深入解析 PCM：声音数字化的核心技术

深入解析 PCM：声音数字化的核心技术

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/Interview_TC/article/details/146394435

PCM（脉冲编码调制）是音频数字化的核心技术，广泛应用于计算机、嵌入式系统和音频设备中。本文将深入解析PCM的基本概念、工作原理以及在Linux ALSA框架中的实际应用，帮助读者彻底理解这一关键技术。

引言

在计算机、嵌入式系统和音频设备中，PCM（Pulse Code Modulation，脉冲编码调制）是最基础的音频数据格式。无论是 MP3、AAC 还是 FLAC，最终它们的底层都是 PCM。

但 PCM 究竟是什么？它如何转换音频？在 Linux 声卡驱动（ALSA）中，它又是如何工作的？本文将带你彻底理解 PCM，让你不再对 PCM 感到陌生。

1. PCM 的基本概念

PCM 是一种将模拟音频信号转换为数字音频信号的方法。它的核心过程包括：

1. 采样（Sampling）
2. 量化（Quantization）
3. 编码（Encoding）

让我们从一个实际案例讲解。

1.1 采样（Sampling）

采样就是每秒钟从模拟信号中取出多少个数值。采样率（Sample Rate）用 Hz（赫兹）表示，例如：

• 44.1 kHz（CD 质量）：每秒 44100 个采样点。
• 48 kHz（DVD 质量）：每秒 48000 个采样点。
• 96 kHz（高解析音频）：每秒 96000 个采样点。

📌理解方式：

• 采样率越高，声音的还原度越好，但文件体积也更大。

1.2 量化（Quantization）

采样后，每个点的数值需要转换为离散的数字。

• 8-bit PCM（256 级别）：每个采样点存储 0~255 之间的整数。
• 16-bit PCM（常见）：每个采样点存储 -32768~32767 之间的整数。
• 24-bit PCM（专业音频）：每个采样点存储 -8388608~8388607 之间的整数。

📌理解方式：

• 位深度（Bit Depth）越高，音质越细腻。
• 16-bit PCM 是目前最常见的音频格式。

1.3 编码（Encoding）

• PCM 编码最常见的格式是 Signed 16-bit Little Endian，在 Linux 中表示为 S16_LE。
• 数据格式：PCM 数据可以是单声道（Mono）或立体声（Stereo）。

示例：CD 质量的 PCM

Format: Signed 16-bit Little Endian
Sample Rate: 44100 Hz
Channels: 2（Stereo）

2. PCM 设备与功放（Amplifier）的区别

在音频系统中，我们通常会看到 PCM 设备（PCM Device）和功放（Amplifier），它们的作用截然不同。

2.1 什么是 PCM 设备？

在 Linux ALSA（Advanced Linux Sound Architecture）框架中，PCM 设备指的是负责处理 PCM 音频数据流的设备。它可以是：

• I2S/SAI 控制器（用于 PCM 数据传输）
• 音频 CODEC（如 PCM1754）（处理 PCM 并进行 D/A 转换）
• 数字信号处理单元（DSP）

如何识别 PCM 设备？

aplay -l

示例输出：

**** List of PLAYBACK Hardware Devices ****
card 0: pcm1754audio [pcm1754-audio], device 0: 30c30000.sai-lm48100q lm48100q-0
  Subdevices: 1/1
  Subdevice #0: subdevice #0

📌理解方式：

• PCM 设备处理 PCM 数据流，并将其传输到 DAC 或其他组件。
• pcm1754audio 代表 PCM 设备。

2.2 LM48100Q 是 PCM 设备吗？

❌不是！

LM48100Q 是一个功率放大器（Audio Power Amplifier），它的作用是放大模拟音频信号并驱动扬声器。

但 PCM 设备（如 I2S 控制器或 CODEC）会向它提供音频信号，然后它负责放大输出。

📌PCM 设备 vs 功放的区别

📌理解方式：

• PCM 设备 = 处理数字 PCM 音频的设备
• 功放 = 处理模拟音频信号的设备
• LM48100Q 不能直接处理 PCM 数据，它只能接收 DAC 输出的模拟信号，然后进行放大。

3. PCM 设备的 Linux 命令

3.1 查看 PCM 设备

cat /proc/asound/cards
aplay -l  # 列出所有 PCM 播放设备
arecord -l  # 列出所有 PCM 录音设备

📌示例输出：

**** List of PLAYBACK Hardware Devices ****
card 0: pcm1754audio [pcm1754-audio], device 0: 30c30000.sai-lm48100q lm48100q-0

表示：

• card 0：声卡编号 0。
• pcm1754audio：设备名。
• lm48100q：功放芯片（不是 PCM 设备）。

4. 结论

✅PCM 设备是指处理数字 PCM 数据的设备，如 I2S 控制器、CODEC。

✅LM48100Q 只是功放，不是 PCM 设备，它接收 PCM 设备输出的模拟音频信号并放大。

✅如果要播放 PCM 音频，你需要一个 CODEC（如 PCM1754）将 PCM 转换成模拟信号，再送到 LM48100Q 进行放大。

掌握 PCM 之后，你就掌握了数字音频的核心原理！ 🚀