數(shù)字通信:用方波傳輸信息

吳俊杰

信息技術(shù)實驗

我們之前使用音頻編碼的方法，類似于最原始的電報，用二進制的形式傳播了一段信息，但是像圖1這種波動狀的模擬聲音信號，已經(jīng)很少使用了，原因是其判斷閾值不穩(wěn)定，時間發(fā)送間隔也不穩(wěn)定。目前更多地是使用圖2這種方形的信號來傳輸信息，稱之為方波，使用方波的好處很明顯，它能夠非常明顯的確定閾值。

圖1 圖2

由于Scratch內(nèi)置音效庫中的聲音都是模擬狀態(tài)的音效，其音量值非常不穩(wěn)定。為了得到一段音量很穩(wěn)定的音頻信號，我們用goldwave的f(x)工具函數(shù)生成一段音量值穩(wěn)定的聲音。如圖3所示，該聲音為1分鐘的撥號音0，并且將它存儲成wav格式，導(dǎo)入到Scratch中。

使用雙頭耳機延長線將耳機插孔和麥克風(fēng)插孔連接起來，播放這段音頻，將音頻輸出直接變?yōu)橐纛l輸入，我們能夠看到一個非常穩(wěn)定的音量值。使用上移鍵和下移鍵可以調(diào)整音量值的大小（如圖4），使得麥克風(fēng)接收到的音量值也相應(yīng)改變，但仍然是一個非常穩(wěn)定的數(shù)值，穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系是信息技術(shù)實驗的基礎(chǔ)。

通過實驗我們發(fā)現(xiàn)，將音量設(shè)定為0時，麥克風(fēng)偵測的數(shù)值為0；音量值設(shè)定為90以上時，音量值為100，而且通過調(diào)整圖5中變量n1的數(shù)值可以任意的調(diào)節(jié)麥克風(fēng)傳感器接收到的音量值。這就使得我們可以用一個程序不斷的調(diào)整輸出音量值，進而得到方波圖像。

在下頁圖6中，這種方波圖像非常明顯的顯示出來，每間隔一秒，音量值由0升到100。因此，我們編寫程序時，只需要判定當(dāng)前的數(shù)值是不是100，就可以確定當(dāng)前的狀態(tài)是0還是1，這樣就大大的提高了信息傳播的準(zhǔn)確性。

這樣，我們間隔1秒測定一下音量的狀態(tài)，只需要測定每個采樣點的音量值，即可將0和1的解碼結(jié)果存儲在鏈表中（如下頁圖7）。

程序中的“直到音量值=100之前都等待著”相當(dāng)于一個對時代碼，讓方波發(fā)送程序和音量解碼程序保持一致。當(dāng)信息的發(fā)送端和接收端不是一臺電腦時，使用方波來發(fā)送信息，一定要保證發(fā)送端和接收端始終同步，由于使用方波發(fā)送信息時，每一條信息的持續(xù)時間都相同，因此同步信源和信宿的時鐘對于方波發(fā)送信息至關(guān)重要。方波每個信號的持續(xù)時間我們可以用一個變量n2控制。n2的單位是毫秒，在變量n2上點擊右鍵，修改n2的變化范圍為0～1000（如圖8），因此n2/1000可以控制0-1秒內(nèi)的方波每個信號的持續(xù)時間。

用圖9的程序我們可以調(diào)整方波的持續(xù)時間，讓它能夠更快地傳輸信息。

但是在實驗的過程中我們發(fā)現(xiàn)方波的時間間隔并不穩(wěn)定，到了一段時間之后，采樣點和方波圖像出現(xiàn)了明顯的錯位，這樣會影響信息傳播的準(zhǔn)確性（如圖10）。

為了解決這個問題，在通訊的過程中需要多次對時，分包發(fā)送，每個包的信息容量和發(fā)包的速度影響著信道的傳輸速率，這種對發(fā)包信息容量和發(fā)包時間間隔等基本參數(shù)的一系列規(guī)定，我們稱之為通訊協(xié)議，就像手機上網(wǎng)從2G到3G再到目前的4G一樣，我們感受到的是信息通訊速度的提升，而通過信息技術(shù)試驗，則可以從原理的層面體會這種提升是如何做到的，以及如何做到更快的通訊速度和準(zhǔn)確度。

我們將通訊領(lǐng)域一些實驗的成果匯報給我國著名的信息論專家、北京郵電大學(xué)的鐘義信教授之后，他提出了一些真知灼見:“就信息論的核心內(nèi)容而言，主要有如下三個方面：①信息源X產(chǎn)生信息的能力，稱為信源的熵H(X)；②信道傳遞信息的能力，稱為信道容量C；③通過操作實現(xiàn)信源熵與信道容量的匹配，稱為編碼。其中，第③項內(nèi)容是通信理論與技術(shù)一直在研究的內(nèi)容和追求的目標(biāo)。如果用簡明生動的方法把這三個概念讓學(xué)生理解，他們就算抓住了信息與通信學(xué)科的要害和實質(zhì)……”這是信息論專家對我們已有工作的肯定，也鼓勵著我們繼續(xù)在信息技術(shù)實驗的道路上走下去，信息與通訊的核心概念，將是信息技術(shù)學(xué)教學(xué)中，每個學(xué)生都要掌握的基礎(chǔ)概念，而只有通過實驗的方法，才能讓這些概念得以落實。

endprint

信息技術(shù)實驗

我們之前使用音頻編碼的方法，類似于最原始的電報，用二進制的形式傳播了一段信息，但是像圖1這種波動狀的模擬聲音信號，已經(jīng)很少使用了，原因是其判斷閾值不穩(wěn)定，時間發(fā)送間隔也不穩(wěn)定。目前更多地是使用圖2這種方形的信號來傳輸信息，稱之為方波，使用方波的好處很明顯，它能夠非常明顯的確定閾值。

圖1 圖2

由于Scratch內(nèi)置音效庫中的聲音都是模擬狀態(tài)的音效，其音量值非常不穩(wěn)定。為了得到一段音量很穩(wěn)定的音頻信號，我們用goldwave的f(x)工具函數(shù)生成一段音量值穩(wěn)定的聲音。如圖3所示，該聲音為1分鐘的撥號音0，并且將它存儲成wav格式，導(dǎo)入到Scratch中。

使用雙頭耳機延長線將耳機插孔和麥克風(fēng)插孔連接起來，播放這段音頻，將音頻輸出直接變?yōu)橐纛l輸入，我們能夠看到一個非常穩(wěn)定的音量值。使用上移鍵和下移鍵可以調(diào)整音量值的大小（如圖4），使得麥克風(fēng)接收到的音量值也相應(yīng)改變，但仍然是一個非常穩(wěn)定的數(shù)值，穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系是信息技術(shù)實驗的基礎(chǔ)。

通過實驗我們發(fā)現(xiàn)，將音量設(shè)定為0時，麥克風(fēng)偵測的數(shù)值為0；音量值設(shè)定為90以上時，音量值為100，而且通過調(diào)整圖5中變量n1的數(shù)值可以任意的調(diào)節(jié)麥克風(fēng)傳感器接收到的音量值。這就使得我們可以用一個程序不斷的調(diào)整輸出音量值，進而得到方波圖像。

在下頁圖6中，這種方波圖像非常明顯的顯示出來，每間隔一秒，音量值由0升到100。因此，我們編寫程序時，只需要判定當(dāng)前的數(shù)值是不是100，就可以確定當(dāng)前的狀態(tài)是0還是1，這樣就大大的提高了信息傳播的準(zhǔn)確性。

這樣，我們間隔1秒測定一下音量的狀態(tài)，只需要測定每個采樣點的音量值，即可將0和1的解碼結(jié)果存儲在鏈表中（如下頁圖7）。

程序中的“直到音量值=100之前都等待著”相當(dāng)于一個對時代碼，讓方波發(fā)送程序和音量解碼程序保持一致。當(dāng)信息的發(fā)送端和接收端不是一臺電腦時，使用方波來發(fā)送信息，一定要保證發(fā)送端和接收端始終同步，由于使用方波發(fā)送信息時，每一條信息的持續(xù)時間都相同，因此同步信源和信宿的時鐘對于方波發(fā)送信息至關(guān)重要。方波每個信號的持續(xù)時間我們可以用一個變量n2控制。n2的單位是毫秒，在變量n2上點擊右鍵，修改n2的變化范圍為0～1000（如圖8），因此n2/1000可以控制0-1秒內(nèi)的方波每個信號的持續(xù)時間。

用圖9的程序我們可以調(diào)整方波的持續(xù)時間，讓它能夠更快地傳輸信息。

但是在實驗的過程中我們發(fā)現(xiàn)方波的時間間隔并不穩(wěn)定，到了一段時間之后，采樣點和方波圖像出現(xiàn)了明顯的錯位，這樣會影響信息傳播的準(zhǔn)確性（如圖10）。

為了解決這個問題，在通訊的過程中需要多次對時，分包發(fā)送，每個包的信息容量和發(fā)包的速度影響著信道的傳輸速率，這種對發(fā)包信息容量和發(fā)包時間間隔等基本參數(shù)的一系列規(guī)定，我們稱之為通訊協(xié)議，就像手機上網(wǎng)從2G到3G再到目前的4G一樣，我們感受到的是信息通訊速度的提升，而通過信息技術(shù)試驗，則可以從原理的層面體會這種提升是如何做到的，以及如何做到更快的通訊速度和準(zhǔn)確度。

我們將通訊領(lǐng)域一些實驗的成果匯報給我國著名的信息論專家、北京郵電大學(xué)的鐘義信教授之后，他提出了一些真知灼見:“就信息論的核心內(nèi)容而言，主要有如下三個方面：①信息源X產(chǎn)生信息的能力，稱為信源的熵H(X)；②信道傳遞信息的能力，稱為信道容量C；③通過操作實現(xiàn)信源熵與信道容量的匹配，稱為編碼。其中，第③項內(nèi)容是通信理論與技術(shù)一直在研究的內(nèi)容和追求的目標(biāo)。如果用簡明生動的方法把這三個概念讓學(xué)生理解，他們就算抓住了信息與通信學(xué)科的要害和實質(zhì)……”這是信息論專家對我們已有工作的肯定，也鼓勵著我們繼續(xù)在信息技術(shù)實驗的道路上走下去，信息與通訊的核心概念，將是信息技術(shù)學(xué)教學(xué)中，每個學(xué)生都要掌握的基礎(chǔ)概念，而只有通過實驗的方法，才能讓這些概念得以落實。

endprint

信息技術(shù)實驗

我們之前使用音頻編碼的方法，類似于最原始的電報，用二進制的形式傳播了一段信息，但是像圖1這種波動狀的模擬聲音信號，已經(jīng)很少使用了，原因是其判斷閾值不穩(wěn)定，時間發(fā)送間隔也不穩(wěn)定。目前更多地是使用圖2這種方形的信號來傳輸信息，稱之為方波，使用方波的好處很明顯，它能夠非常明顯的確定閾值。

圖1 圖2

由于Scratch內(nèi)置音效庫中的聲音都是模擬狀態(tài)的音效，其音量值非常不穩(wěn)定。為了得到一段音量很穩(wěn)定的音頻信號，我們用goldwave的f(x)工具函數(shù)生成一段音量值穩(wěn)定的聲音。如圖3所示，該聲音為1分鐘的撥號音0，并且將它存儲成wav格式，導(dǎo)入到Scratch中。

使用雙頭耳機延長線將耳機插孔和麥克風(fēng)插孔連接起來，播放這段音頻，將音頻輸出直接變?yōu)橐纛l輸入，我們能夠看到一個非常穩(wěn)定的音量值。使用上移鍵和下移鍵可以調(diào)整音量值的大小（如圖4），使得麥克風(fēng)接收到的音量值也相應(yīng)改變，但仍然是一個非常穩(wěn)定的數(shù)值，穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系是信息技術(shù)實驗的基礎(chǔ)。

通過實驗我們發(fā)現(xiàn)，將音量設(shè)定為0時，麥克風(fēng)偵測的數(shù)值為0；音量值設(shè)定為90以上時，音量值為100，而且通過調(diào)整圖5中變量n1的數(shù)值可以任意的調(diào)節(jié)麥克風(fēng)傳感器接收到的音量值。這就使得我們可以用一個程序不斷的調(diào)整輸出音量值，進而得到方波圖像。

在下頁圖6中，這種方波圖像非常明顯的顯示出來，每間隔一秒，音量值由0升到100。因此，我們編寫程序時，只需要判定當(dāng)前的數(shù)值是不是100，就可以確定當(dāng)前的狀態(tài)是0還是1，這樣就大大的提高了信息傳播的準(zhǔn)確性。

這樣，我們間隔1秒測定一下音量的狀態(tài)，只需要測定每個采樣點的音量值，即可將0和1的解碼結(jié)果存儲在鏈表中（如下頁圖7）。

程序中的“直到音量值=100之前都等待著”相當(dāng)于一個對時代碼，讓方波發(fā)送程序和音量解碼程序保持一致。當(dāng)信息的發(fā)送端和接收端不是一臺電腦時，使用方波來發(fā)送信息，一定要保證發(fā)送端和接收端始終同步，由于使用方波發(fā)送信息時，每一條信息的持續(xù)時間都相同，因此同步信源和信宿的時鐘對于方波發(fā)送信息至關(guān)重要。方波每個信號的持續(xù)時間我們可以用一個變量n2控制。n2的單位是毫秒，在變量n2上點擊右鍵，修改n2的變化范圍為0～1000（如圖8），因此n2/1000可以控制0-1秒內(nèi)的方波每個信號的持續(xù)時間。

用圖9的程序我們可以調(diào)整方波的持續(xù)時間，讓它能夠更快地傳輸信息。

但是在實驗的過程中我們發(fā)現(xiàn)方波的時間間隔并不穩(wěn)定，到了一段時間之后，采樣點和方波圖像出現(xiàn)了明顯的錯位，這樣會影響信息傳播的準(zhǔn)確性（如圖10）。

為了解決這個問題，在通訊的過程中需要多次對時，分包發(fā)送，每個包的信息容量和發(fā)包的速度影響著信道的傳輸速率，這種對發(fā)包信息容量和發(fā)包時間間隔等基本參數(shù)的一系列規(guī)定，我們稱之為通訊協(xié)議，就像手機上網(wǎng)從2G到3G再到目前的4G一樣，我們感受到的是信息通訊速度的提升，而通過信息技術(shù)試驗，則可以從原理的層面體會這種提升是如何做到的，以及如何做到更快的通訊速度和準(zhǔn)確度。

我們將通訊領(lǐng)域一些實驗的成果匯報給我國著名的信息論專家、北京郵電大學(xué)的鐘義信教授之后，他提出了一些真知灼見:“就信息論的核心內(nèi)容而言，主要有如下三個方面：①信息源X產(chǎn)生信息的能力，稱為信源的熵H(X)；②信道傳遞信息的能力，稱為信道容量C；③通過操作實現(xiàn)信源熵與信道容量的匹配，稱為編碼。其中，第③項內(nèi)容是通信理論與技術(shù)一直在研究的內(nèi)容和追求的目標(biāo)。如果用簡明生動的方法把這三個概念讓學(xué)生理解，他們就算抓住了信息與通信學(xué)科的要害和實質(zhì)……”這是信息論專家對我們已有工作的肯定，也鼓勵著我們繼續(xù)在信息技術(shù)實驗的道路上走下去，信息與通訊的核心概念，將是信息技術(shù)學(xué)教學(xué)中，每個學(xué)生都要掌握的基礎(chǔ)概念，而只有通過實驗的方法，才能讓這些概念得以落實。

endprint