摘 要：主要介绍了如何用颜色进行四进制数据存储，以及用光信号作为信息媒介的好处。重新定义了一些四进制的运算法则，同时介绍了如何利用这种存储格式进行四进制或者二进制通信与控制的方法。介绍了四进制在工程技术中的一些重要应用，总结了数据存储的本质，从而为将来用其他方式实现数据存储打下了比较坚实的基础。

　　0 引言

　　人类通过事物的不同特征来区分事物，并用不同的信号来标记事物。传统的ROM采用的是二进制存储，它利用的是高低电平的不同来标记和区分信号。由于高低电平只有0 和1的逻辑变化，所以在区分和记录较多信号时，就需要很多位数才能把每一种需要记录和表达的信号给予不同的标记，这样就显得比较繁琐，做出来的ROM 也会较大。由此，人们希望有一种能方便记录大量信息的数据存储模式。然而，要方便记录大量信息就需要更多的变化，比如笔画只有那么几种，但是可以组合成成千上万的汉字。光频（ 也可以说是颜色）有8 种常见色彩变化（ 彩虹7 色加黑色或者彩虹6 色加黑白），是一种能够方便地转化成多种信息的信号，可广泛运用于光纤通信、光电耦合、光电传感等方面。

　　本文主要实现如何利用光频之间的不同来记录信息的设计方法。

　　1 四进制数据存储理论

　　假设采用白、红、绿、黑4 种颜色来实现颜色存储，分别标号0,1,2,3,那么现在它的一位就可以表示以前二进制的两位，比如0 相当于00,1 相当于01,2 相当于10,3 相当于11.以前要用n 位二进制表示的数据，现在只需用n/2 位的颜色表示就可以了。如果我们用8 种颜色的光来表示那一位数据，就相当于3 位二进制数据了，依此类推，这样会大大减小ROM 的体积。

　　2 实现数据存储的硬件设计

　　2.1 色存器数据读成二进制

　　色存器的数据读出方法如图1 所示，即把每一种颜色涂在圆盘的不同弓形区域内。LED 端发出白光，当圆盘转动的时候，遇到弓形区域，就会通过不同的光，也就是说光束1 的颜色会有4 种变化。接下来光束1 会同时照到两个器件，两个光电三极管平行放置，但是，由于光电三极管前面有滤光片，因此只有颜色特别的光才能让三极管导通。D1 和D2 为色存器上不同颜色读出后的两位二进制数，其结果如表1 所列。

　　从表1 中可以看出，圆盘上的颜色的确记录了两位二进制数据。也同时说明如果颜色是8 种，那么光电三极管的数量将会增加到3 个，因为3 位二进制数刚好表示8 种颜色，也就是说色存器上的存储的每一位数都是八进制数。这样就实现了更大规模、高密度的数据存储。颜色一旦丰富之后就会造成圆盘上两个区的颜色相近，比如，一个区是浅绿，另一个区是深绿。假设深绿代表1,而浅绿代表2.滤光片滤过的光不是严格的某一频率，比如，浅绿色的滤光片可以通过浅绿和深绿的光，也就是说1 和2 都会透过滤光片，从而造成浅绿和深绿被仪器识别为同一信号。

　　2.2 数据的物理存储模式

　　数据存储模式有两种。方案一是把涂颜色的盘做成方形，上面的每个格子都是全等的方形，每个方格涂上不同的颜色就可以实现数据存储了。虽然这种方式简单，但是在读数据的时候探头的运动模式不好实现。方案二是把涂颜色的盘做成圆盘，把圆盘上的区域变成蛛网结构。把4 种颜色分别涂在不同弓形（ 每一个黑色线框内部的区域） 区域里，具体分布情况如图2 所示。

　　图2 中，每个扇形旋转对称，每个弓形区域代表一位数据，这样转盘只要旋转就能读出数据。旋转运动很好实现，速度也很均匀，转盘转一圈光探头就会向圆心近一格，接着从下一圈开始读数据。在数据传输过程中，读出数据的每一位占用的时间必须是相同的，比如传送1010 是不能1 的时间长而0的时间段短，因为时钟的频率是固定的，这会造成1 被多次重复读，所以数据可能被误读为110110.蛛网结构具有每一位时间恒定这个特点。扇形是对称的， 所以在每一圈里，每一位的时间是一样的。

　　可以证明在不同圈中，光探头扫过每个弓形的时间是相同的。设圆盘转速为w,每个扇形角度为θ，则光探头转过一个扇形两边的时间为t =θ/w,所以1 区域和2 区域的时间就是相同的。

　　2.3 色存器读成多进制信号

　　在电路中有时候需要处理多进制信号，那么如何将色存器的信号转化为多进制信号呢？其实，色存器记录的信号本身就可以看作四进制光信号。在某些情况下可以直接传输光信号而不必用电信号。比如要让一个灯显示红色或者绿色，那么直接用光纤将图1 中的光束1 传递到指定位置即可。这样既免去了光信号转化电信号的繁琐，又避免了设置二极管等发光器件的麻烦。如果小光纤足够多，那就可以组成一个阵列变成LED 显示屏。如果把白色在色存器上涂抹为蓝色，那么就有了色光三原色，可以合成其他颜色，这就为LCD 的制作提供了新的途径。

　　多进制电信号在电路中应用比较广泛，在使用时，有必要把光信号转化为多进制电信号。方法一：可以采用8 位D/A,但是只用低两位（8 种颜色时用三位），其他都接地。这样会浪费引脚，不利于高度集成，得到的模拟信号也很小，很多时候没有实际意义。方法二：设计一个两位D/A 转换器。设计的D/A 转换器可以把Vcc 均分为4 或8 等份，而且结构简单，有利于大规模集成制作。本文采用方法二，其原理图如图3 所示。

　　由图3 可知，D1 和D2 取值相同时，V0 取值不同，并且可由图2 进行估算，估算结果如表2 所列。

　　由表2 可知，四种状态呈现等差数列，比较好区分。如果需要可以直接转化为光信号，比如，V0 接光电耦合电路，转化为电磁信号进行远距离传输。假设把色存器做成8 种颜色，那么，表2 中的V0 就是Vcc 到Vcc/8 的8 项等差数列。

　　3 四进制逻辑定义

　　逻辑运算仍然由3 种基本运算与、或、非构成。这三种基本运算都转化成两位二进制数按位进行逻辑运算，终结果再转化为四进制结果，比如1 & 3=01 & 11=01=1.

　　在这里新定义了另一种运算：0 · 1=1,1 · 0=2,0 · 0=0,1 · 1=3 ;也就是按位组合成四字逻辑数。如果A=011,B=001,则Y=A · B=023.

　　4 色存器的信号传输和控制应用

　　4.1 二进制的通信与控制

　　D1 和D2 两根线上的数字信号只有四种可能，而表1 中已经用0 到3 表示出来了。只需再加一根时钟线或者设置好收发装置的波特率就可以实现二位数据并行传输。由于光束1由同一光源发出，所以照射在两个（ 或者多个） 三极管上的时间差几乎为0,传输出来的并行信号是严格同步的。同样，如果需要对两个器件实现不同的操作，那么可以让D1、D2 分别操控两个元件。比如：D1 需要一个101110011 的序列信号，D2需要一个011000101 的序列信号，那么色存器上的内容就是D1 · D2=213220123.由于颜色在之前就已经编码，所以只需要对号入座就能知道色存器上需要的颜色。

　　4.2 四进制的通信与控制应用

　　由表2 可知，可以让V0 产生四种不同的电压，因此还可以利用这种方式产生阶梯波。如果色存器是8 色的，那阶梯波就会更细。如果用一根数据线传输四进制信号，就可以把两根二进制的信号线合并起来，传输到需要的地方再解码为二进制数据。这样不仅节约材料，而且两根二进制数据线上的信号还可以做到严格同步。四进制方面还有新的应用。比如，首先对数字图像进行四进制小波分解；其次，在小波域内选择水印位嵌入的系数块，然后利用神经网络从嵌入水印的图像中恢复原始水印信息，实验结果表明，这种水印算法具有很好的性能。

　　还可以在电域进行四进制差分编码的偏振移位键控通信系统，可克服单模光纤中光偏振态随机扰动对接收效果的影响。近新出了一种技术，根据VMCK 调制原理，利用Simulink 搭建了超窄带系统的四路信号复用系统，并进行分析。

　　5 结语

　　本文讲述的是如何利用光频（ 颜色） 的不同存储信息来进行四进制或者二进制通信与控制的方法。世界的物质之所以丰富多彩，是由于基本单元的不同一层层嵌套而得到的结果，比如原子与原子的不同构成分子，分子与分子的不同组合构成万事万物。如果我们可以找到一些类似原子的基本变量， 就可以由这些基本变量的组合去区分更多事物，比如数字信号的0和1 就像原子，组合出的序列就像不同分子和分子组合成的事物。这样就可以利用其他物质的不同来存取信息。光存储在不同方面所表现出来的不足就是可由其他形式的存储来替代。