 LRLRLR 的方式存儲，存儲的時候還和機器的大小端有關(guān)。

小端模式如下圖所示：

PCM 音頻數(shù)據(jù)是未經(jīng)壓縮的數(shù)據(jù)，所以通常都比較大，常見的 MP3 格式都是經(jīng)過壓縮的，128Kbps 的 MP3 壓縮率可以達到 1:11

PCM 音頻數(shù)據(jù)的參數(shù)

一般我們描述 PCM 音頻數(shù)據(jù)的參數(shù)的時候有如下描述方式：

44100HZ 16bit stereo:

每秒鐘有?44100?次采樣,?
采樣數(shù)據(jù)用?16?位（2?字節(jié)）記錄,?
雙聲道（立體聲）

44100Hz 指的是采樣率，它的意思是每秒取樣 44100 次。采樣率越大，存儲數(shù)字音頻所占的空間就越大。

16bit 指的是采樣精度，意思是原始模擬信號被采樣后，每一個采樣點在計算機中用 16 位（兩個字節(jié)）來表示。采樣精度越高越能精細地表示模擬信號的差異。

Stereo 指的是聲道數(shù)，也即采樣時用到的麥克風(fēng)的數(shù)量，麥克風(fēng)越多就越能還原真實的采樣環(huán)境（當(dāng)然麥克風(fēng)的放置位置也是有規(guī)定的）。

其他格式例子：

22050HZ 8bit ?mono:

每秒鐘有?22050?次采樣,?采樣數(shù)據(jù)用?8?位（1?字節(jié)）記錄,?單聲道

48000HZ 32bit 51ch:

每秒鐘有?48000?次采樣,?采樣數(shù)據(jù)用?32?位（4?字節(jié)浮點型）記錄,?5.1?聲道

二、WAV文件

WAV 是 Microsoft 和 IBM 為 PC 開發(fā)的一種聲音文件格式，它符合 RIFF（Resource Interchange File Format）文件規(guī)范，用于保存 Windows 平臺的音頻信息資源，被 Windows 平臺及其應(yīng)用程序所廣泛支持。

1. wav文件頭

WAVE 文件通常只是一個具有單個 “WAVE” 塊的 RIFF 文件，該塊由兩個子塊（”fmt” 子數(shù)據(jù)塊和 ”data” 子數(shù)據(jù)塊）。

該格式的實質(zhì)就是在 PCM 文件的前面加了一個文件頭，各字段含義如下：

2. wav文件頭結(jié)構(gòu)體

wav文件頭信息對應(yīng)結(jié)構(gòu)體：

typedef?struct?{
????char??????????ChunkID[4];?//內(nèi)容為"RIFF"
????unsigned?long?ChunkSize;??//存儲文件的字節(jié)數(shù)（不包含ChunkID和ChunkSize這8個字節(jié)）
????char??????????Format[4];??//內(nèi)容為"WAVE“
}?WAVE_HEADER;

typedef?struct?{
???char???????????Subchunk1ID[4];?//內(nèi)容為"fmt"
???unsigned?long??Subchunk1Size;??//存儲該子塊的字節(jié)數(shù)（不含前面的Subchunk1ID和Subchunk1Size這8個字節(jié)）
???unsigned?short?AudioFormat;????//存儲音頻文件的編碼格式，例如若為PCM則其存儲值為1。
???unsigned?short?NumChannels;????//聲道數(shù)，單聲道(Mono)值為1，雙聲道(Stereo)值為2，等等
???unsigned?long??SampleRate;?????//采樣率，如8k，44.1k等
???unsigned?long??ByteRate;???????//每秒存儲的bit數(shù)，其值?=?SampleRate?*?NumChannels?*?BitsPerSample?/?8
???unsigned?short?BlockAlign;?????//塊對齊大小，其值?=?NumChannels?*?BitsPerSample?/?8
???unsigned?short?BitsPerSample;??//每個采樣點的bit數(shù)，一般為8,16,32等。
}?WAVE_FMT;

typedef?struct?{
???char??????????Subchunk2ID[4];?//內(nèi)容為“data”
???unsigned?long?Subchunk2Size;??//接下來的正式的數(shù)據(jù)部分的字節(jié)數(shù)，其值?=?NumSamples?*?NumChannels?*?BitsPerSample?/?8
}?WAVE_DATA;

3. WAV 文件頭解析實例

下面通過提供給大家的音頻文件《xiaoniao.wav》來詳細講解wav文件格式，該音頻文件格式為：S16_LE

peng@ubuntu:~/test$?ls?-l?xiaoniao.wav?
-rwxrw-rw-?1?peng?peng?1764448?May?10?20:41?xiaoniao.wav

用ue打開該文件，自動顯示為十六進制數(shù)字，

文件頭信息解析如下圖：

數(shù)據(jù)是小端，比如采樣率4個字段是 44 AC 00 00實際數(shù)據(jù)是0x0000ac44,轉(zhuǎn)換成10進制是44100

讀者對照結(jié)構(gòu)體，可以解析出改文件的所有信息。

三、i2s音頻波形分析

wav文件格式我們搞清楚了，那么它和i2s是什么關(guān)系呢？

1. 嵌入式設(shè)備音頻架構(gòu)

一個典型的嵌入式設(shè)備的音頻架構(gòu)大致如下【以rk3568為例】，

當(dāng)我們使用aplay工具播放wav文件時：

解析wav文件頭，讀取相應(yīng)信息然后通過i2s控制器驅(qū)動，將pcm音頻流通過i2s接口發(fā)送給codec rk809，codec rk809會將pcm音頻流進行DAC轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬信號，并通過耳機/喇叭播放出去。

2. 播放命令

播放命令：

root@ATK-DLRK356X:/sdcard#?aplay?-v?xiaoniao.wav
Playing?WAVE?'xiaoniao.wav'?:?Signed?16?bit?Little?Endian,?Rate?44100?Hz,?Stereo
ALSA?<->?PulseAudio?PCM?I/O?Plugin
Its?setup?is:
??stream???????:?PLAYBACK
??access???????:?RW_INTERLEAVED
??format???????:?S16_LE
??subformat????:?STD
??channels?????:?2
??rate?????????:?44100
??exact?rate???:?44100?(44100/1)
??msbits???????:?16
??buffer_size??:?22050
??period_size??:?5512
??period_time??:?125000
??tstamp_mode??:?NONE
??tstamp_type??:?GETTIMEOFDAY
??period_step??:?1
??avail_min????:?5512
??period_event?:?0
??start_threshold??:?22050
??stop_threshold???:?22050
??silence_threshold:?0
??silence_size?:?0
??boundary?????:?6206523236469964800

3.波形分析

現(xiàn)在我在圖中i2s控制器與codec之間位置用邏輯分析儀抓取了i2s數(shù)據(jù)波形，

【該操作需要飛線，建議找硬件工程師幫忙】

波形文件aplay_xiaoniao.kvdat，

一口君實際測試的i2s控制器為24位小端格式。

由上圖可知：

1. xiaomiao.wav文件為s16_le格式，所以i2s控制器依次每次讀取

data

后面2個字節(jié)的數(shù)據(jù)根據(jù)幀時鐘，依次在左右聲道時隙，將pcm數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)線中。因為控制器是24位，所以各channel會有24個bit的時鐘周期；根據(jù)i2s協(xié)議，默認有效數(shù)據(jù)靠左，并且空1個bit的位置；多出來的8個bit位置默認補充填0。

5. codec就會通過該波形提取對應(yīng)的pcm數(shù)據(jù)，做出相應(yīng)處理之后就可以播放出去了。

四、如何在各種音頻格式之間進行轉(zhuǎn)換

處于測試需要，我們還需要經(jīng)常轉(zhuǎn)換文件格式，可以通過FFmpeg工具

1. FFmpeg

對于其他格式的音頻文件，一般用FFmpeg軟件進行轉(zhuǎn)換，先在當(dāng)前的設(shè)備安裝好FFmpeg軟件，然后用命令行就可以進行轉(zhuǎn)換了，常用的示范如下：

將mp4視頻提取wav格式：

ffmpeg?-i?D:input.mp4?-vn?-acodec?pcm_s16le?-ar?44100?-ac?2?D:output.wav

將wav格式轉(zhuǎn)變?yōu)閜cm格式：

ffmpeg?-i?D:output.wav?-f?s16le?-acodec?pcm_s16le?D:output.pcm

將pcm格式轉(zhuǎn)變?yōu)閣av格式：

ffmpeg?-f?s16le?-ar?44100?-ac?2?-i?D:output.pcm?c:output.wav

注意上面的命令中指定的采樣率為44.1k ,雙聲道，存儲格式是s16le

2. 編寫代碼實現(xiàn)PCM → WAV 代碼

下面是一個實現(xiàn)將pcm文件轉(zhuǎn)換成wav文件的代碼實例：

int?simplest_pcm16le_to_wave(?const?char?*pcmpath,?int?channels,?int?sample_rate,?const?char?*wavepath?)
{?//?省去錯誤判斷
????short?pcmData;
????FILE*?fp?=?fopen(?pcmpath,?"rb"?);
????FILE*?fpout?=?fopen(?wavepath,?"wb+"?);
????
????//?填充?WAVE_HEADER
????WAVE_HEADER?pcmHEADER;
????memcpy(?pcmHEADER.ChunkID,?"RIFF",?strlen(?"RIFF"?)?);
????memcpy(?pcmHEADER.Format,?"WAVE",?strlen(?"WAVE"?)?);
????fseek(?fpout,?sizeof(?WAVE_HEADER?),?1?);
????
????//填充?WAVE_FMT?
????WAVE_FMT?pcmFMT;
????pcmFMT.SampleRate?=?sample_rate;
????pcmFMT.ByteRate?=?sample_rate?*?sizeof(?pcmData?);
????pcmFMT.BitsPerSample?=?8?*?sizeof(?pcmData?);
????memcpy(?pcmFMT.Subchunk1ID,?"fmt?",?strlen(?"fmt?"?)?);
????pcmFMT.Subchunk1Size?=?16;
????pcmFMT.BlockAlign?=?channels?*?sizeof(?pcmData?);
????pcmFMT.NumChannels?=?channels;
????pcmFMT.AudioFormat?=?1;
????fwrite(?&pcmFMT,?sizeof(?WAVE_FMT?),?1,?fpout?);

????//填充?WAVE_DATA;
????WAVE_DATA?pcmDATA;
????memcpy(?pcmDATA.Subchunk2ID,?"data",?strlen(?"data"?)?);
????pcmDATA.Subchunk2Size?=?0;
????fseek(?fpout,?sizeof(?WAVE_DATA?),?SEEK_CUR?);
????fread(?&m_pcmData,?sizeof(?short?),?1,?fp?);
????while?(?!feof(?fp?)?)?{
?????????pcmDATA.dwSize?+=?2;
?????????fwrite(?&m_pcmData,?sizeof(?short?),?1,?fpout?);
?????????fread(?&m_pcmData,?sizeof(?short?),?1,?fp?);
????}
????
????int?headerSize?=?sizeof(?pcmHEADER.Format?)?+?sizeof(?WAVE_FMT?)?+?sizeof(?WAVE_DATA?);?//?36
????pcmHEADER.ChunkSize?=?headerSize?+?pcmDATA.Subchunk2Size;

????rewind(?fpout?);
????fwrite(?&pcmHEADER,?sizeof(?WAVE_HEADER?),?1,?fpout?);
????fseek(?fpout,?sizeof(?WAVE_FMT?),?SEEK_CUR?);
????fwrite(?&pcmDATA,?sizeof(?WAVE_DATA?),?1,?fpout?);
????fclose(?fp?);
????fclose(?fpout?);
????return?0;
}

大家可以用我提供的sound.pcm、xiaoniao.wav語音文件，測試一下。