提高開發(fā)效率和質(zhì)量?用SPICE仿真音效

　　我在網(wǎng)上查找音效電路原理圖時(shí)想到，如果能在出圖前先用通用模擬電路仿真器(SPICE)進(jìn)行模擬檢驗(yàn)，可能會(huì)提高開發(fā)效率和質(zhì)量。但由于任何電子模擬器都無法讀取并輸出音頻文件，所以我用Pythons波形模塊編寫程序，實(shí)現(xiàn)讀取波形文件并且輸出一段時(shí)間--電壓點(diǎn)的序列。Ngspice的文件源裝置能夠讀取這一大串點(diǎn)序列，并輸出和音頻信號(hào)相匹配的電壓波形，之后作為效果電路的輸入。

　　為了能聽到輸出音頻，還需另外一個(gè)程序?qū)⑤敵龈欈D(zhuǎn)換成波形文件，這里我還是借助于這個(gè)Pythons波形模塊來實(shí)現(xiàn)。

　　畸變效應(yīng)

過載效果器250

　　過載效果器250是最簡單的畸變效應(yīng)之一，以吉他效果而廣為人知。原理圖如圖所示。工作原理很簡單，首先需要一個(gè)交流耦合電容和偏置電路，因?yàn)楣╇姴捎脝蜗螂妷骸?/p>

　　運(yùn)算放大器被用作非反相放大器放大微弱的輸入信號(hào)。R5電位計(jì)控制增益。輸出位置有另外一個(gè)交流耦合電容器和兩個(gè)削波信號(hào)二極管。信號(hào)幅值越大，二極管的削波和畸變就越明顯。

　　測試音頻信號(hào)是一段純凈的吉他聲響，來源于用戶Khoon命名的freesound.org組織，沒有專利許可費(fèi)用，從根本上說這個(gè)屬于公用的。

　　首先是經(jīng)過500千歐R5電阻輸出較為緩和的畸變?？紤]到運(yùn)算放大器的放大效應(yīng)，輸入幅值的選擇尤為重要。這段錄音中輸入幅值為10 毫伏。從波形上我們發(fā)現(xiàn)，削波作用相當(dāng)明顯，因此在播放前需要檢查輸出音量。

　　如下圖所示，逐漸減小R5的阻值會(huì)提高增益和畸變：

　　音頻編輯器顯示的失真的頻譜效應(yīng)：

原始純凈吉他聲信號(hào)頻譜

刺耳畸變信號(hào)頻譜

　　以上分別是原始純凈吉他聲信號(hào)和刺耳畸變信號(hào)的頻譜，區(qū)別不是很明顯。一些低頻信號(hào)被交流耦合電容器過濾，由于畸變新增了高頻信號(hào)。能量增加超出了整個(gè)帶寬，但這只是SPICE到wav格式聲音文件轉(zhuǎn)換過程中的過渡表象。為了避免削波，這里選擇最大信號(hào)增益來獲取最大樣本值，從而改變信號(hào)音量。

　　實(shí)際電路與之相比略有不同，不過這種模擬本身仍然很能說明問題。

　　在所需時(shí)間上，仿真與實(shí)際存在差別。在44100赫茲的采樣頻率下，大約需要5秒來仿真1秒的音頻文件。如需要長時(shí)間的仿真并記錄數(shù)據(jù)，可以使用SPICE聲明記錄下輸出波形。

　　模糊效應(yīng)

模糊電路

　　第二部分為模糊電路，除了運(yùn)算放大器部分被分立晶體管所取代外，其余與之前的失真電路非常相似。

　　輸入電壓幅值對這部分電路的輸出影響也很明顯。

　　下面是1毫伏輸入幅值下的仿真結(jié)果：

　　10毫伏輸入幅值仿真結(jié)果為：

　　由于相似的二極管削波結(jié)構(gòu)，其仿真結(jié)果與畸變電路相差不大。

　　二極管削波器

　　二極管削波器的波形比預(yù)想的要平滑得多。當(dāng)然這也取決于信號(hào)電壓和二極管參數(shù)。

用一對1N4148進(jìn)行削波之后的1V 400Hz信號(hào)仿真

二極管削波之后的正弦波頻譜

　　但即便如此，這個(gè)相對平滑的削波信號(hào)也包含許多高頻諧波。

　　源碼

　　源碼參見這里：

　　README

　　SPICE audio tools

　　This repository has two programs for importing wav file to SPICE and

　　exporting the output as a wav file.

　　1. wavtospice.py

　　- This tool converts a wav file with a list of values, which can be read

　　using ngspices file source. If wav file has multiple channels only the values

　　of the first channel are returned.

　　- Usage: python wavtospice.py

　　- Ngspice must have been compiled with xspice support. File source can be used

　　like follows:

　　a1 %v([in]) filesrc

　　.model filesrc filesource (file="values" amploffset=[0] amplscale=[1]

　　+ timeoffset=0 timescale=1

　　+ timerelative=false amplstep=false)

　　See ngspice manual for possible options.

　　2. spicetowav.py

　　- This tool converts ngspice output to wav file. Compatibility with other

　　simulators is untested.

　　- Simulation must be setup to print the output values.

　　Run the ngspice in batch mode using the command line flag -b and direct

　　output to a file.

　　- Usage: python spicetowav.py

[clipping voltage].

　　Clipping voltage is optional and if it's unspecified wav is written

　　with maximum amplitude such that clipping doesn't occur.

　　# Example

　　Following commands can be used to get output from lowpass filter example file

　　when run on Linux:

　　$ python wavtospice.py file.wav inputvalues

　　$ ngspice -b examples/lowpass.cir > spice_output

　　$ python spicetowav.py spice_output output.wav