使用外部 DAC 采样频率高于 20kSps 的 ESP32 I2S 音频播放失真

Question

硬件：ESP32 DevKitV1、PCM5102 分线板、SD 卡适配器。
软件：Arduino框架。

一段时间以来，我一直在努力使用 ESP32 外部的 I2S DAC 播放音频。问题是我只能在不失真的情况下播放低采样频率，即低于 20kSps。我一直在研究文档、https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/latest/api-reference/peripherals/i2s.html 和许多其他来源，但仍然没有设法解决这个问题。

I2S配置函数：

esp_err_t I2Smixer::i2sConfig(int bclkPin, int lrckPin, int dinPin, int sample_rate)
{
    // i2s configuration: Tx to ext DAC, 2's complement 16-bit PCM, mono,
    const i2s_config_t i2s_config = {
        .mode = (i2s_mode_t)(I2S_MODE_MASTER | I2S_MODE_TX | I2S_CHANNEL_MONO), // only tx, external DAC
        .sample_rate = sample_rate,
        .bits_per_sample = I2S_BITS_PER_SAMPLE_16BIT,
        .channel_format = I2S_CHANNEL_FMT_ONLY_RIGHT, // single channel
                                                      // .channel_format = I2S_CHANNEL_FMT_RIGHT_LEFT, //2-channels
        .communication_format = (i2s_comm_format_t)(I2S_COMM_FORMAT_I2S | I2S_COMM_FORMAT_I2S_MSB),
        .intr_alloc_flags = ESP_INTR_FLAG_LEVEL3, // highest interrupt priority that can be handeled in c
        .dma_buf_count = 128, //16,
        .dma_buf_len = 128, // 64
        .use_apll = false,
        .tx_desc_auto_clear = true};

    const i2s_pin_config_t pin_config = {
        .bck_io_num = bclkPin,           //this is BCK pin
        .ws_io_num = lrckPin,            // this is LRCK pin
        .data_out_num = dinPin,          // this is DATA output pin
        .data_in_num = I2S_PIN_NO_CHANGE // Not used
    };
    esp_err_t ret1 = i2s_driver_install((i2s_port_t)i2s_num, &i2s_config, 0, NULL);
    esp_err_t ret2 = i2s_set_pin((i2s_port_t)i2s_num, &pin_config);
    esp_err_t ret3 = i2s_set_sample_rates((i2s_port_t)i2s_num, sample_rate);
    // i2s_adc_disable((i2s_port_t)i2s_num);
    // esp_err_t ret3 =  rtc_clk_apll_enable(1, 15, 8, 5, 6);

    return ret1 + ret2 + ret3;
}

打开以 16 位单声道 PCM、44.1kHz 格式创建的波形文件：

File sample_file = SD.open("/test.wav")

在主循环中，样本被馈送到 I2S 驱动程序。

esp_err_t I2Smixer::loop()
{
    esp_err_t ret1 = ESP_OK, ret2 = ESP_OK;
    int32_t output = 0;

        if (sample_file.available())
        {
            if (sample_file.size() - sample_file.position() > 2) // bytes left
            {
                int16_t tmp; // 16 bits signed PCM assumed
                sample_file.read((uint8_t *)&tmp, 2);
                output =(int32_t)tmp;
            }
            else
            {
                sample_file.close(); 
            }
        }

    size_t i2s_bytes_write;
    int16_t int16_t_output = (int16_t)output;
    ret1 = i2s_write((i2s_port_t)i2s_num, &int16_t_output, 2, &i2s_bytes_write, portMAX_DELAY);
    if (i2s_bytes_write != 2)
        ret2 = ESP_FAIL;

    return ret1 + ret2;
}

这适用于高达 20 kSps 的采样率。对于 32k 或 44.1k 的采样率，会发生严重失真。我怀疑这是由 I2S DMA Tx 缓冲区引起的。如果增加 DMA 缓冲区的数量（dma_buf_count）和缓冲区长度（dma_buf_len），那么一开始声音可以正常播放。随后，在很短的时间后，失真再次出现。我无法测量这么短的时间跨度，也许大约一秒钟，但我确实注意到它取决于 dma_buf_count 和 dma_buf_len.

接下来，我尝试将 CPU 频率提高到 240MHz，但没有任何改善。此外，我尝试播放来自 SPIFSS 的文件，但没有任何改进。

我现在没思路了，有没有人也遇到过这个问题？

Answer 1

一次读取一个样本并将其推送到 I²S 驱动程序将不是驱动程序的最有效使用方式。您在每 128 字节的 DMA 缓冲区中仅使用 2 个字节。在 DMA 缓冲区为 "starved".

之前，只留下一个采样周期来推送下一个采样

以 128 字节（64 个样本）块读取文件并将整个块写入 I²S 以便有效地使用 DMA。

根据文件系统的实现，使用与文件系统的媒体、扇区大小和 DMA 缓冲相关的较大块可能会更有效一些。

使用外部 DAC 采样频率高于 20kSps 的 ESP32 I2S 音频播放失真

Distortion in ESP32 I2S audio playback with external DAC for sample frequency higher than 20kSps

embedded

esp32

i2s