PHP实现基于文本的莫斯电码生成器

介绍

我最近遇到一个基于输入文本生成摩斯代码音频文件的需求。几番搜索无果之后，我决定自己编写一个生成器。

下载源代码 – 2.63 KB

因为我希望通过web的方式访问我的摩斯代码音频文件，所以我决定采用PHP作为我主要的编程语言。上面的截图显示了一个开始生成莫斯代码的网页。在下载的zip文件中，包含了用于提交文本的网页以及用于生成和展现音频文件的PHP源文件。如果你想测试PHP代码，你需要将网页和相关的PHP文件复制到启用了PHP的服务器上。

对于许多人来说，莫斯代码就像一些老电影中表现的那样，就是一些“点”和“横线”的序列，或者一连串的哔哔声。显然，如果你想用计算机代码来生成莫斯代码，这样的了解是远远不够的。这篇文章将会介绍生成莫斯代码的要素，如何生成WAVE 格式的音频文件，以及如何用PHP将莫斯代码转化成音频文件。

莫斯代码

莫斯代码是一种文本编码方式。它的优点是编码方便，而且用人耳就能够方便的解码。本质上，是通过音频或者无线电频）的开和关，从而形成或短或长的音频脉冲，一般称作点dot）和线dash），或者用无线电术语称作“嘀”和“嗒”。用现代数字通信术语，莫斯代码是一种振幅键控 amplitude shift keying ，ASK）。

在莫斯代码中，字符字母，数字，标点符号和特殊符号）被编码成一个“嘀”和“嗒”的序列。所以为了把文本转化成莫斯代码，我们首先要确定如何来表示“嘀”和“嗒”。一个很显然的选择就是，用0表示“嘀”，用1表示“嗒”，或者反过来。不幸的是，莫斯代码采用的是可变长编码方案。所以我们也必须要使用一种可变长序列，或者采取一种方式，把数据打包成一种计算机内存通用的固定位宽fixed bit-size）的格式。另外，需要特别注意的是，莫斯代码并不区分字母大小写，而且对一些特殊符号无法编码。在我们这个实现中，未定义的字符和符号将会被忽略。

在这个项目中，内存占用并不是一个需要特别考虑的问题。所以，我们提出一个简单的编码方案，即用“0”来表示每个“嘀”，用“1”来表示每个“嗒”，并且把他们放在一个字符串关联数组中。定义莫斯代码编码表的PHP代码就像下面这样：

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

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需要注意的是，如果你特别在意内存占用的话，上面的代码可以解释为位bit）。给每个代码增加一个开始位，就可以形成一个位的模式，每个字符就可以用一个字节来储存。同时，当解析最终编码的时候，要删除开始位左边的位bit），从而获得真正的变长编码。

尽管许多人没有意识到，事实上“时间间隔”是定义莫斯代码的主要因素，所以理解这一点是生成莫斯代码的关键。所以，我们要做的第一件事，就是定义莫斯代码的内部码即“嘀”和“嗒”）的时间间隔。为了方便起见，我们定义一个“嘀”的声音长度为一个时间单位dt，“嘀”和“嗒”之间的间隔也是一个时间单位dt；定义一个“嗒”的长度为3个dt，字符letters）之间的间隔也是3个dt；定义单词words）之间的间隔是7个dt。所以，总结起来，我们的时间间隔表就像下面这样：

项目	时间长度
嘀	dt
“嘀”/“嗒”之间的间隔	dt
“嗒”	3*dt
字符之间的间隔	3*dt
单词之间的间隔	7*dt

在莫斯代码中，编码声音的“播放速度”通常用单词数/分钟(WPM) 来表示。由于英文单词有不同的长度，而且字符也有不同数量的“嘀”和“嗒”，所以，从WPM转化成音频）数字采样并不是看上去那样简单。在一份被国际组织采用的方案中，采用5个字符作为单词的平均长度，同时，一个数字或标点符号被当做2个字符。这样，平均一个单词就是50个时间单位dt。这样，如果你指定了WPM，那么我们总的播放时间就是 50 * WPM的时间单位/分钟，每个“嘀”即一个时间单位dt）的长度等于1.2/WPM秒。这样，给出一个“嘀”的时间长度，其他元素的时间长度很容易就能够计算出来。

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：

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

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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”。

<ol class="dp-j"><li class="alt"><span><span>$riffstr = </span><span class="string">'RIFF'</span><span>.$NSizeStr.</span><span class="string">'WAVE'</span><span>; </span></span></li><li><span>$x = SAMPLERATE; </span></li><li class="alt"><span>$SampRateStr = <span class="string">''</span><span>; </span></span></li><li><span><span class="keyword">for</span><span> ($i=</span><span class="number">0</span><span>; $i<</span><span class="number">4</span><span>; $i++) { </span></span></li><li class="alt"><span>  $SampRateStr .= chr($x % <span class="number">256</span><span>); </span></span></li><li><span>  $x = floor($x/<span class="number">256</span><span>); </span></span></li><li class="alt"><span>  } </span></li><li><span>$fmtstr = <span class="string">'fmt '</span><span>.chr(</span><span class="number">16</span><span>).chr(</span><span class="number">0</span><span>).chr(</span><span class="number">0</span><span>).chr(</span><span class="number">0</span><span>).chr(</span><span class="number">1</span><span>).chr(</span><span class="number">0</span><span>).chr(</span><span class="number">1</span><span>).chr(</span><span class="number">0</span><span>) </span></span></li><li class="alt"><span>          .$SampRateStr.$SampRateStr.chr(<span class="number">1</span><span>).chr(</span><span class="number">0</span><span>).chr(</span><span class="number">8</span><span>).chr(</span><span class="number">0</span><span>); </span></span></li><li><span>$x = $n; </span></li><li class="alt"><span>$NSampStr = <span class="string">''</span><span>; </span></span></li><li><span><span class="keyword">for</span><span> ($i=</span><span class="number">0</span><span>; $i<</span><span class="number">4</span><span>; $i++) { </span></span></li><li class="alt"><span>  $NSampStr .= chr($x % <span class="number">256</span><span>); </span></span></li><li><span>  $x = floor($x/<span class="number">256</span><span>); </span></span></li><li class="alt"><span>  } </span></li><li><span>$soundstr = <span class="string">'data'</span><span>.$NSampStr.$soundstr; </span></span></li></ol>

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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。

当然，一如既往的，希望大家对这些简单粗暴的代码提出建议。这些年来虽然一直有人在教我，但我还是缺乏莫斯代码相关背景知识，所以，如果出现任何的错误或遗漏都算是我的错。

译文链接：http://www.codeceo.com/article/php-morse-code-generation.html
英文原文：Morse Code Generation from Text