数字通信:用方波传输信息

吴俊杰

信息技术实验

我们之前使用音频编码的方法，类似于最原始的电报，用二进制的形式传播了一段信息，但是像图1这种波动状的模拟声音信号，已经很少使用了，原因是其判断阈值不稳定，时间发送间隔也不稳定。目前更多地是使用图2这种方形的信号来传输信息，称之为方波，使用方波的好处很明显，它能够非常明显的确定阈值。

图1 图2

由于Scratch内置音效库中的声音都是模拟状态的音效，其音量值非常不稳定。为了得到一段音量很稳定的音频信号，我们用goldwave的f(x)工具函数生成一段音量值稳定的声音。如图3所示，该声音为1分钟的拨号音0，并且将它存储成wav格式，导入到Scratch中。

使用双头耳机延长线将耳机插孔和麦克风插孔连接起来，播放这段音频，将音频输出直接变为音频输入，我们能够看到一个非常稳定的音量值。使用上移键和下移键可以调整音量值的大小（如图4），使得麦克风接收到的音量值也相应改变，但仍然是一个非常稳定的数值，稳定的对应关系是信息技术实验的基础。

通过实验我们发现，将音量设定为0时，麦克风侦测的数值为0；音量值设定为90以上时，音量值为100，而且通过调整图5中变量n1的数值可以任意的调节麦克风传感器接收到的音量值。这就使得我们可以用一个程序不断的调整输出音量值，进而得到方波图像。

在下页图6中，这种方波图像非常明显的显示出来，每间隔一秒，音量值由0升到100。因此，我们编写程序时，只需要判定当前的数值是不是100，就可以确定当前的状态是0还是1，这样就大大的提高了信息传播的准确性。

这样，我们间隔1秒测定一下音量的状态，只需要测定每个采样点的音量值，即可将0和1的解码结果存储在链表中（如下页图7）。

程序中的“直到音量值=100之前都等待着”相当于一个对时代码，让方波发送程序和音量解码程序保持一致。当信息的发送端和接收端不是一台电脑时，使用方波来发送信息，一定要保证发送端和接收端始终同步，由于使用方波发送信息时，每一条信息的持续时间都相同，因此同步信源和信宿的时钟对于方波发送信息至关重要。方波每个信号的持续时间我们可以用一个变量n2控制。n2的单位是毫秒，在变量n2上点击右键，修改n2的变化范围为0～1000（如图8），因此n2/1000可以控制0-1秒内的方波每个信号的持续时间。

用图9的程序我们可以调整方波的持续时间，让它能够更快地传输信息。

但是在实验的过程中我们发现方波的时间间隔并不稳定，到了一段时间之后，采样点和方波图像出现了明显的错位，这样会影响信息传播的准确性（如图10）。

为了解决这个问题，在通讯的过程中需要多次对时，分包发送，每个包的信息容量和发包的速度影响着信道的传输速率，这种对发包信息容量和发包时间间隔等基本参数的一系列规定，我们称之为通讯协议，就像手机上网从2G到3G再到目前的4G一样，我们感受到的是信息通讯速度的提升，而通过信息技术试验，则可以从原理的层面体会这种提升是如何做到的，以及如何做到更快的通讯速度和准确度。

我们将通讯领域一些实验的成果汇报给我国著名的信息论专家、北京邮电大学的钟义信教授之后，他提出了一些真知灼见:“就信息论的核心内容而言，主要有如下三个方面：①信息源X产生信息的能力，称为信源的熵H(X)；②信道传递信息的能力，称为信道容量C；③通过操作实现信源熵与信道容量的匹配，称为编码。其中，第③项内容是通信理论与技术一直在研究的内容和追求的目标。如果用简明生动的方法把这三个概念让学生理解，他们就算抓住了信息与通信学科的要害和实质……”这是信息论专家对我们已有工作的肯定，也鼓励着我们继续在信息技术实验的道路上走下去，信息与通讯的核心概念，将是信息技术学教学中，每个学生都要掌握的基础概念，而只有通过实验的方法，才能让这些概念得以落实。

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信息技术实验

我们之前使用音频编码的方法，类似于最原始的电报，用二进制的形式传播了一段信息，但是像图1这种波动状的模拟声音信号，已经很少使用了，原因是其判断阈值不稳定，时间发送间隔也不稳定。目前更多地是使用图2这种方形的信号来传输信息，称之为方波，使用方波的好处很明显，它能够非常明显的确定阈值。

图1 图2

由于Scratch内置音效库中的声音都是模拟状态的音效，其音量值非常不稳定。为了得到一段音量很稳定的音频信号，我们用goldwave的f(x)工具函数生成一段音量值稳定的声音。如图3所示，该声音为1分钟的拨号音0，并且将它存储成wav格式，导入到Scratch中。

使用双头耳机延长线将耳机插孔和麦克风插孔连接起来，播放这段音频，将音频输出直接变为音频输入，我们能够看到一个非常稳定的音量值。使用上移键和下移键可以调整音量值的大小（如图4），使得麦克风接收到的音量值也相应改变，但仍然是一个非常稳定的数值，稳定的对应关系是信息技术实验的基础。

通过实验我们发现，将音量设定为0时，麦克风侦测的数值为0；音量值设定为90以上时，音量值为100，而且通过调整图5中变量n1的数值可以任意的调节麦克风传感器接收到的音量值。这就使得我们可以用一个程序不断的调整输出音量值，进而得到方波图像。

在下页图6中，这种方波图像非常明显的显示出来，每间隔一秒，音量值由0升到100。因此，我们编写程序时，只需要判定当前的数值是不是100，就可以确定当前的状态是0还是1，这样就大大的提高了信息传播的准确性。

这样，我们间隔1秒测定一下音量的状态，只需要测定每个采样点的音量值，即可将0和1的解码结果存储在链表中（如下页图7）。

程序中的“直到音量值=100之前都等待着”相当于一个对时代码，让方波发送程序和音量解码程序保持一致。当信息的发送端和接收端不是一台电脑时，使用方波来发送信息，一定要保证发送端和接收端始终同步，由于使用方波发送信息时，每一条信息的持续时间都相同，因此同步信源和信宿的时钟对于方波发送信息至关重要。方波每个信号的持续时间我们可以用一个变量n2控制。n2的单位是毫秒，在变量n2上点击右键，修改n2的变化范围为0～1000（如图8），因此n2/1000可以控制0-1秒内的方波每个信号的持续时间。

用图9的程序我们可以调整方波的持续时间，让它能够更快地传输信息。

但是在实验的过程中我们发现方波的时间间隔并不稳定，到了一段时间之后，采样点和方波图像出现了明显的错位，这样会影响信息传播的准确性（如图10）。

为了解决这个问题，在通讯的过程中需要多次对时，分包发送，每个包的信息容量和发包的速度影响着信道的传输速率，这种对发包信息容量和发包时间间隔等基本参数的一系列规定，我们称之为通讯协议，就像手机上网从2G到3G再到目前的4G一样，我们感受到的是信息通讯速度的提升，而通过信息技术试验，则可以从原理的层面体会这种提升是如何做到的，以及如何做到更快的通讯速度和准确度。

我们将通讯领域一些实验的成果汇报给我国著名的信息论专家、北京邮电大学的钟义信教授之后，他提出了一些真知灼见:“就信息论的核心内容而言，主要有如下三个方面：①信息源X产生信息的能力，称为信源的熵H(X)；②信道传递信息的能力，称为信道容量C；③通过操作实现信源熵与信道容量的匹配，称为编码。其中，第③项内容是通信理论与技术一直在研究的内容和追求的目标。如果用简明生动的方法把这三个概念让学生理解，他们就算抓住了信息与通信学科的要害和实质……”这是信息论专家对我们已有工作的肯定，也鼓励着我们继续在信息技术实验的道路上走下去，信息与通讯的核心概念，将是信息技术学教学中，每个学生都要掌握的基础概念，而只有通过实验的方法，才能让这些概念得以落实。

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信息技术实验

我们之前使用音频编码的方法，类似于最原始的电报，用二进制的形式传播了一段信息，但是像图1这种波动状的模拟声音信号，已经很少使用了，原因是其判断阈值不稳定，时间发送间隔也不稳定。目前更多地是使用图2这种方形的信号来传输信息，称之为方波，使用方波的好处很明显，它能够非常明显的确定阈值。

图1 图2

由于Scratch内置音效库中的声音都是模拟状态的音效，其音量值非常不稳定。为了得到一段音量很稳定的音频信号，我们用goldwave的f(x)工具函数生成一段音量值稳定的声音。如图3所示，该声音为1分钟的拨号音0，并且将它存储成wav格式，导入到Scratch中。

使用双头耳机延长线将耳机插孔和麦克风插孔连接起来，播放这段音频，将音频输出直接变为音频输入，我们能够看到一个非常稳定的音量值。使用上移键和下移键可以调整音量值的大小（如图4），使得麦克风接收到的音量值也相应改变，但仍然是一个非常稳定的数值，稳定的对应关系是信息技术实验的基础。

通过实验我们发现，将音量设定为0时，麦克风侦测的数值为0；音量值设定为90以上时，音量值为100，而且通过调整图5中变量n1的数值可以任意的调节麦克风传感器接收到的音量值。这就使得我们可以用一个程序不断的调整输出音量值，进而得到方波图像。

在下页图6中，这种方波图像非常明显的显示出来，每间隔一秒，音量值由0升到100。因此，我们编写程序时，只需要判定当前的数值是不是100，就可以确定当前的状态是0还是1，这样就大大的提高了信息传播的准确性。

这样，我们间隔1秒测定一下音量的状态，只需要测定每个采样点的音量值，即可将0和1的解码结果存储在链表中（如下页图7）。

程序中的“直到音量值=100之前都等待着”相当于一个对时代码，让方波发送程序和音量解码程序保持一致。当信息的发送端和接收端不是一台电脑时，使用方波来发送信息，一定要保证发送端和接收端始终同步，由于使用方波发送信息时，每一条信息的持续时间都相同，因此同步信源和信宿的时钟对于方波发送信息至关重要。方波每个信号的持续时间我们可以用一个变量n2控制。n2的单位是毫秒，在变量n2上点击右键，修改n2的变化范围为0～1000（如图8），因此n2/1000可以控制0-1秒内的方波每个信号的持续时间。

用图9的程序我们可以调整方波的持续时间，让它能够更快地传输信息。

但是在实验的过程中我们发现方波的时间间隔并不稳定，到了一段时间之后，采样点和方波图像出现了明显的错位，这样会影响信息传播的准确性（如图10）。

为了解决这个问题，在通讯的过程中需要多次对时，分包发送，每个包的信息容量和发包的速度影响着信道的传输速率，这种对发包信息容量和发包时间间隔等基本参数的一系列规定，我们称之为通讯协议，就像手机上网从2G到3G再到目前的4G一样，我们感受到的是信息通讯速度的提升，而通过信息技术试验，则可以从原理的层面体会这种提升是如何做到的，以及如何做到更快的通讯速度和准确度。

我们将通讯领域一些实验的成果汇报给我国著名的信息论专家、北京邮电大学的钟义信教授之后，他提出了一些真知灼见:“就信息论的核心内容而言，主要有如下三个方面：①信息源X产生信息的能力，称为信源的熵H(X)；②信道传递信息的能力，称为信道容量C；③通过操作实现信源熵与信道容量的匹配，称为编码。其中，第③项内容是通信理论与技术一直在研究的内容和追求的目标。如果用简明生动的方法把这三个概念让学生理解，他们就算抓住了信息与通信学科的要害和实质……”这是信息论专家对我们已有工作的肯定，也鼓励着我们继续在信息技术实验的道路上走下去，信息与通讯的核心概念，将是信息技术学教学中，每个学生都要掌握的基础概念，而只有通过实验的方法，才能让这些概念得以落实。

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