PHP產生以文字為主的摩斯電碼

最近遇到一個基於輸入文字產生摩斯程式碼音訊檔案的需求。幾番搜尋無果之後，我決定自己寫一個生成器。本文主要介紹了PHP實作基於文字的摩斯電碼產生器的相關資料，需要的朋友可以參考下。希望對大家有幫助。

因為我希望透過web的方式存取我的摩斯代碼音訊文件，所以我決定採用PHP作為我主要的編程語言。上面的截圖顯示了一個開始產生莫斯程式碼的網頁。在下載的zip檔案中，包含了用於提交文字的網頁以及用於產生和展現音訊檔案的PHP來源檔案。如果你想測試PHP程式碼，你需要將網頁和相關的PHP檔案複製到啟用了PHP的伺服器上。

對許多人來說，莫斯程式碼就像一些老電影中表現的那樣，就是一些「點」和「橫線」的序列，或者一連串的嗶嗶聲。顯然，如果你想用電腦程式碼來產生莫斯程式碼，這樣的了解是遠遠不夠的。這篇文章將會介紹產生莫斯程式碼的要素，如何產生WAVE 格式的音訊文件，以及如何用PHP將莫斯程式碼轉換成音訊檔案。

莫斯程式碼

莫斯程式碼是一種文字編碼方式。它的優點是編碼方便，用人耳就能夠方便的解碼。本質上，是透過音訊（或無線電頻）的開和關，從而形成或短或長的音頻脈衝，一般稱作點（dot）和線（dash），或者用無線電術語稱作“嘀”和“嗒」。以現代數位通訊術語，莫斯程式碼是一種振幅鍵控（amplitude shift keying ，ASK）。

在莫斯程式碼中，字元（字母，數字，標點符號和特殊符號）被編碼成一個「嘀」和「嗒」的序列。所以為了把文字轉換成莫斯程式碼，我們首先要確定如何來表示「嘀」和「嗒」。一個很顯然的選擇是，用0表示“嘀”，用1表示“嗒”，或者反過來。不幸的是，莫斯程式碼採用的是可變長編碼方案。所以我們也必須要使用一種可變長序列，或者採取一種方式，把資料打包成一種電腦記憶體通用的固定位寬（fixed bit-size）的格式。另外，需要特別注意的是，莫斯代碼並沒有區分字母大小寫，而且對某些特殊符號無法編碼。在我們這個實作中，未定義的字元和符號將會被忽略。

在這個專案中，記憶體佔用並不是一個需要特別考慮的問題。所以，我們提出一個簡單的編碼方案，即用“0”來表示每個“嘀”，用“1”來表示每個“嗒”，並且把他們放在一個字串關聯數組中。定義莫斯程式碼編碼表的PHP程式碼就像下面這樣：

$CWCODE = array ('A'=>'01','B'=>'1000','C'=>'1010','D'=>'100','E'=>'0',
  'F'=>'0010','G'=>'110','H'=>'0000','I'=>'00','J'=>'0111',
  'K'=>'101','L'=>'0100','M'=>'11','N'=>'10', 'O'=>'111',
  'P'=>'0110','Q'=>'1101','R'=>'010','S'=>'000','T'=>'1',
  'U'=>'001','V'=>'0001','W'=>'011','X'=>'1001','Y'=>'1011',
  'Z'=>'1100', '0'=>'11111','1'=>'01111','2'=>'00111',
  '3'=>'00011','4'=>'00001','5'=>'00000','6'=>'10000',
  '7'=>'11000','8'=>'11100','9'=>'11110','.'=>'010101',
  ','=>'110011','/'=>'10010','-'=>'10001','~'=>'01010',
  '?'=>'001100','@'=>'00101');

#要注意的是，如果你特別在意記憶體佔用的話，上面的程式碼可以解釋為位元（bit）。給每個程式碼增加一個開始位，就可以形成一個位元的模式，每個字元就可以用一個位元組來儲存。同時，當解析最終編碼的時候，要刪除開始位左邊的位元（bit），從而得到真正的變長編碼。

儘管許多人沒有意識到，事實上「時間間隔」是定義莫斯程式碼的主要因素，所以理解這一點是產生莫斯程式碼的關鍵。所以，我們要做的第一件事，就是定義莫斯程式碼的內部碼（即「嘀」和「嗒」）的時間間隔。為了方便起見，我們定義一個「嘀」的聲音長度為一個時間單位dt，「嘀」和「嗒」之間的間隔也是一個時間單位dt；定義一個「嗒」的長度為3個dt，字元（ letters）之間的間隔也是3個dt；定義單字（words）之間的間隔是7個dt。所以，總結起來，我們的時間間隔表就像下面這樣：

在莫斯程式碼中，編碼聲音的「播放速度」通常用單字數/分鐘( WPM) 來表示。由於英文單字有不同的長度，而且字元也有不同數量的“嘀”和“嗒”，所以，從WPM轉換成（音訊）數字採樣並不是看上去那樣簡單。在一份被國際組織採用的方案中，採用5個字元作為單字的平均長度，同時，一個數字或標點符號被當作2個字元。這樣，平均一個單字就是50個時間單位dt。這樣，如果你指定了WPM，那麼我們總的播放時間就是 50 * WPM的時間單位/分鐘，每個「嘀」（即一個時間單位dt）的長度等於1.2/WPM秒。這樣，給一個「嘀」的時間長度，其他元素的時間長度很容易就能夠計算出來。

你可能已经注意到，在上面显示的网页中，对于低于15WPM的选项，我们使用了“Farnsworth spacing”。那么这个“Farnsworth spacing”又是个什么鬼？

当报务员学习用耳朵来解码莫斯代码的时候，他就会意识到，当播放速度变化的时候，字符出现的节奏也会跟着变化。当播放速度低于10WPM的时候，他能够从容的识别“嘀”和“嗒”，并且知道发送的哪个字符。但是当播放速度超过10WPM的时候，报务员的识别就会出错，他识别出来的字符会多于实际的“嘀”和“嗒”。当一个学习的时候习惯低速莫斯代码的人，在处理高速播放代码的时候，就会出现问题。因为节奏变了，他潜意识的识别就会出错。

为了解决这个问题，“Farnsworth spacing”就被发明出来了。本质上来讲，字母和符号的播放速度依然采取高于15WPM的速度，同时，通过在字符之间插入更多的空格，来使整体的播放速度降低。这样，报务员就能够以一个合理的速度和节奏来识别每个字符，一旦所有的字符都学习完毕，就可以增加速度，而接收员只需要加快识别字符的速度就可以了。本质上来说，“Farnsworth spacing”这个技巧解决了节奏变化这个问题，使接收员能够快速学习。

所以，在整个系统中，对于更低的播放速度，都统一成15WPM。相对应的，一个“嘀”的长度是0.08秒，但是字符之间和单词之间的间隔就不再是3个dit或者7个dit，而是进行的调整以适应整体速度。

生成声音

在PHP代码中，一个字符（即前面数组的索引）代表一组由“嘀”、“嗒”和空白间隔组成的莫斯声音。我们用数字采样来组成音频序列，并且将其写入到文件中，同时加上适当的头信息来将其定义成WAVE格式。

生成声音的代码其实相当简单，你可以在项目中PHP文件中找到它们。我发现定义一个“数字振荡器”相当方便。每调用一次osc()，它就会返回一个从正玄波产生的定时采样。运用声音采样和声频规范，生成WAVE格式的音频已经足够了。在产生的正玄波中的-1到+1之间是被移动和调整过的，这样声音的字节数据可以用0到255来表示，同时128表示零振幅。

同时，在生成声音方面我们还要考虑另外一个问题。一般来讲，我们是通过正玄波的开关来生成莫斯代码。但是你直接这样来做的话，就会发现你生成的信号会占用非常大的带宽。所以，通常无线电设备会对其加以修正，以减少带宽占用。

在我们的项目中，也会做这样的修正，只不过是用数字的方式。既然我们已经知道了一个最小声音样本“嘀”的时间长度，那么，可以证明，最小带宽的声幅发生在长度等于“嘀”的正玄波半周期。事实上，我们使用低通滤波器（low pass filter）来过滤音频信号也能达到同样的效果。不过，既然我们已经知道所有的信号字符，我们直接简单的过滤一下每一个字符信号就可以了。

生成“嘀”、“嗒”和空白信号的PHP代码就像下面这样：

while ($dt < $DitTime) {
 $x = Osc();
 if ($dt < (0.5*$DitTime)) {
 // Generate the rising part of a dit and dah up to half the dit-time
 $x = $x*sin((M_PI/2.0)*$dt/(0.5*$DitTime));
 $ditstr .= chr(floor(120*$x+128));
 $dahstr .= chr(floor(120*$x+128));
 }
 else if ($dt > (0.5*$DitTime)) {
 // For a dah, the second part of the dit-time is constant amplitude
 $dahstr .= chr(floor(120*$x+128));
 // For a dit, the second half decays with a sine shape
 $x = $x*sin((M_PI/2.0)*($DitTime-$dt)/(0.5*$DitTime));
 $ditstr .= chr(floor(120*$x+128));
 }
 else {
 $ditstr .= chr(floor(120*$x+128));
 $dahstr .= chr(floor(120*$x+128));
 }
 // a space has an amplitude of 0 shifted to 128
 $spcstr .= chr(128);
 $dt += $sampleDT;
 }
// At this point the dit sound has been generated
// For another dit-time unit the dah sound has a constant amplitude
$dt = 0;
while ($dt < $DitTime) {
 $x = Osc();
 $dahstr .= chr(floor(120*$x+128));
 $dt += $sampleDT;
 }
// Finally during the 3rd dit-time, the dah sound must be completed
// and decay during the final half dit-time
$dt = 0;
while ($dt < $DitTime) {
 $x = Osc();
 if ($dt > (0.5*$DitTime)) {
 $x = $x*sin((M_PI/2.0)*($DitTime-$dt)/(0.5*$DitTime));
 $dahstr .= chr(floor(120*$x+128));
 }
 else {
 $dahstr .= chr(floor(120*$x+128));
 }
 $dt += $sampleDT;
 }

WAVE格式的文件

WAVE是一种通用的音频格式。从最简单的形式来看，WAVE文件通过在头部包含一个整数序列来表示指定采样率的音频振幅。关于WAVE文件的详细信息请查看这里Audio File Format Specifications website。对于产生莫斯代码，我们并不需要用到WAVE格式的所有参数选项，仅仅需要一个8位的单声道就可以了，所以，so easy。需要注意的是，多字节数据需要采用低位优先（little-endian）的字节顺序。WAVE文件使用一种由叫做“块（chunks）”的记录组成的RIFF格式。

WAVE文件由一个ASCII标识符RIFF开始，紧跟着一个4字节的“块”，然后是一个包含ASCII字符WAVE的头信息，最后是定义格式的数据和声音数据。

在我们的程序中，第一个“块”包含了一个格式说明符，它由ASCII字符fmt和一个4倍字节的“块”。在这里，由于我使用的是普通脉冲编码调制（plain vanilla PCM）格式，所以每个“块”都是16字节。然后，我们还需要这些数据：声道数、声音采样/秒、平均字节/秒、一个区块（block）对齐指示器、位（bit）/声音采样。另外，由于我们不需要高质量立体声，我们只采用单声道，我们使用 11050采样/秒（标准的CD质量音频的采样率是 44200采样/秒）的采样率来生成声音，并且用8位（bit）保存。

最后，真实的音频数据储存在接下来的“块”中。其中包含ASCII字符data，一个4字节的“块”，最后是由字节序列（因为我们采用的是8位(bit)/采样）组成的真实音频数据。

在程序中，由8位音频振幅序列组成的声音保存在变量$soundstr中。一旦音频数据生成完毕，就可以计算出所有的“块”大小，然后就可以把它们合并在一起写入磁盘文件中。下面的代码展示了如何生成头信息和音频“块”。需要注意的是，$riffstr表示RIFF头，$fmtstr表示“块”格式，$soundstr表示音频数据“块”。

$riffstr = 'RIFF'.$NSizeStr.'WAVE';
$x = SAMPLERATE;
$SampRateStr = '';
for ($i=0; $i<4; $i++) {
 $SampRateStr .= chr($x % 256);
 $x = floor($x/256);
 }
$fmtstr = &#39;fmt &#39;.chr(16).chr(0).chr(0).chr(0).chr(1).chr(0).chr(1).chr(0)
   .$SampRateStr.$SampRateStr.chr(1).chr(0).chr(8).chr(0);
$x = $n;
$NSampStr = &#39;&#39;;
for ($i=0; $i<4; $i++) {
 $NSampStr .= chr($x % 256);
 $x = floor($x/256);
 }
$soundstr = &#39;data&#39;.$NSampStr.$soundstr;

总结和评论

我们的文本莫斯代码生成器目前看起来还不错。当然，我们还可以对它做很多的修改和完善，比如使用其他字符集、直接从文件中读取文本、生成压缩音频等等。因为我们这个项目的目的是使其能够在网络上方便的使用，所以我们这个简单的方案，已经达到我们的目的了。

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