最近遇到一個基於輸入文本生成摩斯代碼音頻文件的需求。幾番搜索無果之後，我決定自己編寫一個生成器。
因為我希望通過web的方式訪問我的摩斯代碼音頻文件，所以我決定采用PHP作為我主要的編程語言。上面的截圖顯示了一個開始生成莫斯代碼的網頁。在下載的zip文件中，包含了用於提交文本的網頁以及用於生成和展現音頻文件的PHP源文件。如果你想測試PHP代碼，你需要將網頁和相關的PHP文件復制到啟用了PHP的服務器上。
對於許多人來說，莫斯代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，或者一連串的哔哔聲。顯然，如果你想用計算機代碼來生成莫斯代碼，這樣的了解是遠遠不夠的。這篇文章將會介紹生成莫斯代碼的要素，如何生成WAVE 格式的音頻文件，以及如何用PHP將莫斯代碼轉化成音頻文件。
莫斯代碼
莫斯代碼是一種文本編碼方式。它的優點是編碼方便，而且用人耳就能夠方便的解碼。本質上，是通過音頻（或者無線電頻）的開和關，從而形成或短或長的音頻脈沖，一般稱作點（dot）和線（dash），或者用無線電術語稱作“嘀”和“嗒”。用現代數字通信術語，莫斯代碼是一種振幅鍵控（amplitude shift keying ，ASK）。
在莫斯代碼中，字符（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。所以為了把文本轉化成莫斯代碼，我們首先要確定如何來表示“嘀”和“嗒”。一個很顯然的選擇就是，用0表示“嘀”，用1表示“嗒”，或者反過來。不幸的是，莫斯代碼采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，或者采取一種方式，把數據打包成一種計算機內存通用的固定位寬（fixed bit-size）的格式。另外，需要特別注意的是，莫斯代碼並不區分字母大小寫，而且對一些特殊符號無法編碼。在我們這個實現中，未定義的字符和符號將會被忽略。
在這個項目中，內存占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符串關聯數組中。定義莫斯代碼編碼表的PHP代碼就像下面這樣：
$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');
需要注意的是，如果你特別在意內存占用的話，上面的代碼可以解釋為位（bit）。給每個代碼增加一個開始位，就可以形成一個位的模式，每個字符就可以用一個字節來儲存。同時，當解析最終編碼的時候，要刪除開始位左邊的位（bit），從而獲得真正的變長編碼。
盡管許多人沒有意識到，事實上“時間間隔”是定義莫斯代碼的主要因素，所以理解這一點是生成莫斯代碼的關鍵。所以，我們要做的第一件事，就是定義莫斯代碼的內部碼（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，字符（letters）之間的間隔也是3個dt；定義單詞（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：
在莫斯代碼中，編碼聲音的“播放速度”通常用 單詞數/分鐘(WPM) 來表示。由於英文單詞有不同的長度，而且字符也有不同數量的“嘀”和“嗒”，所以，從WPM轉化成（音頻）數字采樣並不是看上去那樣簡單。在一份被國際組織采用的方案中，采用5個字符作為單詞的平均長度，同時，一個數字或標點符號被當做2個字符。這樣，平均一個單詞就是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，給出一個“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。
你可能已經注意到，在上面顯示的網頁中，對於低於15WPM的選項，我們使用了“Farnsworth spacing”。那麼這個“Farnsworth spacing”又是個什麼鬼？
當報務員學習用耳朵來解碼莫斯代碼的時候，他就會意識到，當播放速度變化的時候，字符出現的節奏也會跟著變化。當播放速度低於10WPM的時候，他能夠從容的識別“嘀”和“嗒”，並且知道發送的哪個字符。但是當播放速度超過10WPM的時候，報務員的識別就會出錯，他識別出來的字符會多於實際的“嘀”和“嗒”。當一個學習的時候習慣低速莫斯代碼的人，在處理高速播放代碼的時候，就會出現問題。因為節奏變了，他潛意識的識別就會出錯。
為了解決這個問題，“Farnsworth spacing”就被發明出來了。本質上來講，字母和符號的播放速度依然采取高於15WPM的速度，同時，通過在字符之間插入更多的空格，來使整體的播放速度降低。這樣，報務員就能夠以一個合理的速度和節奏來識別每個字符，一旦所有的字符都學習完畢，就可以增加速度，而接收員只需要加快識別字符的速度就可以了。本質上來說，“Farnsworth spacing”這個技巧解決了節奏變化這個問題，使接收員能夠快速學習。
所以，在整個系統中，對於更低的播放速度，都統一成15WPM。相對應的，一個“嘀”的長度是0.08秒，但是字符之間和單詞之間的間隔就不再是3個dit或者7個dit，而是進行的調整以適應整體速度。
生成聲音
在PHP代碼中，一個字符（即前面數組的索引）代表一組由“嘀”、“嗒”和空白間隔組成的莫斯聲音。我們用數字采樣來組成音頻序列，並且將其寫入到文件中，同時加上適當的頭信息來將其定義成WAVE格式。
生成聲音的代碼其實相當簡單，你可以在項目中PHP文件中找到它們。我發現定義一個“數字振蕩器”相當方便。每調用一次osc()，它就會返回一個從正玄波產生的定時采樣。運用聲音采樣和聲頻規范，生成WAVE格式的音頻已經足夠了。在產生的正玄波中的-1到+1之間是被移動和調整過的，這樣聲音的字節數據可以用0到255來表示，同時128表示零振幅。
同時，在生成聲音方面我們還要考慮另外一個問題。一般來講，我們是通過正玄波的開關來生成莫斯代碼。但是你直接這樣來做的話，就會發現你生成的信號會占用非常大的帶寬。所以，通常無線電設備會對其加以修正，以減少帶寬占用。
在我們的項目中，也會做這樣的修正，只不過是用數字的方式。既然我們已經知道了一個最小聲音樣本“嘀”的時間長度，那麼，可以證明，最小帶寬的聲幅發生在長度等於“嘀”的正玄波半周期。事實上，我們使用低通濾波器（low pass filter）來過濾音頻信號也能達到同樣的效果。不過，既然我們已經知道所有的信號字符，我們直接簡單的過濾一下每一個字符信號就可以了。
生成“嘀”、“嗒”和空白信號的PHP代碼就像下面這樣：
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 += $sampleDT;
}
WAVE格式的文件
WAVE是一種通用的音頻格式。從最簡單的形式來看，WAVE文件通過在頭部包含一個整數序列來表示指定采樣率的音頻振幅。關於WAVE文件的詳細信息請查看這裡Audio File Format Specifications website。對於產生莫斯代碼，我們並不需要用到WAVE格式的所有參數選項，僅僅需要一個8位的單聲道就可以了，所以，so easy。需要注意的是，多字節數據需要采用低位優先（little-endian）的字節順序。WAVE文件使用一種由叫做“塊（chunks）”的記錄組成的RIFF格式。
WAVE文件由一個ASCII標識符RIFF開始，緊跟著一個4字節的“塊”，然後是一個包含ASCII字符WAVE的頭信息，最後是定義格式的數據和聲音數據。
在我們的程序中，第一個“塊”包含了一個格式說明符，它由ASCII字符fmt和一個4倍字節的“塊”。在這裡，由於我使用的是普通脈沖編碼調制（plain vanilla PCM）格式，所以每個“塊”都是16字節。然後，我們還需要這些數據：聲道數、聲音采樣/秒、平均字節/秒、一個區塊（block）對齊指示器、位（bit）/聲音采樣。另外，由於我們不需要高質量立體聲，我們只采用單聲道，我們使用 11050采樣/秒（標准的CD質量音頻的采樣率是 44200采樣/秒）的采樣率來生成聲音，並且用8位（bit）保存。
最後，真實的音頻數據儲存在接下來的“塊”中。其中包含ASCII字符data，一個4字節的“塊”，最後是由字節序列（因為我們采用的是8位(bit)/采樣）組成的真實音頻數據。
在程序中，由8位音頻振幅序列組成的聲音保存在變量$soundstr中。一旦音頻數據生成完畢，就可以計算出所有的“塊”大小，然後就可以把它們合並在一起寫入磁盤文件中。下面的代碼展示了如何生成頭信息和音頻“塊”。需要注意的是，$riffstr表示RIFF頭，$fmtstr表示“塊”格式，$soundstr表示音頻數據“塊”。
$riffstr = 'RIFF'.$NSizeStr.'WAVE';
$x = SAMPLERATE;
$SampRateStr = '';
for ($i=0; $i<4; $i++) {
$SampRateStr .= chr($x % 256);
$x = floor($x/256);
}
$fmtstr = 'fmt '.chr(16).chr(0).chr(0).chr(0).chr(1).chr(0).chr(1).chr(0)
.$SampRateStr.$SampRateStr.chr(1).chr(0).chr(8).chr(0);
$x = $n;
$NSampStr = '';
for ($i=0; $i<4; $i++) {
$NSampStr .= chr($x % 256);
$x = floor($x/256);
}
$soundstr = 'data'.$NSampStr.$soundstr;
總結和評論
我們的文本莫斯代碼生成器目前看起來還不錯。當然，我們還可以對它做很多的修改和完善，比如使用其他字符集、直接從文件中讀取文本、生成壓縮音頻等等。因為我們這個項目的目的是使其能夠在網絡上方便的使用，所以我們這個簡單的方案，已經達到我們的目的了。
當然，一如既往的，希望大家對這些簡單粗暴的代碼提出建議。
