Android 耳机通信

2017/05/31

Android手机通过耳机线传输数据

需求分析

  • 调制,根据原数据生成对应的PCM数据。
  • 传输,播放PCM文件。
  • 接收,另一台手机录音获取PCM数据。
  • 解调,PCM数据还原。

    耳机原理

    耳机接口

  • 我们的手机中原装的耳机一般是带有话筒的,这种耳机分为四段分别为左声道、右声道、地、MIC。具体耳机可能线的顺序不同,可能Mic与Gnd调换了,具体情况需要测过才知道。此项目中需要把耳机MIC另一端接在L(R)上,L(R)接在另一端的MIC上。

    话筒和耳机的声音原理

  • 其实话筒接收的是振动信号,以些振动信号产生变化的电流,通过耳机接口传到手机里面的处理电路,最后被采样,生成PCM数据。

Android AudioTrack

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;

import android.app.Activity;
import android.media.AudioFormat;
import android.media.AudioManager;
import android.media.AudioTrack;
import android.os.Bundle;
import android.util.Log;
import android.view.View;
import android.view.View.OnClickListener;
import android.widget.Button;

public class MainActivity extends Activity {
    private static final String TAG = "MainActivity";
    private Button playBtn;
    private AudioTrack player;
    private int audioBufSize;
    private byte[] audioData;
    
    String  filePath  = "/sdcard/testmusic.pcm";
    private byte[] abc;
    int offset;
    Player player1;
    
    @Override
    public void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);
        
        audioBufSize = AudioTrack.getMinBufferSize(44100, 
        AudioFormat.CHANNEL_OUT_STEREO, 
        AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT);
        
        player = new AudioTrack(AudioManager.STREAM_MUSIC,
         44100,
         AudioFormat.CHANNEL_OUT_STEREO,
         AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT,
         audioBufSize,
         AudioTrack.MODE_STREAM);
 
        playBtn = (Button)findViewById(R.id.button1);
        
        playBtn.setOnClickListener(new OnClickListener() {
			@Override
			public void onClick(View v) {
				player.play();			
				player1=new Player();
				player1.start();
            }
        });
    }
 class Player extends Thread{
    	byte[] data1=new byte[audioBufSize*2];
    	File file=new File(filePath);
    	int off1=0;
    	FileInputStream fileInputStream;
		
    	@Override
    	public void run() {
    		// TODO Auto-generated method stub
    		super.run();	
    		while(true){
    			try {
    				fileInputStream=new FileInputStream(file);
    				fileInputStream.skip((long)off1);
        			fileInputStream.read(data1,0,audioBufSize*2);
        			off1 +=audioBufSize*2;    			
    			} catch (Exception e) {
    				// TODO: handle exception
    			}
                player.write(data1, offset, audioBufSize * 2);			 
			}
    	}
    }
}

Android MediaRecorder

public void rec(){
    MediaRecorder recorder = new MediaRecorder();
    recorder.setAudioSource(MediaRecorder.AudioSource.MIC);
    recorder.setOutputFormat(MediaRecorder.OutputFormat.THREE_GPP);
    recorder.setAudioEncoder(MediaRecorder.AudioEncoder.AMR_NB);
    recorder.setOutputFile(PATH_NAME);
    recorder.prepare();
    recorder.start(); // 开始录音
    ...
    recorder.stop();
    recorder.reset(); // You can reuse the object by going back to setAudioSource() step
    recorder.release(); // Now the object cannot be reused
}

PCM格式分析

音频简介

44100HZ 16bit stereo: 每秒钟有 44100 次采样, 采样数据用 16 位(2字节)记录, 双声道(立体声);
22050HZ 8bit mono: 每秒钟有 22050 次采样, 采样数据用 8 位(1字节)记录, 单声道;
当然也可以有 16bit 的单声道或 8bit 的立体声, 等等。

采样率是指:声音信号在“模→数”转换过程中单位时间内采样的次数。
采样值是指:每一次采样周期内声音模拟信号的积分值。
对于单声道声音文件,采样数据为八位的短整数(short int 00H-FFH);
而对于双声道立体声声音文件,每次采样数据为一个16位的整数(int),高八位(左声道)和低八位(右声道)分别代表两个声道。
人对频率的识别范围是 20HZ - 20000HZ, 如果每秒钟能对声音做 20000 个采样, 回放时就足可以满足人耳的需求. 所以 22050 的采样频率是常用的, 44100已是CD音质, 超过48000的采样对人耳已经没有意义。这和电影的每秒 24 帧图片的道理差不多。

每个采样数据记录的是振幅, 采样精度取决于储存空间的大小:
1字节(也就是8bit) 只能记录 256 个数, 也就是只能将振幅划分成 256 个等级;
2字节(也就是16bit) 可以细到 65536 个数, 这已是 CD 标准了;
4字节(也就是32bit) 能把振幅细分到 4294967296 个等级, 实在是没必要了.
如果是双声道(stereo), 采样就是双份的, 文件也差不多要大一倍.

这样我们就可以根据一个 wav 文件的大小、采样频率和采样大小估算出一个 wav 文件的播放长度。
比如 “Windows XP 启动.wav” 的文件长度是 424,644 字节, 它是 “22050HZ / 16bit / 立体声” 格式(这可以从其 “属性->摘要” 里看到),那么它的每秒的传输速率(位速, 也叫比特率、取样率)是:

22050*16*2 = 705600(bit/s)    
705600/8 = 88200(字节/秒) 

播放时间:

424644(总字节数) / 88200(每秒字节数) ≈ 4.8145578(秒) 

但是这还不够精确, 包装标准的 PCM 格式的 WAVE 文件(*.wav)中至少带有 42 个字节的头信息, 在计算播放时间时应该将其去掉, 所以就有:

(424644-42) / (22050*16*2/8) ≈ 4.8140816(秒).     

这样就比较精确了.
关于声音文件还有一个概念: “位速”, 也有叫做比特率、取样率, 譬如上面文件的位速是 705.6kbps 或 705600bps, 其中的 b 是 bit, ps 是每秒的意思;压缩的音频文件常常用位速来表示, 譬如达到 CD 音质的 MP3:

128kbps / 44100HZ.

PCM数据格式

PCM(Pulse Code Modulation)也被称为 脉码编码调制。PCM中的声音数据没有被压缩,如果是单声道的文件,采样数据按时间的先后顺序依次存入。
(它的基本组织单位是BYTE(8bit)或WORD(16bit))。一般情况下,一帧PCM是由2048次采样组成的。如果是双声道的文件,采样数据按时间先后顺序交叉地存入。

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