【Audio】正弦波生成原理及C++代码

正弦波生成及频谱分析

正弦波公式

诊断系统（Diag）会通过播放一段指定频率、采样率、时长及振幅的正弦音，以此对Audio测试。
正弦波的公式如下，其中 A是振幅、x是时间、F是频率。
$\sin \lparen 2 * \pi * x * F \rparen$

当振幅是1.0 ，频率是1.0（频率指一秒钟震几次）。正弦波公式及其图像为
$\sin \lparen 2 \pi x \rparen$
在这里插入图片描述

考虑到相偏移和Y轴偏移量（比如为了方便计算振幅不存在负数，那么Y轴向上偏移），其公式为
$\sin \lparen 2 * \pi * x * F + \theta \rparen + D$

C++生成正弦波

WebRTC中提供了一段正弦波的生成函数，生成精度比较高。可以借鉴其代码，编写正弦波函数（改造后的实际应用代码不便放出）。这里分析一下WebRTC 正弦波生成源码。

// webrtc/modules/audio_mixer/sine_wave_generator.h
/**  Copyright (c) 2017 The WebRTC project authors. All Rights Reserved.**  Use of this source code is governed by a BSD-style license*  that can be found in the LICENSE file in the root of the source*  tree. An additional intellectual property rights grant can be found*  in the file PATENTS.  All contributing project authors may*  be found in the AUTHORS file in the root of the source tree.*/#ifndef MODULES_AUDIO_MIXER_SINE_WAVE_GENERATOR_H_
#define MODULES_AUDIO_MIXER_SINE_WAVE_GENERATOR_H_#include <stdint.h>#include "api/audio/audio_frame.h"
#include "rtc_base/checks.h"namespace webrtc {class SineWaveGenerator {public:SineWaveGenerator(float wave_frequency_hz, int16_t amplitude): wave_frequency_hz_(wave_frequency_hz), amplitude_(amplitude) {RTC_DCHECK_GT(wave_frequency_hz, 0);}// Produces appropriate output based on frame->num_channels_,// frame->sample_rate_hz_.// 通过这个函数生成正弦波void GenerateNextFrame(AudioFrame* frame);private:float phase_ = 0.f;// 正弦波频率const float wave_frequency_hz_;// 振幅const int16_t amplitude_;
};}  // namespace webrtc#endif  // MODULES_AUDIO_MIXER_SINE_WAVE_GENERATOR_H_// webrtc/modules/audio_mixer/sine_wave_generator.cc
/**  Copyright (c) 2017 The WebRTC project authors. All Rights Reserved.**  Use of this source code is governed by a BSD-style license*  that can be found in the LICENSE file in the root of the source*  tree. An additional intellectual property rights grant can be found*  in the file PATENTS.  All contributing project authors may*  be found in the AUTHORS file in the root of the source tree.*/#include "modules/audio_mixer/sine_wave_generator.h"#include <math.h>
#include <stddef.h>#include "rtc_base/numerics/safe_conversions.h"namespace webrtc {namespace {
constexpr float kPi = 3.14159265f;
}  // namespacevoid SineWaveGenerator::GenerateNextFrame(AudioFrame* frame) {RTC_DCHECK(frame);// 获取用来保存数据的指针地址（一段Buffer）int16_t* frame_data = frame->mutable_data();// samples_per_channel_ 表示每个声道采样多少个样本for (size_t i = 0; i < frame->samples_per_channel_; ++i) {// 计算每个声道（Channel）的样本值for (size_t ch = 0; ch < frame->num_channels_; ++ch) {// 比如双声道（两个Channel），i = 0时就是frame_data[0] 和frame_data[1]// frame_data[ 2 * 0 + 0 ] --> Frame_data[0]// frame_data[ 2 * 0 + 1 ] --> Frame_data[1]// amplitude_  指振幅，sinf(phase_) 是对 phase_ 其sin函数值frame_data[frame->num_channels_ * i + ch] =rtc::saturated_cast<int16_t>(amplitude_ * sinf(phase_));}// 这段是重点。 phase_ 就是正弦函数中的 变量值。// wave_frequency_hz_  表示采样频率// Kpi 为π// 2∗ Kpi * wave_frequency_hz_ 是一个完整点的采样周期。// frame->sample_rate_hz_ 这个参数表示采样率// 采样率理解为在一个采样周期内，采多少个点。// 所以每个点的步长，例如 [ 0 0.1 0.2 ... 1.0 ]， 0.1就是步长。// 采样的步长应为  采样周期 / 采样率。phase_ += wave_frequency_hz_ * 2 * kPi / frame->sample_rate_hz_;}
}
}  // namespace webrtc

上面的代码中，针对多通道、特定频率、特定采样率、特定时长（样本点），生成了一段正弦波数据。关于AudioFrame，实际上就是记录了一些设定项，以及保存数据的数组，其源码可以参考（webrtc/api/audio/audio_frame.h）
WebRTC中提供的Testsample

// The audio level ranges linearly [0,32767].
// audio_level 振幅
// duration_ms 时间
// sample_rate_hz 采样频率
// num_channels 通道数
std::unique_ptr<AudioFrame> CreateAudioFrame1kHzSineWave(int16_t audio_level,int duration_ms,int sample_rate_hz,size_t num_channels) {// 根据采样频率，计算样本数size_t samples_per_channel = sample_rate_hz / (1000 / duration_ms);// 创建对象，保存样本数据std::vector<int16_t> audio_data(samples_per_channel * num_channels, 0);// 给audioFrame设置相关参数std::unique_ptr<AudioFrame> audio_frame = std::make_unique<AudioFrame>();audio_frame->UpdateFrame(0 /* RTP timestamp */, &audio_data[0],samples_per_channel, sample_rate_hz,AudioFrame::SpeechType::kNormalSpeech,AudioFrame::VADActivity::kVadUnknown, num_channels);// 生成频率是1000（1kHZ）的正弦波SineWaveGenerator wave_generator(1000.0, audio_level);wave_generator.GenerateNextFrame(audio_frame.get());return audio_frame;
}