离散样本的 rms 和 dB 值问题答案

【问题标题】：Problem with rms and dB values of discrete samples离散样本的 rms 和 dB 值问题
【发布时间】：2021-04-25 14:10:16
【问题描述】：

我正在尝试通过我的 RaspberryPi 4 in c 上的 ALSA 项目对 pcm 数据进行采样。录制东西就像一种魅力，但篡改样本本身会让我感到困惑，特别是因为我已经在另一个项目 (ESP32) 上做过同样的事情。

将“缓冲区”视为每个会话大小不同的数组（ALSA 每次分配不同），其中包含存储为 8 位值的 32 位 44100Hz 离散音频样本（需要 int32_t 转换）。为了获得与一个缓冲区一样大的时间段的 dBFS 值，我想对每个样本进行平方，将它们加在一起，除以样本数，得到 sqrt，除以 INT32_MAX 值并从中提取 log10，最后乘以 20。标准 rms，然后是 dBFS 计算：

uint32_t sum = 0;
int32_t* samples = (int32_t*)buffer;
for(int i = 0; i < (size / (BIT_DEPTH/8)); i ++){

    sum += (uint32_t)pow(samples[i], 2);
}
double rms = sqrt(sum / (size / (BIT_DEPTH/8)));
int32_t decibel = (int32_t)(20 * log10(rms / INT32_MAX));
fprintf(stderr, "sum = %d\n", sum);
fprintf(stderr, "rms = %d\n", rms);
fprintf(stderr, "%d dBFS\n", decibel);

但是对于稍微安静的房间（打开的窗户）或麦克风旁边的扬声器，我得到的不是合理的值，而是大约 -134 dBFS 的不变的真正安静值。是的，增益很低，所以-134 是可能的，但我更不了解的是当我打印出变量 sum 和 rms 时会发生什么：

buffersize: 262144
sum = -61773
rms = -262146
-138 dBFS

他们怎么可能是消极的？这可能是我目前看不到的经典c-issue。

再次：将样本写入文件会产生高质量但低增益的 wav 文件（需要标头）。有什么帮助吗？谢谢。

【问题讨论】：

你的 RPi 和 esp32 可以有不同的字节序吗？或者，如何从设备中采样/排序 32 位数据？
以后在寻求调试帮助时，请在问题中提供minimal reproducible example。
只是一个小提示：在计算 dB_rms 时，您可以省略平方和的平方根，然后乘以 10 而不是 20。事实上，这样做可以更好地表示相对于基础物理而言，dB 意味着什么。
好吧，要重现这一点，我需要包含整个 ALSA pcm-init，并且您需要准备好两个 i2s-MEMS-mics。这就是为什么我认为我应该保持简短并专注于有问题的领域，从答案来看，这完全取决于数学和 c 标准

标签： c audio raspberry-pi sampling pcm

【解决方案1】：

sum 是一个uint32_t，但您使用%d 打印它，它是用于int。产生的行为未由 C 标准定义。一个常见的结果是将设置为高位的值打印为负数，但其他行为也是可能的。 unsigned int 的正确转换规范是 %u，但对于 uint32_t，您应该包含 <inttypes.h> 并使用 fprintf(stderr, "%" PRIu32 "\n", sum);。

此外，平方和总和可能会超过 uint32_t 中可以表示的值，从而导致模 2³² 包装。

rms 是一个double，但你也用%d 打印它，这是非常错误的。使用%g、%f 或%e，或double 的其他转换，可能使用各种修饰符来选择格式选项。

使用int32)_tdecibel，%d 可能适用于某些 C 实现，但正确的方法是 fprintf(stderr, "%" PRId32 " dBFS\n", decibel);。

您的编译器至少应该警告您double 格式问题。注意编译器警告并修复它们报告的问题。最好使用-Werror 切换到 GCC 和 Clang 或 /WX 切换到 MSVC 将编译器警告升级为错误。

int32_t* samples = (int32_t*)buffer; 行可能会导致禁止别名。请确保buffer 的内存可能已定义为允许将其别名为int32_t。如果不是，则 C 标准未定义该行为，应使用访问缓冲区的替代技术，例如一次将数据复制到 int32_t 对象或 int32_t 数组中。

不要使用pow 来计算平方，因为它很浪费（并且在涉及其他类型时会引入不准确性）。对于您的类型，使用static inline uint32_t square(int32_t x) { return x*x; } 并将其称为square(samples[i])。如果发生溢出，请考虑在计算平方时使用int64_t，并在求和时使用uint64_t。

【讨论】：