Chapter 02 基本通訊概念

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2024/06/18 Edited by Ting

三種資料傳輸方式

1. 單工 Simplex
   • 僅能單向傳輸。
   • 例如：電台、電視的廣播。
2. 半雙工 Half-duplex
   • 可以雙向傳輸，但一次只能傳一方向，不可同時進行傳輸。
   • 例如：無線電對講機。
3. 全雙工 Full-duplex
   • 可以雙向傳輸，無限制。
   • 像是：電話、手機。

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傳輸訊號

傳輸訊號可以分成2種:

• 類比訊號(Analog Signal)：存在於自然界的一種連續訊號。
• 數位訊號(Digital Signal)：一般數位式電腦中的高低訊號。

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訊號的特性

3個重要的因子：

• 振幅 Amplitude，即大小 Magnitude，m(t)。
• 頻率 Frequency，f(t)。
• 相位 Phase，θ(t)。

訊號

$S(t)=m(t)cos[2\pi f(t)+\theta (t)]$

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傳輸距離

無線電以光速 (

$3\times {10}^{8}m/s$ ) 進行傳輸：

• $\mathrm{光}\mathrm{速}c=f(\mathrm{頻}\mathrm{率})\ast \lambda (\mathrm{波}\mathrm{長})$
• $\lambda$愈大，訊號含括範圍愈大，但
  $f$相對低，傳送速度慢(網速慢)
• 一般信號傳輸是用微波(
  $\lambda$：1mm 至 1m，
  $f$: 300GHz 至 300MHz)或紅外線(
  $\lambda$：760nm 至 1mm，
  $f$：400THz 至 300GHz)。

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調變(Modulation) & 解調(Demodulation)

• 調變：將一個或多個週期性的載波混入想傳送之訊號。
• 解調：調變的逆過程叫做「解調」，用以解出原始的訊號。
• 載波
  $C(t)=A_c\times cos(2\pi f_{c}t+{\theta }_c)$
• 常見調變方式：

1. AM(Amplitude Modulation; 振幅調變)：

   • 載波的頻率、相位不變，僅在"振幅大小"變化。
     

2. FM(Frequency Modulation; 頻率調變)：

   • 載波的振幅、相位不變，僅在"頻率"上變化。
     

3. PM(Phase Modulation; 相位調變)：改相位

   • 載波的振幅、頻率不變，僅在"相位"上變化。

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數位調變處理

從類比訊號到數位傳輸，要經過3個流程(取樣)->(量化)->(編碼)。

1. ASK(Amplitude Shift Keying; 振幅位移鍵)

• 透過載波的振幅變化來表示數位訊號的一種振幅調變方式。
• 當訊號為1，振幅變大。

2. FSK(Frequrncy Shift Keying; 頻率位移鍵)

• 利用頻率差異的訊號來傳送資料的調變方式。
• 當訊號為1，頻率變大。

3. PSK(Phase Shift Keying; 相位位移鍵)

• 相位差異的訊號來傳送資料的調變方式。
• 當訊號為變化，相位保持不變。
  

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取樣 Sample

• 在某個時間間隔內，對類比訊號進行取樣，即將連續時間性的訊號在時間軸上進行分割。
• 取樣次數愈密，還原訊號與原始訊號愈接近。但處理時間愈長，且記憶體容量較大。

注意：

$f_S$ 需

$\ge 2f_M$，否則取樣訊號將重疊而無法還原。

• 此時，最小的取樣頻率
  $f_S=2f_M$ 稱為奈奎斯特頻率（Nyquist frequency）。其中：基頻頻率
  $f_M$、取樣頻率
  $f_S$（即一個切換開關以
  $f_S=1/T_S$ 的速率週期性關閉，並停留
  $\tau$秒）。（
  $\tau$ = 脈波寬度）。
  

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編碼(Encodeing)處理

1. NRZ-L

• (1 = v, 0 = -v)。
• 有2V的差距，抗干擾性佳。
• 不歸零(non-return-to-zero level)。

2. NRZ-I

• (1 = inverse, 0 = keep)。
• 此模式要設初始值(-v, picture)。
• 反不歸零(non-return-to-zero, Invert on ones)。

3. Manchester

• (1 = 左下右上，0 = 右下左上)。
• 曼徹斯特編碼。

4. Differential Manchester

• (1 = inverse，0 = keep)。
• 微分曼徹斯特編碼。

5. MLT-3

• (0 -> -v -> +v -> 0 ->..)。

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多工處理

1. 分頻多工(FDM)

• 訊號間不會互相干擾，因為彼此的頻率範圍不相同，可以在單一通道達到多工。
  

2. 分時多工(TDM)

• 時間軸上切成很多時間間格[時槽(time slot)]給多人使用。
  

3. 分碼多工(CDM)

• 具備很好的抗雜訊特性，每個使用者的信號轉成的長串數碼具有互不干擾性，在同個頻帶中，就像是把其他使用者訊號視為背景雜音，不必考慮碰撞(Collision)問題。

4. 分相多工(PDM)
   

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通訊交換方式

1. 電路交換 (Circuit Switching)

• 環境中有許多交換機，藉由交換機內的交換電路，在發送端與接收端之間串接起一條專屬路徑，通訊過程中，其他節點無法對收發雙方進行通訊，此電路在通訊結束後切斷。
• 例如：電話。
  

2. 分封交換 (Packet Switching)

• 傳送資料前，先將資料分割成一連串的小封包(Packet)，並在封包加上部分的控制訊息，以便封包依照控制訊息，將資料送達目的端，目的端所有資料都到齊後，會將所有小封包重組成原始資料。
• 例如：網路傳送。
• 優點：資源效率高。僅在需要時使用資源，避免了連接保持帶來的浪費。
• 缺點：延遲較高。封包可能經過不同路徑，因此傳輸延遲較高。有時會封包損失。
  

3. 訊息交換 (Message Switching)

• 各交換節點須將收到的訊息儲存，等整個訊息完整接收後，再往下傳送到其他中間交換節點，直到傳送至目的點為止。
• 例如：電子郵件。
• 優點：成本費用較低、傳輸通道使用率高。
• 缺點：儲存需求高、延遲高。

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xDSL 數位用戶線路(Digital Subsriber Line)

1. 數位用戶線路(DSL;Digital Subscriber Line)

• 以低成本銅線為基礎所駕高速網路傳送的一種技術。

2. 非對稱數位用戶線路(ADSL;Asymmetric Digital Subscriber Line)

• 上傳和下載提供不同速率，可以更有效率的發揮線路的傳送容量。
• 距離機房(communication office)愈遠速度愈慢。

3. VDSL

• 光纖傳輸，在xDSL裡面速度最快。