LTspice音频WAV文件：使用立体声和加密语音消息

LTspice Audio WAV Files: Using Stereo and Encrypting Voice Messages

作者：ADI公司   Simon Bramble，高级现场应用工程师

提问：能否通过LTspice音频WAV文件利用立体声数据和加密语音消息？

回答：假如音乐是爱情的食粮，那么就仿真吧。

本非常见问题解释如何使用LTspice音频WAV文件生成立体声语法（以及更高的通道计数）。

LTspice可用于生成WAV文件作为电路仿真的输出，也可用于导入WAV文件来激励电路仿真。大量文档记载单声道WAV文件可用作LTspice中的输入，而LTspice可用于生成WAV输出。本文详细说明如何使用LTspice音频WAV文件生成不太为人所知的立体声语法（以及更高的通道计数）。

LTspice拥有许多超级功能，但它处理音频文件的能力是令人印象较深刻的功能之一。虽然在计算机屏幕上看到逼真的电路令人着迷，但是创建一个可以在LTspice之外播放的声音文件则能够让工程师以另一种感测方式来评估仿真。使用单声道 LTspice音频WAV文件的相关文档非常完备。本文对立体声（或更多通道）展开讨论，并说明如何从LTspice音频WAV文件导出立体声数据，以及如何将立体声数据导入LTspice音频WAV文件。它还阐述了WAV文件的一些使用技巧和诀窍，使读者能够进一步利用WAV文件。

生成立体声WAV文件

首先，从单声道信号生成立体声波形文件。图1显示的电路生成1 V、1 kHz正弦波，并将其分成两个通道，从而在两个通道之间交替传输信号——在CH1和CH2之间以2秒间隔切换1 kHz信号音。


图1.在本仿真中，在CH1和CH2之间以2秒间隔切换1 kHz正弦波。生成的两通道信号导出到一个音频WAV文件中。

命令.wave “C:\export.wav” 16 44.1k V(CH1) V(CH2)以16位分辨率对每个通道进行数字化处理，以44.1 kSPS速率进行采样，并将生成的音频数据存储在C:\export.wav中。在上述命令中，在采样速率之后列出的每个信号在WAV文件中都生成自己的通道数据。LTspice可在单个LTspice音频WAV文件中存储多达65,535个通道——只需根据需要将信号附加到上述命令即可。

默认情况下，LTspice的.wave命令将列出的第一个通道数据另存为左音频通道，将列出的第二个通道数据另存为右音频通道。在这种情况下，当通过媒体播放器播放export.wav时，无论电路节点命令规则如何，CH1都将被读取为左通道，CH2将被读取为右通道。请注意，默认情况下，CH1和CH2在.wav文件中分别存储为通道0和通道1，这对于读取下面讨论的文件至关重要。

导出的这个立体声音频文件可用于激励图2所示的另一个电路，该电路使用export.wav中的两个通道，作为信号输入。


图2.export.wav中的两个立体声通道用于激励两个独立电路。

电压源V1和V2照常放置，然后按住CTRL键并右键单击每个电压源，显示元件属性编辑器（如图3所示），来分配export.wav中的电压信号。


图3.export.wav中的立体声信号用作图2电路的输入。这是V1的分配，值设置为从export.wav中拉出通道0。

如上所述，首次生成LTspice音频WAV文件时，多达65,535个通道可数字化为一个WAV文件——只需在.wave命令的末尾附加任意多个通道即可。记住，默认情况下，LTspice将第一个通道命名为通道0，将下一个通道命名为通道1，以此类推。在这种情况下，由图1仿真生成的export.wav将电压V(CH1)存储为通道0，将V(CH2)存储为通道1。要使用电压源播放这些通道，请在该电压源的值行中指定.wav文件和通道。这种情况下：

u        要指示V1回放图1的V(CH1)：wavefile=“C:\export.wav” chan=0
u        要指示V2回放图1的V(CH2)：wavefile=“C:\export.wav” chan=1

音频分离

从理论上讲，通过媒体播放器播放export.wav应在完全通过左扬声器（或耳机）播放1 kHz信号音2秒钟和通过右扬声器播放2秒钟之间切换。尽管如此，仍然无法保证立体声完全分离，这取决于播放过程中使用的媒体播放器的质量。

通过笔记本电脑播放export.wav显示，在示波器上测量时约30%的左通道出现在右通道上，如图4所示。


图4.左（黄色）通道显示，在笔记本电脑上播放时约30%馈入右（蓝色）通道。

在（2000年时代）手机上播放相同的文件会得到一个更加分离的结果，显示没有可感知的串扰，但是在最大音量下会有轻微的失真，如图5所示。


图5.2000年的手机显示没有串扰，但在最大音量下会失真。

在后来2018年时代的手机上重复这个实验，结果显示没有可感知的串扰，但有一个完整的1 V峰值信号和很小的失真，如图6所示。请注意，所绘示波器曲线图的灵敏度为500 mV/div。


图6.后来一代手机在串扰、失真和振幅方面表现出更好的性能。

在所有三个平台上使用相同的文件，结果显示LTspice可以生成能够完全分离的WAV文件，但最终的回放在很大程度上取决于播放器音频级的质量。

语音加密

图7中的电路显示了语音加密的基本方法，就是使用随机数序列加密音频信号，然后解密。


图7.使用随机电压源加密/解密音频文件。

文件voice.wav包含原始音频。Excel电子表格用于生成变化周期为100 μs的随机数序列。结果复制到名为random.txt的文本文件中。random.txt的摘录如图8所示。


图8.使用Excel生成并保存到文本文件中的随机电压。

该文件用于使用LTspice中的分段线性(PWL)电压源 生成随机变化的电压V(RAND)。

使用行为电压源B1将V(RAND)添加到语音信号中。然后将输出乘以V(RAND)，并将结果发送到encrypt.wav文件。收听encrypt.wav发现，原始音频几乎无法感知。

图9显示了LTspice图窗口的原始语音、加密语音和解密语音信号。


图9.原始、加密和解密语音信号的输出。

然后使用第二个行为电压源解密原始音频信号，并将结果发送到decrypt.wav文件。

从差分电压源生成WAV文件

.wave命令的语法不允许数字化差分电压。但是，使用行为电压源（B1）可轻松解决此问题，如图10所示。


图10.从差分电压创建WAV文件。

行为电压源（B1）输出电压等于V(OUT1) – V(OUT2)，这可以按常用方式在.wave命令中使用，如图所示。

事实上，行为电压源函数中的变量可以包括电路中的任何电压或电流，并且可以使用LTspice的任何数学函数控制这些变量。然后，可以通过正常方式将最终结果导出到LTspice音频WAV文件。

LTspice是一个功能强大的仿真器，但其仿真结果不必包含在LTspice内。使用.wave命令，LTspice可以导入、操作和导出音频文件，以便在媒体播放器上播放。

作者简介

Simon Bramble于1991年毕业于伦敦布鲁内尔大学，拥有电气工程和电子学学位，专门从事模拟电子器件和电源工作。他的职业生涯主要从事模拟电子器件工作，就职于凌力尔特（现为ADI公司的一部分）。联系方式：simon.bramble@analog.com。