跳转至

可复现实战代码实验（Audio Labs）

本目录包含三个紧扣芯片微架构、Linux 内核音频驱动与定点 DSP 声学算法的可编译、可复现实战工程实验：

验证边界：Lab 01 的 I2S/LJ 位序与槽宽有 CPU 回归测试，不实现右对齐或真实电气时序；Lab 02 需要 Linux 虚拟声卡，不能用软件模拟输出代替实测；Lab 03 是待目标平台进一步验证的教学 LMS 模型，不代表产品级 AEC。另可运行 python3 -B Audio/Labs/test_audio_budget.py 检查 PCM/时钟预算。

实验体系全景图

+---------------------------------------------------------------------------------+
|                               Audio Labs 进阶路线                               |
+---------------------------------------------------------------------------------+
| [Lab 01: 硬件协议层]                                                            |
|  I2S 移位微架构与 VCD 波形导出                                                   |
|  - 纯 C 演示标准 I2S / 左对齐的数字位序模型                                      |
|  - 输出标准 VCD (Value Change Dump) 数字波形并在 GTKWave 中查看高低电平跳变     |
+---------------------------------------+-----------------------------------------+
                                        |
                                        v
+---------------------------------------+-----------------------------------------+
| [Lab 02: 内核驱动层]                                                            |
|  Linux ALSA 环形缓冲与 XRUN 欠载实战                                            |
|  - 挂载 Linux snd-dummy 虚拟声卡驱动与 TinyALSA 流式播放                        |
|  - 实时解析 /proc/asound 硬件指针 (hw_ptr) 与应用指针 (appl_ptr) 动态差值       |
|  - 编写自动化注入脚本人为制造调度饥饿，捕获 XRUN 现场与内核水位告警             |
+---------------------------------------+-----------------------------------------+
                                        |
                                        v
+---------------------------------------+-----------------------------------------+
| [Lab 03: 声学算法层]                                                            |
|  定点 DSP Q31 LMS 回声消除算子与 ERLE 收敛评测                                  |
|  - 纯整型 Q31 饱和乘加器模拟音频 DSP 运算行为                                   |
|  - 注入真实 16 抽头声学房间冲激响应 (RIR) 与近端语音扰动                        |
|  - 实时计算 ERLE (回声回损增益 dB) 并输出自适应滤波器收敛曲线                   |
+---------------------------------------------------------------------------------+

实验环境与工具链依赖

工具 / 库 最低版本要求 用途说明 安装命令（Ubuntu/Debian 或 macOS）
GCC / Clang C99 兼容 编译 Lab 01、Lab 03 的 C 语言仿真程序 sudo apt install build-essential / Xcode CLT
Make GNU Make 3.8+ 一键编译与自动化测试执行 系统自带
Python 3 Python 3.8+ 生成精密测试音频与动态监控数据解析 python3 --version
GTKWave 3.3+ 查看 Lab 01 生成的 i2s_trace.vcd 逻辑波形 sudo apt install gtkwave / brew install --cask gtkwave
ALSA 工具栈 alsa-utils / tinyalsa Lab 02 驱动与播放测试工具 sudo apt install alsa-utils libasound2-dev

实验索引与目录结构

  1. Lab 01: I2S 协议时序仿真与软件音频波形生成
  2. 核心代码：i2s_simulator.c、Makefile
  3. 生成目标：i2s_sim 执行文件、i2s_trace.vcd 逻辑分析仪波形
  4. Lab 02: Linux ALSA 虚拟声卡驱动与 TinyALSA 环形缓冲跟踪
  5. 核心代码：generate_tone.py、xrun_monitor.py、run_xrun_test.sh、Makefile
  6. 测试目标：捕获 DMA 环形缓冲水位推进并触发并分析 XRUN
  7. Lab 03: 定点 DSP 算子实现——LMS 自适应回声消除滤波
  8. 核心代码：fixed_point_lms.c、plot_erle.py、Makefile
  9. 验证目标：验证 Q31 定点 LMS 算法在声学回声消除中的收敛性能，达成 ERLE \(> 25\text{ dB}\)