专业音频

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附注： 未完成（在 Talk:专业音频# 中讨论）

该文章描述了如何将你的系统针对录音，混音，回放或是合成音频应用进行配置。这类活动通常使用术语 “专业音频” 进行描述，并相对需要较低的延迟。

相对于视频剪辑或游戏，该类应用通常不需要高端硬件。生产于2012 年后的大多数硬件都可以针对专业音频工作进行优化。更多信息请参考 Ardour 用户手册 The Right Computer System for Digital Audio 一节。

注意： 如果你在找的是 GNU/Linux 作曲指南，可前往 LinuxMusicians 论坛进行查找。

开始[编辑 | 编辑源代码]

在阅读完音频系统一文后，你可能已大致了解到 ALSA 属于 Linux 内核的一部分，并在 Arch Linux 的驱动及接口中作为默认声音系统。ALSA 在完成默认的 Arch 安装流程后应当可以开箱即用。如果出现意外，你需要在进行下一步前先排清问题。

然而，如果出现 “没有声音” 的情况，则很可能是需要在 ALSA 混音器配置中解除声道的静音。如果你在使用多个音频设备（例如 USB 音频接口及内置声卡），你可能需要设置默认声卡.

我已正确配置好声音系统了吗？

$ speaker-test

进一步排障可参考 ALSA 。

在多数情况下，默认的 Arch Linux 内核已能满足低延迟应用。进一步的系统配置只需在你遇到了音频丢失，或是你确实需要/想要极低延迟的情况下进行。

为了完成优化工作，你可能需要配置一个实时内核。

尽管有些专业音频软件可以直接使用 ALSA，但该文章提到的大多数软件都属于 JACK Audio Connection Kit（又称 JACK）客户端。因此，你需要根据下方描述安装并配置一个可用的音频服务器。

提示：如果你刚开始使用 Arch Linux，完成了安装指南且想要立刻开始作曲，可以安装 pro-audio^包组软件包组及 realtime-generic-setup^AUR 并重启。参考 #仅使用 PipeWire 一节进行快速配置并查找适合你的音乐制作#软件。

系统配置[编辑 | 编辑源代码]

注意： 最佳实践及系统配置中的信息质量差异较大（甚至有可能过时或是自相矛盾）。尽管某些系统和配置需要更高程度的优化，对大多数用户而言这样操作都是没有需要的。建议先使用默认的 Arch Linux 内核及配置，只有当你确实需要低延迟及更高的稳定性时，再考虑优化的问题！

你可以参考下列常见的系统优化方式：

配置 CPU 调频调速器至 performance。
配置 pam_limits（例如安装 realtime-privileges^包并将用户添加至 realtime 组）。
使用 threadirqs 内核参数（参考 [1]）- 实时内核补丁集已默认启用该参数。
使用实时内核补丁集。
添加 noatime 至 fstab（参考性能优化#挂载选项）。
通过在启动阶段执行下列命令来提高最大 requested RTC interrupt frequency（默认为 64 Hz）：

# echo 2048 > /sys/class/rtc/rtc0/max_user_freq
# echo 2048 > /proc/sys/dev/hpet/max-user-freq

降低系统的 swappiness 值（即交换频率，默认为 60），例如：将该值设为 10 可让系统在试图交换到硬盘前等待更长时间（可参考 wikipedia:Paging#Swappiness）。该值可通过执行 sysctl vm.swappiness=10 实时更改（详情请参考 sysctl(8)），或是通过修改配置文件永久修改（参考 sysctl.d(5)），具体如下：

/etc/sysctl.d/90-swappiness.conf

vm.swappiness = 10

将 inotify 跟踪用户的最大文件数量（默认为 524288）提升到如 600000 有助于同时需要处理大量文件的程序（例如 DAW）。该值可通过执行 sysctl fs.inotify.max_user_watches=600000 实时更改，或是通过单独的配置文件永久修改：

/etc/sysctl.d/90-max_user_watches.conf

fs.inotify.max_user_watches = 600000

你可能也会想最大化 PCI 声卡的 PCI 延迟计时器，并为所有 PCI 外设提高延迟计时器（默认为 64）.

$ setpci -v -d *:* latency_timer=b0
# setpci -v -s $SOUND_CARD_PCI_ID latency_timer=ff

假设 SOUND_CARD_PCI_ID=03:00.0。

可通过以下方式获取 SOUND_CARD_PCI_ID：

$ lspci | grep -i audio

03:00.0 Multimedia audio controller: Creative Labs SB Audigy (rev 03)
03:01.0 Multimedia audio controller: VIA Technologies Inc. VT1720/24 [Envy24PT/HT] PCI Multi-Channel Audio Controller (rev 01)

选择音频服务器[编辑 | 编辑源代码]

音频硬件无法同时播放来自多个应用的声音。虽然理论上 ALSA 可以被配置为混合来自多个应用的声音，但这方面的工作通常会交由音频服务器来处理。单独使用 ALSA 时难以实现低延迟，无法协调多个音频应用的实时播放、同时播放以及维持同一速率等，并且无法简单通过连接客户端的方式在多个应用间传输音频流，因此在这一场景下，你需要一个专业音频级的音频服务器。

有三个音频服务器可以选择，其中两个专为专业音频应用而设计：

PulseAudio 是用于回放和如视频、浏览器、音乐及游戏等多媒体内容的标准服务器之一。它并没有针对专业音频进行构思，并缺乏低延迟及应用间同步的能力。
JACK 专门针对专业音频的需要进行开发，并已在全球范围内获得长期应用，因此其非常成熟和稳定。多数专业音频应用针对 JACK API 进行开发。
PipeWire 是在音频方面同时替代 JACK 和 PulseAudio 的选项。它适用于日常使用，不适于非常“专业”的场景。除本文涉及内容外，它同时可以处理视频路由。

音频服务器的配置很大程度上由使用场景、工作流及应用交互限制所决定。JACK Audio Connection Kit 设计为在不同应用间传输音频，并在维持低延迟下通过客户端的同步执行来同时访问同一音频硬件。它对应的 PipeWire 替代品提供了适用于大多数情况的服务器。

以下为将要介绍的音频服务器配置的模型：

 #仅使用 PipeWire                    #PipeWire 作为 JACK 的客户端       #仅使用 JACK

 ┌──────────────┐    ┌──────────────┐    ┌──────────────┐
 │         Applications       │    │        Applications        │    │        Applications        │
 ├──────────────┤    ├──────────────┤    ├──────────────┤
 │           PipeWire         │    │        PipeWire+JACK       │    │            JACK            │
 ├──────────────┤    ├──────────────┤    ├──────────────┤
 │             ALSA           │    │            ALSA            │    │            ALSA            │
 └──────────────┘    └──────────────┘    └──────────────┘

仅使用 PipeWire[编辑 | 编辑源代码]

新的 PipeWire 框架通过更优秀的简洁性取代了 JACK 及其它音频服务器。因此，建议先尝试在默认 Arch Linux 内核下使用仅 PipeWire 配置，并通过安装 pipewire-jack^包为 JACK 客户端提供支持。

对于专业音频应用，你同时需要使用 Pro Audio profile 及 PulseAudio 的混音器 pavucontrol^包。请点击链接并阅读 PipeWire 维基页。

PipeWire 作为 JACK 的客户端[编辑 | 编辑源代码]

通过安装 pipewire-jack-client^包，PipeWire 也可以被用作 JACK 的客户端。详细内容请参考 PipeWire 维基页。

仅使用 JACK[编辑 | 编辑源代码]

在通用性的原则下，你可以将 JACK 与实时内核搭配进一步的系统配置以达到进阶应用所需的低延迟。使用 JACK 作为唯一的音频服务器时，需要所有音频交互应用都作为 JACK 客户端运行。

不幸的是，一些流行的桌面应用（例如火狐）以及大多数游戏都取消了或是根本不支持 JACK。因此，该配置仅适合作为专业音频系统的独立设备，此时不支持 JACK 的软件影响可以忽略不计。如果你仍需使用到不支持 JACK 的软件，可以在完成下列设置后参考专业音频/示例#Advanced sound server setups。在安装和运行 JACK 前，请确保它可以访问到你的音频设备。

PulseAudio 或者其它软件在占用我的设备吗？

$ lsof +c 0 /dev/snd/pcm* /dev/dsp*

或者

$ fuser -fv /dev/snd/pcm* /dev/dsp*}}

如果你的音频设备没有显示出来，它可能是在被 PulseAudio 占用（可能是由其它软件作为需求包安装）。如果你不打算使用专业音频/示例#PulseAudio+JACK，可以将 PulseAudio 连带其它软件一起移除，以使其释放音频设备。

JACK 版本 1 已处于 “逐渐淘汰”[2] 阶段中，其不支持对称多处理（SMP），缺乏 D-Bus 及 Systemd 整合，因此建议使用官方软件源中的版本 2 jack2^包。If you're going to use a JACK control GUI or a Systemd user service for Starting the audio graph, also install jack2-dbus^包.

More details in JACK Audio Connection Kit#Comparison of JACK implementations

The article on JACK describes a GUI-based and a shell-based example setup as a point of reference for your own scenario. Parameter values of JACK are discussed in detail in the #JACK parameters section and may depend on other system factors covered by the #System configuration section above.

JACK 参数[编辑 | 编辑源代码]

注意： 以下指南用于在运行#仅使用 JACK或 /示例#PulseAudio+JACK 声音服务器的环境下，如何找到在使用 JACK 的同时不出现音频中断（xruns）的最佳参数。鉴于具体参数会随着硬件不同，是否使用了#实时内核，是否应用了某些#系统配置等条件更改，不能将下文参数作为通用配置。

此处的目标为根据你当前使用的硬件，找到缓冲区大小和处理周期数的最佳搭配，可以先从 Frames/Period = 256 开始。对于板载和 USB 设备，在降低这两者前先试试 Periods/Buffer = 3。常用的值有：256/3, 256/2, 128/3, 128/2。

另外，采样率也需要与硬件设备匹配，你可以通过以下命令查看设备支持的采样率选项：

$ cat /proc/asound/card0/codec#0

将 card0 和 codec#0 替换为你的设备对应的值；在输出结果中，在 Extended ID 中找到 rates 和 VRA 的值。目前常见的采样率值为 48000 Hz，另外比较常见的值有 44100 Hz,96000 Hz 和 192000 Hz。

在重点关注录制或与外部设备进行调度的情况下，基本上必须使用 realtime 参数。另外，你可能会有需要设置最大优先级（至少比 /etc/security/limits.d/99-realtime-privileges.conf 中设定的系统限制低 10；最大值是预留给设备自己的）。

使用你找到的参数启动 jack，如下所示：

$ /usr/bin/jackd -R -P89 -dalsa -dhw:0 -r48000 -p128 -n2

可以使用 qjackctl^包，cadence^AUR，patchage^AUR 和 studio-controls-git^AUR 通过图形界面来监控 JACK 的状态和修改配置。

注意： 配置好 JACK 后，建议使用多个不同的音频软件来验证你的配置。例如，假设 JACK 在 LMMS 上出现 xrun 问题，当问题出在后者上时不要花费过多时间排障。

建议阅读 Linux Magazine article (2006) 来理解 JACK 参数调优

验证延迟[编辑 | 编辑源代码]

JACK 参数在很大程度上影响着往返延迟（RTD）。在本文中，这表示音频信号从录制，处理到回放这一过程的总耗时。下一部分将介绍影响 RTD 的各个来源相关背景，如果你已了解这一概念，可直接跳到 #测量延迟一节，或是完全跳过该部分。

延迟来源[编辑 | 编辑源代码]

假设有一标准的歌手录音场景。歌手的声音以声速通过空气传播到麦克风并被捕获。接下来，通过模数转换使得捕获的电信号可以被计算机进行数字信号处理。最后，通过数模转换将信号传到歌手的耳机进行回放监听，与舞台监听系统的使用场景类似。

在这一场景中，有五个对 RTD 影响最大的延迟源，并按如下顺序出现：

声音从歌手的嘴通过空气进行传播
模数转换
数字信号处理
数模转换
声音通过空气传播到歌手的耳朵

由于在技术上，必须在录音及回放过程中保持特定距离才能获得理想的声音，因此很难对第一个及最后一个延迟源进行改善。另外，在近距离进行录制并使用耳机进行回放时，由声音传播造成的延迟通常在个位数毫秒范围内，对人类而言难以察觉。所以，需要通过优化其它延迟源来降低 RTD。

转换延迟[编辑 | 编辑源代码]

理论上，JACK 通过在采样过程中使用固定值（包括帧，周期及采样率）并对模数转换过程中的音频数据进行缓存来保持低延迟，反之亦然。采样过程中的延迟可以用以下公式描述：

Lc = n / f

Lc：毫秒（ms）为单位的采样延迟，n：帧或缓冲大小（从 16 开始的 2 的倍数），f：赫兹（Hz）为单位的采样率。

回放延迟同时用到了周期值：

Lp = n * p / f

Lp：毫秒（ms）为单位的回放延迟，n：帧或缓冲大小（从 16 开始的 2 的倍数），p: 周期值，f：赫兹（Hz）为单位的采样率。

如之前所说，音频接口的性能决定了可用的参数搭配，具体的配置需要你进行试错。虽然需要在防止 xrun 及低延迟间进行取舍，但现在的音频接口基本都可以通过高采样率（通常到 192 KHz）来满足该需求。The audio flux of JACK clients in the digital domain is about zero and thus, negligible for latency measurements [3].

更多信息可参考 ALSA 维基的FramesPeriods 一节。

测量延迟[编辑 | 编辑源代码]

在完成#JACK 参数配置后，你可能会想验证下当前 RTD。例如，在帧或缓存大小 n = 128，周期值 p = 2，采样率 f = 48000 时，采样延迟大约为 Lc = 2,666... ms，回放延迟大约为 Lp = 5,333... ms，加起来总往返延迟 RTD = 8 ms。

注意： 根据声速可计算出该延迟值与舞台上使用距表演者耳朵距离在 2 m 到 3 m 之间的扬声器的典型监听情况相当。有过舞台经历的表演家通常已习惯该延迟。

由 Fons Adriaensen 编写的 jack_delay^包工具可以在单个回放通道播放一个测试音，并在单个录制通道上进行捕获来，通过测量信号的相位差来估计整个链的往返延迟。建议使用合适的线缆将音频接口的输入和输出通道连一起，或是参照 JACK 延迟测试将音响和麦克风靠近放一起。

例如，在一台仅配置 JACK 的设备上，将 playback_1 和 capture_1 （名称根据设备不同可能会改变）用线缆连接起来运行 jack_delay，并根据上文描述的参数得到以下输出：

$ jack_delay -O system:playback_1 -I system:capture_1

capture latency  = 128
playback_latency = 256
Signal below threshold...
Signal below threshold...
Signal below threshold...
  422.507 frames      8.802 ms total roundtrip latency
       extra loopback latency: 38 frames
       use 19 for the backend arguments -I and -O
  422.507 frames      8.802 ms total roundtrip latency
       extra loopback latency: 38 frames
       use 19 for the backend arguments -I and -O
  422.506 frames      8.802 ms total roundtrip latency
       extra loopback latency: 38 frames
       use 19 for the backend arguments -I and -O
  422.507 frames      8.802 ms total roundtrip latency
       extra loopback latency: 38 frames
       use 19 for the backend arguments -I and -O
<output omitted>

根据输出的提示，可以使用 -I 19 和 -O 19 参数对 JACK 进行进一步优化，以补偿链中额外的回环延迟：

$ /usr/bin/jackd -R -P89 -dalsa -dhw:0 -r48000 -p128 -n2 -I19 -O19

更多信息可参考 Ardour 文档中的延迟与延迟补偿一节。

实时内核[编辑 | 编辑源代码]

"实时" 这一概念在操作系统中的定义为：操作的结果可以在固定时间内得出，只有在更广的意义上才是“与现实时间同步”，例如：用户在输入后可以立即产生相应的声音。这个案例称为“低延迟”，而达成它的操作这篇文章的主要目标之一。

从一段时间前开始，默认的 Linux 内核（Arch Linux 的初始内核默认带 CONFIG_PREEMPT=y 选项）已被证明适用于低延迟操作。操作系统中对延迟的定义为：从硬件中断的开始，到对应的中断线程开始运行的时间。不幸的是，某些硬件的驱动会导致更高的延迟。因此，根据你的硬件、驱动和需求，你可能需要一个满足实时计算标准的内核。

优势与劣势[编辑 | 编辑源代码]

Ingo Molnar 和 Thomas Gleixner 创造的 RT_PREEMPT 补丁集是对于软/硬实时应用而言非常有意思的选项，涵盖了从专业音频到工业控制等范围。大多数专注于音频的 Linux 发行版都启用了该补丁集。一个可实时抢占的内核也将使调整 IRQ 处理线程的优先级成为可能，并有助于确保几乎不受负载影响的流畅音频。

注意： 目前，在实时内核上使用某些应用会有些已知限制，通常与虚拟化（例如 Xen 和 KVM）相关。如果你同时需要使用这类功能，可以考虑在默认 Arch Linux 内核外同时安装实时内核，并在引导加载程序创建另一个入口以按需启动到对应的内核。

安装[编辑 | 编辑源代码]

安装 linux-rt^包或是 linux-rt-lts^包包。

编译[编辑 | 编辑源代码]

如果你要使用实时内核补丁集来编译你自己的内核，请记住，移除模块或选项并不等同于精简内核。虽然内核映像的体积会减小，但现代的计算机系统以不再像 1995 年那时对大小敏感了。

更多信息可参考如何正确配置带 PREEMPT_RT 的 Linux 。

不论如何，你必须要确保：

Timer Frequency 设为 1000Hz（CONFIG_HZ_1000=y；不使用 MIDI 可以无视该项）
禁用 APM（CONFIG_APM=n；在某些硬件上会产生问题 - 在 x86_64 中为默认配置）

If you truly want a slim system, we suggest you go your own way and deploy one with static /devs. You should, however, set your CPU architecture. Selecting "Core 2 Duo" for appropriate hardware will allow for a good deal of optimisation, but not so much as you go down the scale.

（实时）内核的常见问题：

超线程（如果怀疑是它导致的问题，可以在 UEFI 设置中将其禁用）

小技巧[编辑 | 编辑源代码]

在录制时禁用 WiFi，并关闭如浏览器等不需要的应用。很多人报告称禁用 WiFi 可提高 JACK 的性能稳定性。

有些 USB 音频硬件在 USB 3 接口下工作会出现问题，在该情况下请尝试 USB 2/1 接口。

IRQ 有可能会导致问题出现。举个例子，如果显示硬件占用了总线，就会导致系统 I/O 路径被不必要地中断。具体内容请参考 FFADO IRQ Priorities How-To^{[失效链接 2024-07-30 ⓘ]}。如果你在使用实时或较新的内核，那可以使用 rtirq^包来调整 IRQ 处理线程的优先级。

不要或谨慎使用 irqbalance 守护进程 [4]。

如果你要在 JACK 2 上使用多个音频设备，alsa_in 和 alsa_out 可将额外设备涵盖在一起，并在 JACK 接线面板上作为多个输出显示。

有些（守护）进程会导致 xruns 出现。如果你不需要该进程，直接杀掉就行，无需多问。

$ ls /var/run/daemons
$ top # or htop, ps aux, whatever you are comfortable with
$ killall -9 $processname
# systemctl stop $daemonname

如果你碰到了大量 xruns 问题，尤其是使用了 nvidia^包的情况下，请禁用 GPU 节流。这一步可通过显卡控制面板或英伟达的“prefer maximum performance”选项（感谢 Frank Kober 在 LAU 发布的文章 [5]）解决。

你可能会想进一步了解 ALSA：https://www.volkerschatz.com/noise/alsa.html

软件[编辑 | 编辑源代码]

Arch Linux 提供了 pro-audio^包组软件包组，其中包含了所有（准）专业音频相关应用。pro-audio 包组中的软件都属于 JACK 客户端，另外 lv2-plugins^包组，ladspa-plugins^包组，dssi-plugins^包组，vst-plugins^包组和 clap-plugins^包组也是 pro-audio 的子包组。