ESP32外接DAC输出音频时出现周期性噪声问题排查

问题背景 #

使用ESP32开发板（PlatformIO + Arduino IDE）制作变声设备，硬件组成：外接麦克风→ESP32内置ADC（通过I2S协议处理音频）→PCM5102 DAC（I2S协议输出）。系统可正常启动，但运行约1分钟后出现渐强刺耳噪声（衰减时长约3秒），之后每5秒周期性重复该噪声，怀疑ADC或DAC配置错误。

硬件连接 #

采用面包板连接：

代码实现 #

#include <driver/i2s.h>

#define I2S_SAMPLE_RATE     100000
#define I2S_DMA_BUF_LEN     1024

#define ADC_INPUT           ADC1_CHANNEL_4 //pin 32

#define I2S_DATA_PIN        GPIO_NUM_22 // DIN
#define I2S_LRCK_PIN        GPIO_NUM_25 // LCK
#define I2S_BCLK_PIN        GPIO_NUM_26 // BCK


/*
 * Configure ADC.
 */
void i2sInputInit() {
    i2s_config_t i2s_config = {
            .mode = (i2s_mode_t) (I2S_MODE_MASTER | I2S_MODE_RX | I2S_MODE_ADC_BUILT_IN),
            .sample_rate =  I2S_SAMPLE_RATE,              // The format of the signal using ADC_BUILT_IN
            .bits_per_sample = I2S_BITS_PER_SAMPLE_16BIT, // is fixed at 12bit, stereo, MSB
            .channel_format = I2S_CHANNEL_FMT_RIGHT_LEFT,
            .communication_format = I2S_COMM_FORMAT_STAND_I2S,
            .intr_alloc_flags = ESP_INTR_FLAG_LEVEL1,
            .dma_buf_count = 2048,
            .dma_buf_len = I2S_DMA_BUF_LEN,
            .use_apll = true,
            .tx_desc_auto_clear = true,
            .fixed_mclk = 0
    };

    i2s_driver_install(I2S_NUM_0, &i2s_config, 0, NULL);
    i2s_set_adc_mode(ADC_UNIT_1, ADC_INPUT);
//    i2s_adc_enable(I2S_NUM_0);
//    adc1_config_channel_atten(ADC_INPUT, ADC_ATTEN_DB_11);
}


/*
 * Configure DAC.
 */
void i2sOutputInit() {

    // Initialize I2S
    i2s_config_t i2s_config = {
            .mode = (i2s_mode_t) (I2S_MODE_MASTER | I2S_MODE_TX),
            .sample_rate = I2S_SAMPLE_RATE,
            .bits_per_sample = I2S_BITS_PER_SAMPLE_16BIT,
            .channel_format = I2S_CHANNEL_FMT_RIGHT_LEFT,
            .communication_format = I2S_COMM_FORMAT_STAND_I2S,
            .intr_alloc_flags = ESP_INTR_FLAG_LEVEL1,
            .dma_buf_count = 2048,
            .dma_buf_len = I2S_DMA_BUF_LEN,
            .use_apll = false,
            .tx_desc_auto_clear = true,
            .fixed_mclk = 0
    };
    i2s_driver_install(I2S_NUM_1, &i2s_config, 0, NULL);

    // Configure I2S pins
    i2s_pin_config_t pin_config = {
            .bck_io_num = I2S_BCLK_PIN,
            .ws_io_num = I2S_LRCK_PIN,
            .data_out_num = I2S_DATA_PIN,
            .data_in_num = I2S_PIN_NO_CHANGE,
    };
    i2s_set_pin(I2S_NUM_1, &pin_config);
}


void setup() {
    Serial.begin(115200);
    i2sInputInit();
    i2sOutputInit();
}


void loop() {
    size_t bytes_read;
    size_t bytes_written;

    int *int_buffer = (int *) malloc(I2S_DMA_BUF_LEN * sizeof(int));
    i2s_read(I2S_NUM_0, int_buffer, I2S_DMA_BUF_LEN * sizeof(int), &bytes_read, portMAX_DELAY);
    applyEffect(int_buffer);
    i2s_write(I2S_NUM_1, int_buffer, I2S_DMA_BUF_LEN * sizeof(int), &bytes_written, portMAX_DELAY);
    free(int_buffer);
}

可能的问题排查方向 #

1. ADC关键配置缺失 #

代码中注释掉了两项核心配置：

• adc1_config_channel_atten(ADC_INPUT, ADC_ATTEN_DB_11)：未配置ADC通道衰减，麦克风输入信号可能超出ADC量程，长时间运行后信号饱和或漂移，引发噪声。
• i2s_adc_enable(I2S_NUM_0)：未启用I2S ADC模式，模块初始化不完全，运行中易出现异常。

2. I2S时钟不同步 #

输入I2S（ADC侧）开启use_apll = true，输出I2S（DAC侧）设置use_apll = false，两个外设使用不同时钟源，长时间运行会出现时钟漂移，导致音频数据错位，产生周期性噪声。建议统一使用APLL时钟，或配置固定MCLK保证同步。

3. DMA缓冲区参数不合理 #

dma_buf_count = 2048设置过大，ESP32 DMA资源有限，超大缓冲区会占用大量内存，引发内存碎片化或分配失败，导致音频处理异常。建议将dma_buf_count调整为8~32的合理范围。

4. 动态内存分配引发碎片 #

loop中每次循环都执行malloc和free，长时间运行会产生内存碎片，导致内存分配失败，缓冲区出现垃圾数据，输出噪声。建议将缓冲区改为全局变量或静态变量，避免频繁动态分配。

5. 硬件连接稳定性 #

面包板连接易出现接触不良，长时间运行后引脚松动会引入信号干扰。检查麦克风、PCM5102与ESP32的电源、地线及I2S信号线连接，确保接触可靠。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Kenion