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目录

1. Audio 基础介绍

1.1 音频信号

1.2 音频的处理过程

1.3 音频硬件接口

1.3 音频专业术语解释

2. Linux Audio子系统介绍

3. Linux Audio子系统框架

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Linux嵌入式系统中的音频子系统扮演着至关重要的角色，它涉及音频数据的采集、处理和播放，对于嵌入式设备的功能和用户体验都有着深远的影响。本章节主要讲述一些关于音频相关的基础知识介绍，还有音频子系统的简单介绍。

1. Audio 基础介绍

在讲解Audio 子系统前，这里先讲解一些音频相关基础类知识：

1.1 音频信号

音频在现实生活，通过我们耳朵听到，但是在最终需要将这些模拟音频信号转为数字信号。对于数字音频信号有几个相关概念：

采样率：采样率是指在一秒钟内对模拟音频信号进行采样的次数。它以赫兹（Hz）为单位，常见的采样率有44.1kHz（用于CD音质）和48kHz（常用于数字音频设备）等。根据奈奎斯特采样定律：采样频率要大于信号最高频率的2倍，才能无失真的保留信号的完整信息。

位深度（Bit Depth）: 位深度表示每个音频采样的位数，决定了音频的精度。常见的位深度有16位和24位。更高的位深度可以提供更高的音频动态范围和更好的音质。

量化（Quantization）: 量化是将模拟音频信号的连续值映射到有限数量的离散值的过程。位深度越高，量化误差越小，音质越好。

1.2 音频的处理过程

从音频的采集过程来看，从开始的音频信号的采集将模拟信号转换为数字信号，转换完毕后进入音频的量化，主要对信号进行滤波，降噪，将模拟的音频信号转换为数字信号，音频再进入编码阶段，编码音频数据可以减少数据量，方便数据的传输或者存储。

1. 音频采集：这是将声音信号从现实世界转换为电信号的过程。它通常通过麦克风或其他传感器完成。采集的信号是模拟信号，需要转换成数字信号以便于处理。

2. 音频量化：在采集后，模拟信号经过量化，即将连续的模拟信号转换为离散的数字数值。这是通过在特定的时间间隔内测量信号的幅度来完成的，每个测量值被表示为数字。

3. 音频编码：在量化后，数字信号可以被压缩以减小存储和传输的需求。音频编码将数字信号转换为更紧凑的格式，例如MP3、AAC等。编码的目标是尽量保留关键信息同时减少冗余。

4. 音频存储/传输：编码后的音频可以被存储在设备上，例如计算机硬盘、移动设备等，也可以通过网络进行传输，如音频流媒体。这个过程可以在不同的格式和传输协议中完成。

对于音频的播放，正好是逆过程，取音频文件或者音频流进行数字数字音频处理，再到数模转换，有的需要进行音频放大，放大后的模拟信号传送到扬声器进行播放。

1. 音频解码：从存储媒体或网络接收到编码后的音频数据。首先需要进行解码，将压缩格式的音频数据解码为原始的数字音频信号。

2. 数字音频处理：解码后的数字音频信号可能需要进行一些处理，如音量调节、均衡、空间效果等。这可以通过数字信号处理算法来实现。

3. 数模转换（DAC）：解码和处理后的数字音频信号需要转换回模拟信号以便于扬声器播放。这通过数模转换器（DAC）来完成。

4. 音频放大：模拟信号经过DAC后可能需要经过音频放大器进行放大，以增加其功率，使其足够驱动扬声器。

5. 扬声器播放：放大后的模拟信号被送到扬声器，通过震动扬声器的振膜来产生声音。

1.3 音频硬件接口

在嵌入式系统中音频硬件接口有非常多种，介绍几种常见的音频硬件接口：

• I2S（Inter-IC Sound）：

  • I2S是一种用于高质量音频传输的串行音频接口标准，通常在连接音频编解码器、DAC、ADC等设备时使用。

  • 它使用同步时钟和多个数据线来传输音频数据，支持双声道、多声道音频传输。

  • I2S接口传输的音频数据是已经分帧的，包括左声道和右声道数据。

  • 在嵌入式系统中，I2S接口可以提供高质量的音频传输，适用于音乐播放、语音识别等应用。

• PCM（Pulse Code Modulation）：

  • PCM是一种常见的数字音频编码方式，广泛应用于音频设备和通信系统中。

  • PCM音频数据以脉冲幅度的形式进行编码，通常使用定时时钟和数据线进行传输。

  • PCM音频数据可以在不同的位深度和采样率下进行传输，具有灵活性。

  • PCM接口适用于音频设备之间的连接，如音频编解码器、DAC、ADC等。

• PDM（Pulse Density Modulation）：

  • PDM是一种用于音频数字化的技术，主要用于麦克风阵列等设备。

  • PDM音频数据是一种位宽较小、高频率的数据流，通常使用单个数据线进行传输。

  • PDM接口适用于数字麦克风等低功耗音频传感器，但需要在接收端进行PDM到PCM的转换。

• USB音频接口：

  • USB音频接口通过USB总线连接音频设备，如耳机、扬声器、麦克风等。

  • USB音频接口支持高质量的音频传输，可以提供多通道音频和高采样率。

  • USB音频设备通常具有内置的音频编解码器，可以在电脑、嵌入式系统等设备上进行音频播放和录制。

1.3 音频专业术语解释

• PCM（脉冲编码调制）: 一种用于数字音频表示的标准格式，将模拟音频信号转换为数字样本。

• 采样率（Sampling Rate）: 指在一秒钟内对音频信号进行采样的次数，通常以赫兹（Hz）为单位。

• 位深度（Bit Depth）: 描述每个音频采样的位数，用于表示音频信号的精度。

• 通道数（Channels）: 描述音频信号中的独立音频流数量，常见的有单声道（Mono）和立体声（Stereo）。

• 数据格式（Data Format）: 描述音频数据在内存中的排列方式，如interleaved（交错）和non-interleaved（非交错）。

• 采样点（Sample Point）: 音频信号在某个特定时间点的数值。

• 声卡（Sound Card）: 也称为音频接口，是计算机与外部音频设备进行通信的硬件接口。

• 驱动程序（Driver）: 用于操作和控制声卡的软件组件，将应用程序的音频请求翻译成硬件操作。

• ALSA（Advanced Linux Sound Architecture）: Linux上的音频子系统，提供了音频设备驱动、中间件和API。

• ASoC（Advanced Sound Architecture for Embedded Linux）: Linux的嵌入式音频子系统，专注于嵌入式系统的音频处理。

• 音频回调（Audio Callback）: 一种机制，应用程序通过此机制获取音频数据并传递给音频子系统进行播放或处理。

• 音频缓冲区（Audio Buffer）: 存储音频数据的内存区域，用于在应用程序和硬件之间传递数据。

• 混音（Mixing）: 将多个音频流合并为一个单一的音频流的过程，以便同时播放。

• 重采样（Resampling）: 将一个采样率的音频数据转换为另一个采样率的过程，以适应不同的音频设备。

• DSP（Digital Signal Processing）: 使用数字技术对音频信号进行处理和调整的技术。

• 音频效果（Audio Effects）: 对音频信号进行修改以增加音质或实现特定音效的处理。

2. Linux Audio子系统介绍

ALSA最初于2002年引入Linux内核，旨在提供更先进的音频支持，以替代旧的OSS（Open Sound System）音频系统。ALSA的引入解决了OSS存在的限制，并为Linux内核提供了更高质量和更灵活的音频功能。随着Linux内核的不断发展，ALSA得到了持续的改进和扩展。ALSA现在已经成为Linux内核的一部分，提供了广泛的音频功能和驱动程序支持。它支持多种音频硬件设备，包括声卡、USB音频接口、蓝牙音频等。ALSA提供了一组API，允许应用程序与音频硬件进行交互，实现音频采集、处理和播放等功能。

主要作用：

1. 音频驱动程序支持： ALSA提供了硬件驱动程序，允许Linux系统与各种音频设备进行通信，从而实现音频输入和输出功能。

2. 音频处理和控制： ALSA支持音频数据的捕获、处理和播放。它可以进行音频格式转换、混音、音量控制等操作，从而优化音质和用户体验。

3. 低延迟和高性能： ALSA的设计目标之一是实现低延迟和高性能的音频处理。这使得它在实时音频应用中表现出色，如音乐制作、游戏和通信应用。

4. 多媒体支持： ALSA支持多种音频格式和编解码器，能够处理不同类型的音频数据，从而为多媒体应用提供支持。

5. 音频控制接口： ALSA提供了命令行工具和API，允许用户和应用程序控制音频设备的配置和状态。

3. Linux Audio子系统框架

Linux音频子系统的框架通常被称为ALSA（Advanced Linux Sound Architecture）。它由多个层次组成，每个层次负责不同的功能。以下是ALSA框架的简要概述，以及可能的图示展示：

ALSA框架的图示：

ALSA框架的层次结构：

1. 硬件层（Hardware Layer）： 这是ALSA的最底层，涵盖了音频硬件驱动程序和内核驱动程序。它允许操作系统与音频硬件设备进行通信。硬件层提供了特定硬件的驱动程序和接口，以便与硬件进行数据交换。

2. 核心层（ASoc Core Layer）： 核心层提供了用户空间和硬件层之间的抽象接口。它包括了一组内核API，允许应用程序和用户空间通过标准接口与音频硬件进行交互。核心层提供了音频流管理、设备控制、数据格式转换等功能。

3. Alsa 核心层（ Alsa Core Layer）： 在核心层之上，有一些中间层的组件，如PCM库（PCM Library）和控制接口库（Control Interface Library）。这些库提供了更高级别的功能，如音频处理和控制接口，以便更方便地使用ALSA。

4. 用户层（User Space）： 用户层包括了应用程序和用户空间工具。应用程序可以使用ALSA提供的API来实现音频录制、播放和处理等功能。用户空间工具允许用户配置和管理音频设备。

这个图示简要展示了ALSA的层次结构，从用户空间到硬件层的连接。用户可以通过调用ALSA提供的API在应用程序中实现音频处理、录制、播放等功能，然后数据流向下传递到硬件层与音频设备进行实际交互。

需要注意的是，ALSA框架是一个复杂的系统，涉及到多个层次的交互和协作。这种分层结构使得音频处理更加模块化，允许不同层次的开发人员专注于不同的功能和任务。

在应用层会有统一的接口进行去管理操作声卡，操作。