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开关键控成为通信工作的基础

2020-04-25 Bob Witte 阅读:
电子通信改变了世界的连接方式。它早在Twitter、电视甚至电话之前就已经开始有了,其秘密就在于键控和数字编码。

电子通信改变了世界的连接方式。它早在Twitter、电视甚至电话之前就已经开始有了,其秘密就在于键控和数字编码。xBiednc

电报是最早广泛使用的电子通信方法。我们可能认为这不是“数字”,而是使用开关键控来传递消息。尽管尝试了更复杂的信令方法,但最常见的电报是通过电报键切换的简单开关电路,在接收端操作发声器。摩尔斯电码使用这种开关键控来发送字符和数字(图1)。xBiednc

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图1:简单的开关键控通常用于发送文本消息,如这个莫尔斯电码“R”所示。xBiednc

Baudot

随着无线电传开发出来,Baudot码(也称为Murray码)成为主要的编码格式。假设要对26个英文字母、0到9的数字,以及十几个标点符号、数学和控制代码进行编码,就要求必须发送大约50个唯一代码。Baudot仅使用5位,可以表示25个代码(32个唯一代码)。为了支持其他代码,Baudot码利用状态改变——由字母换档(LTRS)码和数字换档(FIGS)码控制——而使其可以支持大约两倍的字符数量。FIGS码(11011)发出,表示后续字符将被解释为在FIGS集中,直到LTRS(11111)代码将其重置为止。这是一种可行的技术,但是它确实需要接收单元跟踪系统状态。尽管如此,Baudot码可表示的字符数仍然有限。xBiednc

ASCII

1968年,美国国家标准协会采用了美国国家信息交换标准代码(ASCII),通常发音为“ask-key”。ASCII最开始有7位代码,包括英语的26个字符(大写和小写)、数字0到9,以及许多其他的字符和控制代码(图2)。这个英语所用的26个字符更正确的说法是拉丁字母。xBiednc

请注意,ASCII已广泛用于信息的传输和存储。随着时间的推移,已有无数个文本文件创建并存储成了ASCII编码。xBiednc

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图2:基本的7位ASCII码支持拉丁字母(大写和小写)、数字、字符和控制代码。xBiednc

ASCII码的设计着眼于字符的数字操作。例如,数字字符(0、1、3等)以十六进制数30H开头,即字符0为30H,字符1为31H,依此类推。去掉最高几位,就可以轻松地将ASCII码转换为数字值。xBiednc

同样,大、小写字母也进行了编号以方便转换。大写字母以41H(字母A)开头,然后是42H(B),依此类推。小写字母的开头是61H(a),然后是62H(b),依此类推。因此,将大写字母转换为小写字母,只需要将适当的位设置为1即可。xBiednc

“基本ASCII”使用了数字0到127(0H到7FH),仅用了7位。然后,该标准又增加扩展字符集(使用了一个附加位)。实际上,随着时间的推移,出现了几种不兼容的扩展字符集。这些字符编码为80H到FFH。扩展字符包括一些非英语语言中的特殊字符、一些其他数学符号和基本图形符号。xBiednc

Unicode和UTF-8

尽管ASCII在使用拉丁字符集的语言中为我们提供了很好的服务,但对于其他语言来说显然不足。为了解决此问题,业界开发了Unicode标准,目前已有137,994个字符被定义(Unicode 12.1)。Unicode当中定义的一组字符,全都映射到一组特定的32位数字。xBiednc

Unicode字符集非常广泛,包括多种语言的字符、数学运算符、几何形状、国际象棋符号、麻将牌和表情符号。这里不会尝试列出所有字符,但是可以使用参考文献3中的网址浏览字符集。ASCII字符集在Unicode标准中保持不变,称为“基本拉丁”字母表。xBiednc

UTF-8标准则定义了Unicode在实际应用中的编码方式。UTF-8已成为万维网上的主导,超过94%的网站都使用了它。xBiednc

它使用了一种有效的编码技术,因此ASCII字符仍然仅占用一个字节,而UTF-8却仍然支持多达四个字节来处理大量的其他字符。如果没有这种8位ASCII特性,那么由于编码效率低下,仅使用ASCII的现有文件要扩大4倍。xBiednc

Tom Scott对“Unicode奇迹”做了视频说明,非常有趣,值得一看(参考文献5)。Unicode可能会继续进行修订和扩展,但愿它能为我们服务很多年。32位格式对摩尔斯电码做了巨大改进,但其核心仍然是开关键控。xBiednc

参考文献

  1. Teletypewriter Communication Codes, Gil Smith
  2. ASCII Table
  3. Unicode 12.1 Character Code Charts
  4. How it was: ASCII, EBCDIC, ISO, and Unicode, Clive (Max) Maxwell, EDN, Oct 7, 2011. 
  5. Characters, Symbols and the Unicode Miracle – Computerphile, Tom Scott, YouTube

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:On/off keying gets the communications job donexBiednc

本文为《电子技术设计》2020年5月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里xBiednc

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Bob Witte
Bob Witte在Keysight Technologies、Agilent Technologies和Hewlett-Packard Company的研发、技术规划、战略规划和制造部门担任过多个职位,目前是技术咨询公司Signal Blue LLC的总裁。 从内心深处,他只不过是一名乐于看到用创新产品来解决真正的客户问题的一名工程师。Bob写了两本关于测试和测量仪器的书:《电子测试仪器》和《频谱和网络测量》。
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