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這個情形，有一點像是RFID芯片在發電報。讀卡機根據周邊電磁場的強弱變化情況，就可以知道RFID中的芯片在“說”什麼了。有了RFID技術，刷卡上車，刷卡進站，刷卡開門這些我們生活中常見的事情才成為可能。想要明白RFID技術的原理和“進化”過程，我們得從摩爾斯電碼說起。
（圖源：flickr.com）
撰文 | 吳進遠
前兩年，有位朋友告訴我，她兒子著迷摩爾斯電碼。我很好奇，在電腦手機互聯網的時代，他是怎麼知道摩爾斯電碼的？後來我看了一部諜戰電視劇才知道出處，那裡面的女主角認真而又神秘地說，趕快把情報用摩爾斯電碼發給上級。
我們這篇文章，就聊聊摩爾斯電碼，以及其他的一些碼。首先，我們需要理清一個可能由聽覺引起的誤導，摩爾斯是個姓，這個摩和魔法魔術魔力的魔沒有關係，正如姓孫和太陽沒有關係，姓何或者姓佘與“他”或者“她”沒有關係一樣。因此，摩爾斯電碼儘管很重要，但並不像諜戰劇女主角暗示的那樣神秘，摩爾斯電碼本身甚至連密碼都不是。
為什麼要編碼？
簡單地說，凡是沒法說人話的時候，就都需要編碼。就說打電報吧，發電報的人按下按鍵，收電報的那一方就聽到“嘟”的一聲。那麼，怎樣用電報來傳遞人話呢？這就需要編碼，而摩爾斯電碼就是這樣一種編碼。
摩爾斯電碼是用按鍵的時間長短來傳遞信息的。按鍵時間短，稱之為點，耳機裡就聽到“的（di）”的一聲，而按鍵時間長，稱之為劃，聽起來就是“噠”的一聲。若干個“的”或者“噠”排列在一起，就代表一個字母。有了字母，你就可以傳遞人話了。比如你想說“救命啊（SOS）”，你就可以發“··· — — — ···”。
（圖源：By Rhey T. Snodgrass & Victor F. Camp, 1922- Image:Intcode.png and Image:International Morse Code.PNG, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3902977）
從表中不難看出，不同字母的編碼長度是不一樣的。大家找找看，最短的編碼是哪個？沒錯，是E。為什麼要把E設計成最短的碼呢？因為E出現的概率比較高，用比較短的碼來表示出現頻度高的字符，可以大大提高信息的傳輸效率。
人同此心，心同此理，事實上，不論古今中外，人們都是這樣做的。比如，《紅樓夢》有個版本叫《脂硯齋重評石頭記》是手抄本。
抄寫的人，就把一些出現概率高的字，用筆畫較少的字代替。林黛玉的“黛”，用“代”來代替，省了很多筆。寶玉和寶釵的“寶”，也被寫成“寶”（有沒有聽人家嘲笑過簡化字：寶無貝？嘲笑的人請自覺到脂硯齋的芳冢上壓棺材板）。順便說一句，寶這個字原來有兩個寫法：寶和寳。學問大的家長，可以給孩子講講（也順便在文章後面留個言），這兩個字的用法有什麼不同。
從某種意義上說，文字就是一種編碼。我們說的人話，沒有辦法直接記錄到龜殼，獸骨，竹簡，石碑，錦帛，紙張上，因此就需要用一個符號系列來記錄。或者是記錄讀音，比如各種拼音文字，或者是直接記錄事物或動作，比如漢字。
當電報出現後，連字母這種人話的編碼都很難傳遞，於是就進一步碼上加碼，用按鍵的長短來把字母和數字編碼。
用摩爾斯電碼，我們顯然可以發送用拉丁字符拼寫的信息。可是，要想通過電報發送中文信息又該怎麼辦呢？在很長一個時期中，中文是用從0000到9999這樣的四位數字編碼的。而發電報時，再用摩爾斯電碼發送四位一組的數字串。哪四個數字代表哪個漢字，當時是有一個全國通用的編碼本的，這套編碼通常稱為明碼。
諜戰劇裡發電報，想來多半不會用明碼，而是收發雙方各有一本專門編寫的密碼本，那裡面哪個數字對應哪個漢字與明碼的規定是不同的。這樣的電報，敵方可能監聽記錄下來，寫出來是一串數字。但如果想翻譯出來，就很需要大開腦洞了。
由於用一串數字代表一個漢字，因而不難想象，要把中文翻譯成數字電碼，其中的勞動量是很大的。因此，當年到郵局發電報，收費是按字數計算的。按照當時的物價，在食堂買一個饅頭4分錢，而發電報每個字3分5釐。這就要求電文必須簡練清晰，沒有廢話。
比如姥姥要從北京坐火車去上海，媽媽給上海的舅舅打電報讓他去車站接。這麼一件事媽媽寫出的電文是：“母於九月十日五次車下午兩點半到上海”，已經夠簡練了吧？而郵局電報櫃檯的營業員阿姨會貼心地幫你改成“母9.10 5次1430到滬”。除了把上海簡稱為滬減少了一個字，電文中還儘量把漢語數字用阿拉伯數字來寫。因為我們前面講過，一個漢字要用四個數字來代表，而直接用阿拉伯數字，需要發送的字符數量就減少了很多，從而省下可以買好多個饅頭的錢。
電報早已離開人們的生活走入歷史，但那個時期留下的很多概念仍然沒有過時。比如通訊安全（密碼編制與反破解），數據無損壓縮（把E用一個點表示）與有損壓縮（用阿拉伯數字代替漢字數字）等，直到現在仍然是我們需要不斷解決的問題，同時也經常給我們的科研工作帶來啟示。
計算機用的串行碼
有人把摩爾斯電碼中的點劃說成是計算機二進制中的1和0，其實這是誤解。摩爾斯電碼之所以可以正確地傳遞信息，除了點劃這兩個要素，另一個必不可少的一個要素是沒有聲音的空白時間段。
前面的編碼表中規定，點是一個單位時間段，劃是三個單位時間段。這個單位時間段可長可短，因人而異，熟練的發報員可以短些，而生手可以慢些。除此之外，還規定了點點，點劃，劃劃之間的空當為一個單位時間段，字母之間的空當為三個單位時間段，不同單詞之間的空當為七個單位時間段等。只有這樣，才不會把不同字母之間的點劃連到一起，也不會把同一個字母中的點劃拆到兩個字母之中。
這樣的編碼方法可以確保收發報的人類不至於出錯，但在計算機出現後，這樣的編碼就顯得效率太低了。那麼計算機裡用的編碼長得什麼樣子呢？我們舉個簡單的例子來說明。
當我們在鍵盤上按下一個字母鍵的時候，怎樣讓計算機主機知道我們按的是那一個字母呢？這是通過串行接口傳遞的高低電平知道的。如果我們找一箇舊式的鍵盤，把鍵盤和主機之間的電纜剝開，找到許多線中正確的信號線，就可以從示波器上看到類似下圖的波形。
在沒有按下鍵的時候，串行接口處於靜止狀態，導線上處於高電平。當我們按下一個按鍵後，發送端首先把接口上的電平拉低一個單位時間段，然後在後面（即上圖豎直實線之後）的8個單位時間段內輸出時高時低的電平。具體哪個時間段高哪個時間段低，取決於我們按下的是哪一個字母或數字鍵。顯然，後面這8個單位時間段每個時間段可以傳輸一個比特的信息。
很多情況下傳輸一個字符，需要10個單位時間段，這10個時間段包括在8個比特的信息之前需要一個低電平時間段以告知接收方準備接收，以及在8個比特傳輸之後，設置一個高電平的時間段，以便與後面緊接著的字符區隔。
當然具體使用接口時，我們有時可以把接口參數設置成只用7個比特傳輸一個字符。因為26個大小寫英文字母，加十個數字，再加各種標點符號已經各種控制命令，只需要128種不同字符，因此可以用7個比特編碼。儘管很多時候我們傳輸字符時包含了8個比特，但最高位的第8個比特總是0或者低電平。
如果我們打開示波器的波形記憶功能，則會得到如下的顯示。
這個圖中記錄了我們連續發送兩個字符時，示波器上看到的波形。在鍵盤上依次按下不同的字母與數字鍵，示波器記錄下在每個單位時間間隔中信號的高低電平。可以看出，不論對哪一個字符，第一個起始時間段總是0。隨後7個時間段，電平可以高也可以低。而第8個比特在傳輸普通字符時總是低電平。
假定我們按鍵速度極快，則第一個字符發送後，接口會緊接著發送第二個字符，如上圖右半邊所示。這第二個字符也是先把接口信號電平拉低一個單位時間間隔，然後發送8個比特的信息。
串行接口傳輸的速度稱為波特率，前面圖中接口的波特率是1200，它在每秒鐘內可以傳輸1200個前面所說的單位時間段。換句話說，每個單位時間段的長度為1/1200秒，也就是0.83 毫秒左右。假定我們使用的接口設置是用10個單位時間段發送一個字符，則在波特率為1200時，每秒可以傳輸120個字符。
每秒120個字符在很多應用中會嫌太慢，畢竟120個字符僅僅對應於很多顯示器上一行半文字，因此人們很多時候會需要更高的波特率。反之，如果傳輸距離很遠，電氣環境惡劣，而需要傳輸的信息量不太大時，人們可能需要比較低的波特率，以確保信息傳遞準確。常見的串行通訊接口往往會支持很多不同的波特率，包括75, 110, 300, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 等等。
說了半天，計算機具體是怎樣把高低電平轉換成字符的呢？這就需要我們在把字符編成碼。很多計算機設備中，用的都是ASCII編碼。這個編碼表的一部分如下圖所示。
計算機首先把收到的高低電平排列成一個二進制數，然後從第2列（或第5，第8列）中找到對應的二進制數，就可以查到對應的字符。
對於人類來說，我們腦子裡沒有安裝計算機中的電子元件，要想根據示波器上的電平翻譯出傳輸的字符，就只能用笨辦法了。設想我們在示波器上看到了下面一個波形。
這個波形在實虛兩條豎線之間，顯示了一個“高低高低高高低”的電平序列，我們高興的話也可以讀成“平仄平仄平平仄” 。為了翻譯出這個字符，我們首先把這個電平序列寫成1010110。不過，這一串數字與前面表上的二進制數還不完全一致。串行接口是先傳輸低位比特，後傳輸高位比特的，因此，我們應該把前面這個數的比特前後次序翻過來，變成0110101。用這個數，我們可以從編碼表中查出，這個電平序列對應的是第53號字符：數字5。
要是我們在示波器上看到了“仄平仄平仄仄平”的波形，這又是一個什麼字符呢？
我們把這個電平序列寫成0101001，它對應的編碼是1001010，也就是第74號字符：字母J。
大家想想看，要是把摩爾斯電碼顯示到示波器上，會是什麼樣子？
智能卡與數據編碼
現在，我們的生活中到處都是計算機。為此，我們需要與計算機迅速方便地交換信息。只要我們注意觀察，在我們周圍有許許多多用於信息交換的東西。比如，我們可以從錢包裡掏出一張信用卡或者銀行卡，和孩子一起看看，很多卡上會有一個 1 釐米見方，切割得像花一樣的小方塊。
這是一塊小型的電路板，上表面粘了鍍金銅箔，銅箔被光刻腐蝕成8個接腳。當信用卡插入讀卡器中時，讀卡器中的接點與這8個接腳聯通。電路板背面粘貼了一小塊芯片，芯片與這8個接腳通過細金屬絲點焊在一起。這些接腳的功能是什麼呢？
上面圖中標註了第1，2，3與5，6，7接腳的功能，第4與第8腳是為今後可能的拓展預留的。在有很多信用卡上，包括手機上用的SIM卡上，僅僅使用了6個腳，其他兩個腳甚至可以不做出來。
在這些腳中，VCC與讀卡器電源正極連接，GND則與公共地線連接，卡上的芯片通過這兩個腳來供電。
芯片接上電以後，內部可能處於混亂狀態，因此需要通過RST腳短時間內加一個電平，使得芯片內部各個寄存器復位。
芯片復位後，需要知道讓它做什麼，這就需要從外部送入芯片命令以及其他數據。命令與數據是通過I/O這根線送進去的。儘管I/O只是一根線，我們通過它傳輸的數據卻是包含有很多比特的。因此，它所傳輸的數據是經過類似前面談到的串行接口那樣的分時編碼的。
不過，芯片怎樣才能知道I/O接口上哪個時刻的電平屬於哪個比特呢？這就需要CLK這個時鐘信號。所謂時鐘信號，是按照一定頻率上下變化的邏輯電平。在芯片當中，寄存器在時鐘電平的上升沿或者下降沿，將I/O上的電平記錄下來，成為一個比特。這樣每一個時鐘週期，可以傳送一個比特。反過來，芯片向外輸出其中數據時，也需要時鐘信號的驅動，使之每個週期輸出一個比特。此外，芯片中的計算功能也是利用時鐘信號來控制其節律的，一般講，每一個時鐘週期可以執行運算程序中的一個步驟。
下圖是一個廢舊智能卡的復位操作。
圖中通道1為RST信號。通道4為CLK，由於CLK的頻率相對比較高，所以圖中顯示它的電平變化非常密集。通道2為I/O信號，在沒有數據輸出時電平為高，而在傳輸數據時則上下變化。這個波形顯示當芯片收到復位信號後，送出一大串數據。這裡顯示的僅僅是開始的幾個比特。
在有一些應用中，芯片需要在斷電後仍然能夠記憶一些信息，類似U盤那樣。這就需要芯片裡有 EEPROM 或 FLASH 這樣一類存儲單元。這些存儲單元在寫入信息時，往往需要相對比較高的電壓。前面圖中的第6腳，C6-VPP 就是用來提供這個電壓的。
由於這種有芯片的信用卡或銀行卡具有一定的加密功能，因此比起只有磁條的普通信用卡，其安全性提高了很多。
RFID與數據編碼
前面談到的接觸式芯片卡固然有很多優點，但在一些需要快速完成驗證的應用，比如公交地鐵的檢票系統中，乃至電子門禁中，就不是非常方便了。在這類應用中，人們普遍選用非接觸的RFID芯片卡。在有的城市公交或地鐵系統中，車票本身就是一張RFID芯片卡，整個卡製作在一張硬紙片上，然後在另一面貼上一層紙保護起來，成本極低。這樣的車票放在水裡浸泡一段時間就可以很容易揭開，暴露出完整的RFID的構造。
這種RFID卡中佔據空間最大的是用金屬薄膜製做的一個線圈，這個線圈是芯片與外界連接的唯一通道。從下面圖中，我們可以看清楚線圈右下角的結構。可以看到有一根跳線，將線圈內圈與外邊金屬連接。最終，線圈的兩端與一個芯片連接在一起。
芯片需要有電才能工作，因此怎樣向芯片供電是這類技術的頭等大事。對於接觸式的芯片卡，人們可以利用一對接點來供電，但對於RFID，則只能通過線圈供電。當RFID接近讀卡機時，讀卡機首先發出一段時間的射頻電磁波。比較常用的頻率是13.56 MHz，當然有時也有工作在比較低的頻段（120-150 kHz）或者很高頻段（433 MHz以上）的情形。變化的電磁場通過線圈產生感生電動勢，經過芯片整流，變成芯片可以使用的電能。
芯片根據其內部存儲的數據，改變自己的有效載荷，有的時間段顯得負載重，有時顯得負載輕，這樣就實現了對周邊電磁場的調製。這個情形，有一點像是RFID芯片在發電報，儘管不是用摩爾斯電碼，儘管發報距離僅僅幾個釐米，而且發報機的電源還是收報方通過變化的電磁場提供的。讀卡機根據周邊電磁場的強弱變化情況，就可以知道RFID中的芯片在“說”什麼了。有了RFID技術，刷卡上車，刷卡進站，刷卡開門這些我們生活中常見的事情才成為可能。
摩爾斯電碼的確並不神秘，但它的意義還是很大的。摩爾斯電碼出現時，人們甚至還沒有幻想到計算機這個東西。但是電信號編碼這樣一個思想，卻深刻地影響著計算機技術的發展。實際上，摩爾斯電碼本身，是人們迄今使用時間最久的電信號編碼方法。所以我們應該感謝諜戰劇普及了摩爾斯電碼這個名稱，因為在我們今後的技術發展中，它還可能會繼續帶給我們新的啟示。
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