LTspice音訊WAV檔：使用身歷聲和加密語音訊息

作者： ADI資深現場應用工程師Simon Bramble

問題：

請問能否透過LTspice音訊WAV檔利用身歷聲資料和加密語音訊息？

RAQ Issue: 175

答案：

如果音樂是愛情的食糧，那麼就模擬吧!

本文將為您解釋如何使用LTspice®音訊WAV檔產生身歷聲語法（以及更高的通道計數）。

LTspice可用於產生WAV檔來作為電路模擬的輸出，也可用於導入WAV檔來激勵電路模擬。有大量的文檔記載了單聲道WAV檔可用作LTspice中的輸入，而LTspice可用於產生WAV輸出。本文將詳細說明如何使用LTspice音訊WAV檔產生不太為人所熟知的身歷聲語法（以及更高的通道計數）。

LTspice擁有許多超級功能，但它處理音訊檔的能力，則是其令人印象較深刻的功能之一。雖然在電腦螢幕上看到逼真的電路令人著迷，但是創建一個可以在LTspice之外播放的音效檔則能夠讓工程師以另一種感測方式來評估模擬。使用 單聲道 LTspice音訊WAV檔 的相關文檔非常完備。本文對身歷聲（或更多通道）將進行詳細討論，並說明如何從LTspice音訊WAV檔匯出身歷聲資料，以及如何將身歷聲資料導入LTspice音訊WAV檔。本文同時也將闡述WAV檔的一些使用技巧和訣竅，使讀者能夠進一步利用WAV檔。

產生身歷聲WAV檔

首先，從單聲道訊號產生身歷聲波形檔。圖1顯示的電路產生1 V、1 kHz正弦波，並將其分成兩個通道，從而在兩個通道之間交替傳輸訊號——在CH1和CH2之間以2秒間隔切換1 kHz訊號音。

 

Figure 1. In this simulation, a 1 kHz sine wave is switched in 2-second intervals between CH1 and CH2. The resulting 2-channel signal is exported to an audio WAV file.
圖1.在本模擬中，在CH1和CH2之間以2秒間隔切換1 kHz正弦波。產生的兩通道訊號匯出到一個音訊WAV檔中。

 

指令.wave "C:\export.wav" 16 44.1k V(CH1) V(CH2)以16位解析度對每個通道進行數位化處理，以44.1 kSPS速率進行採樣，並將產生的音訊資料儲存在C:\export.wav中。在上述指令中，在採樣速率之後列出的每個訊號在WAV檔中都產生自己的通道資料。LTspice可在單個LTspice音訊WAV檔中儲存多達65,535個通道——只需根據需要將訊號附加到上述指令即可。

在預設情況下，LTspice的.wave指令將列出的第一個通道資料另存為左音訊通道，將列出的第二個通道資料另存為右音訊通道。在這種情況下，當透過媒體播放機播放export.wav時，無論電路節點指令規則如何，CH1都將被讀取為左通道，CH2將被讀取為右通道。請注意，在預設情況下，CH1和CH2在.wav檔中分別儲存為通道0和通道1，這對於讀取下面討論的文件非常重要。

匯出的這個身歷聲音訊檔可用於激勵圖2所示的另一個電路，該電路使用export.wav中的兩個通道，作為訊號輸入。

 

Figure 2. The two stereo channels from export.wav are used to stimulate two independent circuits.
圖2.export.wav中的兩個身歷聲通道用於激勵兩個獨立電路。

 

電壓源V1和V2照常放置，然後按住CTRL鍵並按右鍵每個電壓源，顯示元件屬性編輯器（如圖3所示），來分配export.wav中的電壓訊號。

 

Figure 3. Stereo signals from export.wav are used as inputs to the circuit of Figure 2. Here is the assignment for V1, with the value set to pull Channel 0 from export.wav.
圖3.export.wav中的身歷聲訊號用作圖2電路的輸入。這是V1的分配，值設定為從export.wav中拉出通道0。

 

如上所述，首次產生LTspice音訊WAV檔時，多達65,535個通道可數位化為一個WAV檔——只需在.wave指令的末尾附加任意多個通道即可。請記住，在預設情況下，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模擬產生的export.wav將電壓V(CH1) 儲存為通道0，將V(CH2) 儲存為通道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重播圖1的V(CH1): wavefile="C:\export.wav" chan=0
  • 要指示V2重播圖1的V(CH2): wavefile="C:\export.wav" chan=1

音訊分離

從理論上講，透過媒體播放機播放export.wav應在完全透過左揚聲器（或耳機）播放1 kHz訊號音2秒鐘和透過右揚聲器播放2秒鐘之間切換。儘管如此，仍然無法保證身歷聲完全分離，而這取決於播放過程中所使用之媒體播放機的品質。

透過筆記型電腦播放export.wav顯示，在示波器上測量時約30%的左通道出現在右通道上，如圖4所示。

 

Figure 4. The left (yellow) channel shows about 30% feedthrough into the right (blue) channel when played on a laptop.
圖4.左（黃色）通道顯示，在筆記型電腦上播放時約30%饋入右（藍色）通道。

 

在（2000年時代）手機上播放相同的檔會得到一個更加分離的結果，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。

 

Figure 5. The mobile phone handset from year 2000 showed no crosstalk, but distortion at full volume.
圖5.2000年的手機顯示沒有串擾，但在最大音量下會失真。

 

在後來2018年時代的手機上重複這個實驗，結果顯示沒有可感知的串擾，但有一個完整的1 V峰值訊號和很小的失真，如圖6所示。請注意，所繪示波器曲線圖的靈敏度為500 mV/div。

 

Figure 6. A later generation handset showed significantly better performance for crosstalk, distortion, and amplitude.
圖6.後來一代手機在串擾、失真和振幅方面表現出更好的性能。

 

在所有三個平台上使用相同的檔，結果顯示LTspice可以產生能夠完全分離的WAV檔，但最終的重播在很大程度上取決於播放機音訊級的品質。

語音加密

圖7中的電路顯示了語音加密的基本方法，就是使用亂數序列加密音訊訊號，然後解密。

 

Figure 7. Using a random voltage source to encrypt/decrypt an audio file.
圖7.使用隨機電壓源加密/解密音訊檔。

 

文件voice.wav包含原始音訊。Excel試算表用於產生變化週期為100 µs的亂數序列。結果複製到名為random.txt的文字檔中。random.txt的摘錄如圖8所示。

 

Figure 8. Random voltages generated using Excel and saved in a text file.
圖8.使用Excel產生並保存到文字檔中的隨機電壓。

 

該檔用於使用LTspice中的 分段線性(PWL)電壓源 產生隨機變化的電壓V(RAND)。

使用行為電壓源B1將V(RAND)添加到語音訊號中。然後將輸出乘以V(RAND)，並將結果發送到encrypt.wav文件。當收聽encrypt.wav時發現，原始音訊幾乎無法感知。

圖9顯示了LTspice圖視窗的原始語音、加密語音和解密語音訊號。

 

Figure 9. Output of original, encrypted, and decrypted voice signals.
圖9.原始、加密和解密語音訊號的輸出。

 

然後使用第二個行為電壓源解密原始音訊訊號，並將結果發送到decrypt.wav文件。

從差分電壓源產生WAV檔

.wave指令的語法不允許數位化差分電壓。但是，使用行為電壓源（B1）可輕鬆解決此問題，如圖10所示。

 

Figure 10. Creating a WAV file from a differential voltage.
圖10.從差分電壓創建WAV檔。

 

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

事實上，行為電壓源函數中的變數可以包括電路中的任何電壓或電流，並且可以使用LTspice的任何數學函數控制這些變數。然後，可以通過正常方式將最終結果匯出到LTspice音訊WAV檔。

LTspice為一個功能強大的模擬器，但其模擬結果不必包含在LTspice內。使用.wave指令，LTspice可以導入、操作和匯出音訊檔，以便在媒體播放機上播放。