LTspice音頻WAV文件：使用立體聲和加密語音消息

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(jì)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(dǎo)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(xì)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(jì)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(jì)算機(jī)屏幕上看到逼真的電路令人著迷，但是創(chuàng)建一個(gè)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(dǎo)出立體聲數(shù)據(jù)，以及如何將立體聲數(shù)據(jù)導(dǎo)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(jìn)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(gè)通道，從而在兩個(gè)通道之間交替?zhèn)鬏斝盘枴贑H1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(dǎo)出到一個(gè)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(gè)通道進(jìn)行數(shù)字化處理，以44.1 kSPS速率進(jìn)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(gè)信號在WAV文件中都生成自己的通道數(shù)據(jù)。LTspice可在單個(gè)LTspice音頻WAV文件中存儲多達(dá)65,535個(gè)通道——只需根據(jù)需要將信號附加到上述命令即可。

默認(rèn)情況下，LTspice的.wave命令將列出的第一個(gè)通道數(shù)據(jù)另存為左音頻通道，將列出的第二個(gè)通道數(shù)據(jù)另存為右音頻通道。在這種情況下，當(dāng)通過媒體播放器播放export.wav時(shí)，無論電路節(jié)點(diǎn)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(rèn)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(dǎo)出的這個(gè)立體聲音頻文件可用于激勵圖2所示的另一個(gè)電路，該電路使用export.wav中的兩個(gè)通道，作為信號輸入。

圖2.export.wav中的兩個(gè)立體聲通道用于激勵兩個(gè)獨(dú)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(gè)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(shí)，多達(dá)65,535個(gè)通道可數(shù)字化為一個(gè)WAV文件——只需在.wave命令的末尾附加任意多個(gè)通道即可。記住，默認(rèn)情況下，LTspice將第一個(gè)通道命名為通道0，將下一個(gè)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?jiān)谠撾妷涸吹闹敌兄兄付?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(yīng)在完全通過左揚(yáng)聲器(或耳機(jī))播放1 kHz信號音2秒鐘和通過右揚(yáng)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(shí)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(shí)約30%饋入右(藍(lán)色)通道。

在(2000年時(shí)代)手機(jī)上播放相同的文件會得到一個(gè)更加分離的結(jié)果，顯示沒有可感知的串?dāng)_，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(jī)顯示沒有串?dāng)_，但在最大音量下會失真。

在后來2018年時(shí)代的手機(jī)上重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示沒有可感知的串?dāng)_，但有一個(gè)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(jī)在串?dāng)_、失真和振幅方面表現(xiàn)出更好的性能。

在所有三個(gè)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(jī)數(shù)序列加密音頻信號，然后解密。

圖7.使用隨機(jī)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(jī)數(shù)序列。結(jié)果復(fù)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(jī)電壓。

該文件用于使用LTspice中的分段線性(PWL)電壓源 生成隨機(jī)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(gè)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(shí)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(xué)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(dǎo)出到LTspice音頻WAV文件。

LTspice是一個(gè)功能強(qiáng)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(dǎo)入、操作和導(dǎo)出音頻文件，以便在媒體播放器上播放。