引言

人類通過事物的不同特征來區(qū)分事物，并用不同的信號來標(biāo)記事物。傳統(tǒng)的ROM采用的是二進(jìn)制存儲，它利用的是高低電平的不同來標(biāo)記和區(qū)分信號。由于高低電平只有0和1的邏輯變化，所以在區(qū)分和記錄較多信號時，就需要很多位數(shù)才能把每一種需要記錄和表達(dá)的信號給予不同的標(biāo)記，這樣就顯得比較繁瑣，做出來的ROM也會較大。由此，人們希望有一種能方便記錄大量信息的數(shù)據(jù)存儲模式。然而，要方便記錄大量信息就需要更多的變化，比如筆畫只有那么幾種，但是可以組合成成千上萬的漢字。光頻（也可以說是顏色）有8種常見色彩變化（彩虹7色加黑色或者彩虹6色加黑白），是一種能夠方便地轉(zhuǎn)化成多種信息的信號，可廣泛運用于光纖通信、光電耦合、光電傳感等方面。

本文主要實現(xiàn)如何利用光頻之間的不同來記錄信息的設(shè)計方法。

1四進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲理論

假設(shè)采用白、紅、綠、黑4種顏色來實現(xiàn)顏色存儲，分別標(biāo)號0,1,2,3,那么現(xiàn)在它的一位就可以表示以前二進(jìn)制的兩位，比如0相當(dāng)于00,1相當(dāng)于01,2相當(dāng)于10,3相當(dāng)于11。以前要用n位二進(jìn)制表示的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在只需用n/2位的顏色表示就可以了。如果我們用8種顏色的光來表示那一位數(shù)據(jù)，就相當(dāng)于3位二進(jìn)制數(shù)據(jù)了，依此類推，這樣會大大減小ROM的體積。

2實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的硬件設(shè)計

2.1色存器數(shù)據(jù)讀成二進(jìn)制

色存器的數(shù)據(jù)讀出方法如圖1所示，即把每一種顏色涂在圓盤的不同弓形區(qū)域內(nèi)。LED端發(fā)出白光，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動的時候，遇到弓形區(qū)域，就會通過不同的光，也就是說光束1的顏色會有4種變化。接下來光束1會同時照到兩個器件，兩個光電三極管平行放置，但是，由于光電三極管前面有濾光片,因此只有顏色特別的光才能讓三極管導(dǎo)通。。1和。2為色存器上不同顏色讀出后的兩位二進(jìn)制數(shù)，其結(jié)果如表1所列。

從表1中可以看出，圓盤上的顏色的確記錄了兩位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。也同時說明如果顏色是8種，那么光電三極管的數(shù)量將會增加到3個，因為3位二進(jìn)制數(shù)剛好表示8種顏色，也就是說色存器上的存儲的每一位數(shù)都是八進(jìn)制數(shù)。這樣就實現(xiàn)了更大規(guī)模、高密度的數(shù)據(jù)存儲。顏色一旦豐富之后就會造成圓盤上兩個區(qū)的顏色相近，比如，一個區(qū)是淺綠，另一個區(qū)是深綠。假設(shè)深綠代表1，而淺綠代表2。濾光片濾過的光不是嚴(yán)格的某一頻率，比如，淺綠色的濾光片可以通過淺綠和深綠的光，也就是說1和2都會透過濾光片，從而造成淺綠和深綠被儀器識別為同一信號。

2.2數(shù)據(jù)的物理存儲模式

數(shù)據(jù)存儲模式有兩種。方案一是把涂顏色的盤做成方形,上面的每個格子都是全等的方形，每個方格涂上不同的顏色就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲了。雖然這種方式簡單，但是在讀數(shù)據(jù)的時候探頭的運動模式不好實現(xiàn)。方案二是把涂顏色的盤做成圓盤，把圓盤上的區(qū)域變成蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)。把4種顏色分別涂在不同弓形（每一個黑色線框內(nèi)部的區(qū)域）區(qū)域里，具體分布情況如圖2所示。

圖2中，每個扇形旋轉(zhuǎn)對稱，每個弓形區(qū)域代表一位數(shù)據(jù)，這樣轉(zhuǎn)盤只要旋轉(zhuǎn)就能讀出數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)運動很好實現(xiàn)，速度也很均勻，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)一圈光探頭就會向圓心近一格，接著從下一圈開始讀數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，讀出數(shù)據(jù)的每一位占用的時間必須是相同的，比如傳送1010是不能1的時間長而0的時間段短，因為時鐘的頻率是固定的，這會造成1被多次重復(fù)讀，所以最后數(shù)據(jù)可能被誤讀為110110。蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有每一位時間恒定這個特點。扇形是對稱的,所以在每一圈里，每一位的時間是一樣的。

可以證明在不同圈中，光探頭掃過每個弓形的時間是相同的。設(shè)圓盤轉(zhuǎn)速為w,每個扇形角度為6,則光探頭轉(zhuǎn)過一個扇形兩邊的時間為t=6/w,所以1區(qū)域和2區(qū)域的時間就是相同的。

2.3色存器讀成多進(jìn)制信號

在電路中有時候需要處理多進(jìn)制信號，那么如何將色存器的信號轉(zhuǎn)化為多進(jìn)制信號呢？其實，色存器記錄的信號本身就可以看作四進(jìn)制光信號。在某些情況下可以直接傳輸光信號而不必用電信號。比如要讓一個燈顯示紅色或者綠色，那么直接用光纖將圖1中的光束1傳遞到指定位置即可。這樣既免去了光信號轉(zhuǎn)化電信號的繁瑣，又避免了設(shè)置二極管等發(fā)光器件的麻煩。如果小光纖足夠多，那就可以組成一個陣列變成LED顯示屏。如果把白色在色存器上涂抹為藍(lán)色，那么就有了色光三原色，可以合成其他顏色，這就為LCD的制作提供了新的途徑。

多進(jìn)制電信號在電路中應(yīng)用比較廣泛，在使用時，有必要把光信號轉(zhuǎn)化為多進(jìn)制電信號。方法一：可以采用8位D/A,但是只用低兩位（8種顏色時用三位）,其他都接地。這樣會浪費引腳，不利于高度集成，得到的模擬信號也很小，很多時候沒有實際意義。方法二：設(shè)計一個兩位D/A轉(zhuǎn)換器。設(shè)計的D/A轉(zhuǎn)換器可以把Kc均分為4或8等份，而且結(jié)構(gòu)簡單，有利于大規(guī)模集成制作。本文采用方法二，其原理圖如圖3所示。

由圖3可知，D1和D2取值相同時，V0取值不同，并且可由圖2進(jìn)行估算，估算結(jié)果如表2所列。

由表2可知，四種狀態(tài)呈現(xiàn)等差數(shù)列，比較好區(qū)分。如果需要可以直接轉(zhuǎn)化為光信號，比如，V0接光電耦合電路，最后轉(zhuǎn)化為電磁信號進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。假設(shè)把色存器做成8種顏色，那么，表2中的V0就是Vcc到Vcc/8的8項等差數(shù)列。

3四進(jìn)制邏輯定義

邏輯運算仍然由3種基本運算與、或、非構(gòu)成。這三種基本運算都轉(zhuǎn)化成兩位二進(jìn)制數(shù)按位進(jìn)行邏輯運算，最終結(jié)果再轉(zhuǎn)化為四進(jìn)制結(jié)果，比如1&3=01&11=01=1。

在這里新定義了另一種運算：0?1=1,1-0=2,0-0=0,1-1=3；也就是按位組合成四字邏輯數(shù)。如果A=011，B=001，則y=A-B=023。

4色存器的信號傳輸和控制應(yīng)用

4.1二進(jìn)制的通信與控制

。1和。2兩根線上的數(shù)字信號只有四種可能，而表1中已經(jīng)用0到3表示出來了。只需再加一根時鐘線或者設(shè)置好收發(fā)裝置的波特率就可以實現(xiàn)二位數(shù)據(jù)并行傳輸。由于光束1由同一光源發(fā)出，所以照射在兩個(或者多個)三極管上的時間差幾乎為0,傳輸出來的并行信號是嚴(yán)格同步的。同樣，如果需要對兩個器件實現(xiàn)不同的操作，那么可以讓D1、。2分別操控兩個元件。比如:D1需要一個101110011的序列信號,D2需要一個011000101的序列信號，那么色存器上的內(nèi)容就是D1-。2=213220123。由于顏色在之前就已經(jīng)編碼，所以只需要對號入座就能知道色存器上需要的顏色。

4.2四進(jìn)制的通信與控制應(yīng)用

由表2可知，可以讓V,產(chǎn)生四種不同的電壓，因此還可以利用這種方式產(chǎn)生階梯波。如果色存器是8色的，那階梯波就會更細(xì)。如果用一根數(shù)據(jù)線傳輸四進(jìn)制信號，就可以把兩根二進(jìn)制的信號線合并起來，傳輸?shù)叫枰牡胤皆俳獯a為二進(jìn)制數(shù)據(jù)。這樣不僅節(jié)約材料，而且兩根二進(jìn)制數(shù)據(jù)線上的信號還可以做到嚴(yán)格同步。四進(jìn)制方面還有新的應(yīng)用。比如，首先對數(shù)字圖像進(jìn)行四進(jìn)制小波分解；其次，在小波域內(nèi)選擇水印位嵌入的系數(shù)塊，然后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從嵌入水印的圖像中恢復(fù)原始水印信息，實驗結(jié)果表明，這種水印算法具有很好的性能[1]。還可以在電域進(jìn)行四進(jìn)制差分編碼的偏振移位鍵控通信系統(tǒng),可克服單模光纖中光偏振態(tài)隨機(jī)擾動對接收效果的影響[氣最近新出了一種技術(shù)，根據(jù)VMCK調(diào)制原理，利用Simulink搭建了超窄帶系統(tǒng)的四路信號復(fù)用系統(tǒng)，并進(jìn)行分析[3]。

5結(jié)語

本文講述的是如何利用光頻(顏色)的不同存儲信息來進(jìn)行四進(jìn)制或者二進(jìn)制通信與控制的方法。世界的物質(zhì)之所以豐富多彩，是由于最基本單元的不同一層層嵌套而得到的結(jié)果,比如原子與原子的不同構(gòu)成分子，分子與分子的不同組合構(gòu)成萬事萬物。如果我們可以找到一些類似原子的基本變量,就可以由這些基本變量的組合去區(qū)分更多事物，比如數(shù)字信號的0和1就像原子，組合出的序列就像不同分子和分子組合成的事物。這樣就可以利用其他物質(zhì)的不同來存取信息。光存儲在不同方面所表現(xiàn)出來的不足就是可由其他形式的存儲來替代。

20211021_61715e1aa198c__四進(jìn)制只讀光頻存儲器的設(shè)計