描述

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比特流與摩爾斯電碼

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介紹

在我的數字通信課上，我試圖通過發現領域問題并解決它們來幫助我的學生學習數字通信/計算機網絡。在上一節課中，我們使用激光和 LDR構建了一個摩爾斯電碼發射器/接收器。

今天，我將其擴展到傳輸數字數據；以0和1的流編碼的數據。在摩爾斯電碼中，'dot'和'dash'相當于數字數據的0和1。但是，我們有 0/點的明確信號。沒有信號不被解釋為零。這使得渠道成本更高。我可以達到每分鐘約 18 個單詞（PARIS 通常用作此計算的參考單詞）。這相當于每分鐘 75 個字節或10bps 。

發射機

由于我的發射器是一個具有開和關狀態的激光二極管，關閉狀態可以被認為是 0，而打開狀態可以被認為是 1。然而，這提出了一個挑戰，即如何區分代表數據的一組 0 和0代表靜默（沒有數據傳輸）。

編輯代碼

由于我們遇到了這個問題，我添加了一個開始消息頭/模式 (1011) 和一個結束消息頭/模式 (1101)。我不斷地在我的 LDR 接收器上采樣數據，并將讀取值 0/1 添加到我的數據中。然后，我檢查結束模式，如果找到，我檢查 8 位數據之前的起始標頭。

1011 <8 位數據> 1101

H: 1011010010001101
E: 1011010001011101
L: 1011010011001101
L: 1011010011001101
O: 1011010011111101

我可以在我的接收器上解碼這個模式。

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解碼消息

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然而，這種封裝消息的簡單模式并非萬無一失。它很容易被流氓數據系列破解。

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帶有垃圾數據的解碼消息

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那么如何驗證接收到的數據是否真的是另一端發送的數據呢？

我在數據末尾添加了一個小簽名；設置位數。由于我的數據是 8 位，我又添加了 4 位來表示可以在數據中設置的最多 8 位。

1011 <8_bit_data><4_sign_bits> 1101

H: 10110100100000101101
E: 10110100010100111101
L: 10110100110000111101
L: 10110100110000111101
O: 10110100111101011101

我也可以解碼這個模式。結果，我可以過濾掉一些垃圾：

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沒有垃圾的解碼消息

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我確實有數據丟失，但現在垃圾更少了。那么我該如何進一步改進呢？我可以修復傳輸錯誤嗎？我可以更好地利用符號位嗎？大量可能的改進，但當我們遇到問題并且我們確信該問題值得解決時，我們將解決。可能是下節課……

發射機：

#define PULSE 50
#define START_MSG one(); zero(); one(); one();
#define ??END_MSG one(); one(); zero(); one();
#define MSG_PACK(x) START_MSG x END_MSG
void setup() {
 ?pinMode(13, OUTPUT);
}
void loop() {
  // <8_Data_Bits><4_Sign_Bits>
 ?//H: 2 set bits
 ?MSG_PACK(zero(); one(); zero(); zero(); one(); zero(); zero(); zero(); \
 ??????????zero(); zero(); one(); zero(); )
 ?//E: 3 set bits
 ?MSG_PACK(zero(); one(); zero(); zero(); zero(); one(); zero(); one(); \
 ??????????zero(); zero(); one(); one(); )
 ?//L: 3 set bits
 ?MSG_PACK(zero(); one(); zero(); zero(); one(); one(); zero(); zero(); \
 ??????????zero(); zero(); one(); one(); )
 ?//L: 3 set bits
 ?MSG_PACK(zero(); one(); zero(); zero(); one(); one(); zero(); zero(); \
 ??????????zero(); zero(); one(); one(); )
 ?//O: 5 set bits
 ?MSG_PACK(zero(); one(); zero(); zero(); one(); one(); one(); one(); \
 ??????????zero(); one(); zero(); one(); )
 ?//CR: 3 set bits
 ?MSG_PACK(zero(); zero(); zero(); zero(); one(); one(); zero(); one(); \
 ??????????zero(); zero(); one(); one(); )
 ?//LF: 2 set bits
 ?MSG_PACK(zero(); zero(); zero(); zero(); one(); zero(); one(); zero(); \
 ??????????zero(); zero(); one(); zero(); )
}
void zero()
{
 ?digitalWrite(13, LOW);
 ?delay(PULSE);
}
void one()
{
 ?digitalWrite(13, HIGH);
 ?delay(PULSE);
} 

接收者：

#define SOM 0xB
#define EOM 0xD
#define PULSE 50
unsigned long data = 0; 
void setup() {
 ?// put your setup code here, to run once:
 ?Serial.begin(9600);
}
void loop() {
 ?// put your main code here, to run repeatedly:
 ?int val = analogRead(4);
 ?unsigned long sign = 0;
 ?data = (data << 1);
 ?if(val >= 10){
 ???data |= 1;
 ?}else {
 ???data |= 0;
 ?}
 ?//check tail signature
 ?if(EOM == (data&EOM))
 ?{
 ???//check head signature
 ???if(SOM == ((data >> 16)&0xF)){
 ?????sign = (data>>4)&0xF; // 4 bits of signature
 ?????data = (data>>8)&0xFF;// 8 bits of data
 ?????if(sign == getSetBits(data))
 ?????{
 ???????Serial.print((char)data);
 ?????}
 ?????//Diagnostics
 ?????//if(data==72||data==69||data==76||data==79||data==13||data==10){
 ???????//data
 ???????//digitalWrite(13, HIGH);
 ?????//}else{
 ???????//error
 ???????//digitalWrite(12, HIGH);
 ?????//}
 ?????data = 0;
 ???}
 ?}
 ?delay(PULSE);
 ?//digitalWrite(13, LOW);
 ?//digitalWrite(12, LOW);
}
unsigned long getSetBits(unsigned long n)
{
 ?unsigned long count = 0;
 ?while(n)
 ?{
 ???n &= (n-1);
 ???count++;
 ?}
 ?return count;
} 

順便說一句，我使用此處發布的最終代碼實現了每秒約 1 字節數據的速度。包括標頭在內，達到每秒 20 位！

編輯

為了檢測數據中的錯誤，我在數據中添加設置位數的簽名機制并沒有被證明是好的。我需要一個不會增加大量數據開銷的更好、更便宜的解決方案。

I XOR 高半字節和低半字節以生成 4 位簽名。此簽名不太可能失敗，因為錯誤（位翻轉）必須發生在高半字節和低半字節的相應位上。

// (sign == (right ^ left))
if(sign == ((data & 0xF) ^ ((data >> 4) & 0xF))){
       Serial.print((char)data);
}

正如預期的那樣，結果比以前更好。我很少看到惡意字節通過此測試。

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XOR 簽名的結果

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在理想情況下，我不會出錯。我還沒有看到流氓字節，但我確實看到數據包被丟棄了。我如何確保以正確的順序收到所有數據？

這是下一個要解決的問題。為每個數據包構建一個 ACK??，以便發送方可以確認他發送的內容確實已收到。我計劃發回收到的異或符號。但是我沒有其他激光二極管用于此目的...