提問：能否通過LTspice音頻WAV文件利用立體聲數(shù)據(jù)和加密語音消息？

 

回答：假如音樂是愛情的食糧，那么就仿真吧。

 

本非常見問題解釋如何使用LTspice®音頻WAV文件生成立體聲語法（以及更高的通道計數(shù)）。

 

LTspice可用于生成WAV文件作為電路仿真的輸出，也可用于導入WAV文件來激勵電路仿真。大量文檔記載單聲道WAV文件可用作LTspice中的輸入，而LTspice可用于生成WAV輸出。本文詳細說明如何使用LTspice音頻WAV文件生成不太為人所知的立體聲語法（以及更高的通道計數(shù)）。

 

LTspice擁有許多超級功能，但它處理音頻文件的能力是令人印象較深刻的功能之一。雖然在計算機屏幕上看到逼真的電路令人著迷，但是創(chuàng)建一個可以在LTspice之外播放的聲音文件則能夠讓工程師以另一種感測方式來評估仿真。使用單聲道 LTspice音頻WAV文件的相關(guān)文檔非常完備。本文對立體聲（或更多通道）展開討論，并說明如何從LTspice音頻WAV文件導出立體聲數(shù)據(jù)，以及如何將立體聲數(shù)據(jù)導入LTspice音頻WAV文件。它還闡述了WAV文件的一些使用技巧和訣竅，使讀者能夠進一步利用WAV文件。

 

生成立體聲WAV文件

 

首先，從單聲道信號生成立體聲波形文件。圖1顯示的電路生成1 V、1 kHz正弦波，并將其分成兩個通道，從而在兩個通道之間交替?zhèn)鬏斝盘?mdash;—在CH1和CH2之間以2秒間隔切換1 kHz信號音。

 

 

圖1.在本仿真中，在CH1和CH2之間以2秒間隔切換1 kHz正弦波。生成的兩通道信號導出到一個音頻WAV文件中。

 

命令.wave “C:export.wav” 16 44.1k V(CH1) V(CH2)以16位分辨率對每個通道進行數(shù)字化處理，以44.1 kSPS速率進行采樣，并將生成的音頻數(shù)據(jù)存儲在C:export.wav中。在上述命令中，在采樣速率之后列出的每個信號在WAV文件中都生成自己的通道數(shù)據(jù)。LTspice可在單個LTspice音頻WAV文件中存儲多達65,535個通道——只需根據(jù)需要將信號附加到上述命令即可。

 

默認情況下，LTspice的.wave命令將列出的第一個通道數(shù)據(jù)另存為左音頻通道，將列出的第二個通道數(shù)據(jù)另存為右音頻通道。在這種情況下，當通過媒體播放器播放export.wav時，無論電路節(jié)點命令規(guī)則如何，CH1都將被讀取為左通道，CH2將被讀取為右通道。請注意，默認情況下，CH1和CH2在.wav文件中分別存儲為通道0和通道1，這對于讀取下面討論的文件至關(guān)重要。

 

導出的這個立體聲音頻文件可用于激勵圖2所示的另一個電路，該電路使用export.wav中的兩個通道，作為信號輸入。

 

圖2.export.wav中的兩個立體聲通道用于激勵兩個獨立電路。

 

電壓源V1和V2照常放置，然后按住CTRL鍵并右鍵單擊每個電壓源，顯示元件屬性編輯器（如圖3所示），來分配export.wav中的電壓信號。

 

圖3.export.wav中的立體聲信號用作圖2電路的輸入。這是V1的分配，值設(shè)置為從export.wav中拉出通道0。

 

如上所述，首次生成LTspice音頻WAV文件時，多達65,535個通道可數(shù)字化為一個WAV文件——只需在.wave命令的末尾附加任意多個通道即可。記住，默認情況下，LTspice將第一個通道命名為通道0，將下一個通道命名為通道1，以此類推。在這種情況下，由圖1仿真生成的export.wav將電壓V(CH1)存儲為通道0，將V(CH2)存儲為通道1。要使用電壓源播放這些通道，請在該電壓源的值行中指定.wav文件和通道。這種情況下：

 

● 要指示V1回放圖1的V(CH1)：wavefile=“C:export.wav” chan=0

● 要指示V2回放圖1的V(CH2)：wavefile=“C:export.wav” chan=1

 

音頻分離

 

從理論上講，通過媒體播放器播放export.wav應在完全通過左揚聲器（或耳機）播放1 kHz信號音2秒鐘和通過右揚聲器播放2秒鐘之間切換。盡管如此，仍然無法保證立體聲完全分離，這取決于播放過程中使用的媒體播放器的質(zhì)量。

 

通過筆記本電腦播放export.wav顯示，在示波器上測量時約30%的左通道出現(xiàn)在右通道上，如圖4所示。

 

圖4.左（黃色）通道顯示，在筆記本電腦上播放時約30%饋入右（藍色）通道。

 

在（2000年時代）手機上播放相同的文件會得到一個更加分離的結(jié)果，顯示沒有可感知的串擾，但是在最大音量下會有輕微的失真，如圖5所示。

 

圖5.2000年的手機顯示沒有串擾，但在最大音量下會失真。

 

在后來2018年時代的手機上重復這個實驗，結(jié)果顯示沒有可感知的串擾，但有一個完整的1 V峰值信號和很小的失真，如圖6所示。請注意，所繪示波器曲線圖的靈敏度為500 mV/div。

 

圖6.后來一代手機在串擾、失真和振幅方面表現(xiàn)出更好的性能。

 

在所有三個平臺上使用相同的文件，結(jié)果顯示LTspice可以生成能夠完全分離的WAV文件，但最終的回放在很大程度上取決于播放器音頻級的質(zhì)量。

 

語音加密

 

圖7中的電路顯示了語音加密的基本方法，就是使用隨機數(shù)序列加密音頻信號，然后解密。

 

圖7.使用隨機電壓源加密/解密音頻文件。

 

文件voice.wav包含原始音頻。Excel電子表格用于生成變化周期為100 µs的隨機數(shù)序列。結(jié)果復制到名為random.txt的文本文件中。random.txt的摘錄如圖8所示。

 

圖8.使用Excel生成并保存到文本文件中的隨機電壓。

 

該文件用于使用LTspice中的分段線性(PWL)電壓源 生成隨機變化的電壓V(RAND)。

 

使用行為電壓源B1將V(RAND)添加到語音信號中。然后將輸出乘以V(RAND)，并將結(jié)果發(fā)送到encrypt.wav文件。收聽encrypt.wav發(fā)現(xiàn)，原始音頻幾乎無法感知。

 

圖9顯示了LTspice圖窗口的原始語音、加密語音和解密語音信號。

 

圖9.原始、加密和解密語音信號的輸出。

 

然后使用第二個行為電壓源解密原始音頻信號，并將結(jié)果發(fā)送到decrypt.wav文件。

 

從差分電壓源生成WAV文件

 

.wave命令的語法不允許數(shù)字化差分電壓。但是，使用行為電壓源（B1）可輕松解決此問題，如圖10所示。

 

圖10.從差分電壓創(chuàng)建WAV文件。

 

行為電壓源（B1）輸出電壓等于V(OUT1) – V(OUT2)，這可以按常用方式在.wave命令中使用，如圖所示。

 

事實上，行為電壓源函數(shù)中的變量可以包括電路中的任何電壓或電流，并且可以使用LTspice的任何數(shù)學函數(shù)控制這些變量。然后，可以通過正常方式將最終結(jié)果導出到LTspice音頻WAV文件。

 

LTspice是一個功能強大的仿真器，但其仿真結(jié)果不必包含在LTspice內(nèi)。使用.wave命令，LTspice可以導入、操作和導出音頻文件，以便在媒體播放器上播放。

 

作者簡介

 

Simon Bramble于1991年畢業(yè)于倫敦布魯內(nèi)爾大學，擁有電氣工程和電子學學位，專門從事模擬電子器件和電源工作。他的職業(yè)生涯主要從事模擬電子器件工作，就職于凌力爾特（現(xiàn)為ADI公司的一部分）。聯(lián)系方式：simon.bramble@analog.com。

 

 

推薦閱讀：