讯号传输基本原理

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1、2008.11.18,1,訊 號 傳 輸 基 本 原 理,制作人:張春方/Spring 制作日期:2008.11.18,協 昱 電 子 工 程 部,2008.11.18,2,目錄清單, 一. 訊號的傳輸模式 二. 電磁信號 三. 訊號的調變技術 四. 資料傳輸速率與頻寬的關係 五. 資料傳輸之名詞定義 六. 類比和數位資料的例子 七. 類比信號 八. 數位信號 九. 類比信號表示及傳輸類比和數位資料 十. 數位信號表示及傳輸類比和數位資料, 十一. 信號與資料選擇 十二. 類比傳輸 十三. 數位傳輸 十四. 通道容量及其相關名詞 十五. 訊雜比 十六. 數位信號的雜訊影響效應 十七. 傳輸介質

2、介紹 十八. 一般頻率的範圍 十九. 非引導性傳輸媒介信號介紹 二十. 大屏幕视频信号的干扰及解决方法 二十一. 訊號傳輸在線材上的應用,2008.11.18,3,一.訊號的傳輸模式, 單工傳輸（Simplex Transmission） 線路上的訊號只能做單向傳送,例如:廣播与電視. 半雙工傳輸（Half-Duplex Transmission）線路上的兩端可以相互傳送与接收訊號,但無法同時進行,例如:傳真機、電報機. 全雙工傳輸（Full-Duplex Transmission）線路上的兩端可以同時進行傳送与接收訊號,例如:電話与ADSL.,2008.11.18,4,二.電磁信號, 時域分

3、析: 表示成時間的函數 頻域分析: 信號是由不同頻率成分所組成,注:電磁信號是一個時間函數，也可以表示成一種頻率的函數；也就是說信號 是由不同頻率成份所組成。針對了解資料傳輸的觀點而言，頻域信號比時域信 號更重要且有幫助。,2008.11.18,5,二.電磁信號, 時域分析(I) :類比信號:其訊號強度隨時間軸呈現平滑變化 ,沒有間斷或不連續的信號數位信號:於一時間區間其信號強度維持在一個固定的準位，另一區間信號強度可改變到另一個準位 週期信號(periodic signal):是最簡單的一種信號形式，在時間軸上，它以相同的信號形式重複出現,注:一個電磁信號若看成時間函數，可以是類比或數位的形

4、式。 類比信號:時域上的類比信號其訊號強度隨時間軸呈現平滑的變化，換句話 說，其間信號沒有間斷或不連續。,2008.11.18,6,二.電磁信號,數位信號:然而數位信號於一時間區間其信號強度維持在一個固定的準位，另 一區間信號強度可改變到另一個準位。 這是理想化的定義。事實上，從一個 電壓準位轉換到另一個準位不是瞬間達成，而存在一個小的轉換區間。然而， 一個實際的數位信號大約近似一個瞬間轉換電壓準位的理想模式。 類比訊號的組成: 振幅（Amplitude） 、頻率（Frequency）、 相位 （Phase） 數位訊號的組成:二進位（Binary）系統的發明 、高低階的脈波所組成，正好 可以用

5、高階訊號代表 1，低階訊號代表 0,2008.11.18,7,二.電磁信號, 類比信號與數位信號波形,注:如圖表示一個類比信號和一個數位信號(方波)。 類比信號可以表示語音信號，而數位信號可以表示二進制0或1的資料串。,2008.11.18,8,二.電磁信號, 時域分析(II): 非週期信號:在時間軸上，不會以相同的信號形式重複出現 構成訊號的主要成份包含有1.振幅峰值(peak amplitude):信號在時域的最大值或最大強度；其單位為伏特 2.頻率(f ) :信號重複的速率單位為 週/每秒，或赫芝(Hz),注:其餘不符合前述的週期訊號定義式之信號則為非週期(aperiodic) ，在時間

6、 軸上，不會以相同的信號形式重複出現。,2008.11.18,9,二.電磁信號, 時域分析(III) 週期(T ):信號重複的時間，頻率與週期的關係為T = 1/f 相位 () :單一週期內信號在時間軸相對位置的時間差 波長 ():單一週期內佔有的距離 相鄰兩個連續週期內兩個相同相位點的距離,2008.11.18,10,二.電磁信號, 頻域分析(I)當信號的所有頻率成分是某一個頻率的整數倍，則此最小頻率稱為基礎頻率(fundamental frequency) 頻譜(spectrum)是一個信號頻率的涵蓋範圍 頻譜的寬度是信號的絕對頻寬(absolute bandwidth) 一般信號大部分的

7、能量侷限於相對窄頻帶內，此頻帶寬稱為有效頻寬(effective bandwidth)或簡單地稱為頻寬。,2008.11.18,11,二.電磁信號, 頻域分析(II)週期信號是由不同的振幅、頻率和相位之正弦波所組成 整體總和信號的週期是基礎頻率的倒數,2008.11.18,12,二.電磁信號, 類比&數位訊號的基頻與寬頻, 基頻（BaseBand） 寬頻（Broadband）,注:基频是所要传输的基带信号的频率。 宽频也叫宽带,广意上讲，“宽频”即是指宽带网也被称为“宽频网路”。,2008.11.18,13,三.訊號的調變技術, 什麼是載波 訊號在傳送之前都必須先經過調變的方式加以處理，利用一

8、個非常高頻的訊號，在傳輸媒介中載送 這些高頻的訊號因為可以搭載原始的訊號，所以我們稱之為載波 改變振幅的稱之為AM（Amplitude Modulation，調幅）、改變頻率的稱之為FM（Frequency Modulation，調頻）和改變相位的稱之為PM （Phase Modulation，調相）,注:指在有些超低音音箱上加装的一个控制机构。用于对超低音音箱所重放出 的声音稍许加以延迟，从而让超低音音箱的输出能够和前置主音箱同相位，即 具有相同的时间关系。,2008.11.18,14,三.訊號的調變技術, AM（Amplitude Modulation，調幅）,寬頻調變,2008.11.1

9、8,15,三.訊號的調變技術, FM（Frequency Modulation，調頻）,寬頻調變,2008.11.18,16,三.訊號的調變技術, PM（Phase Modulation，調相） (改變波的相位),寬頻調變,2008.11.18,17,四.資料傳輸速率與頻寬的關係,資訊攜(xei)載量與其頻寬有直接的關係，頻寬愈大資訊攜載量愈大 概論 數位信號的頻寬無限大 一般傳輸系統先將信號限制在某一頻寬內再傳送 對於任何指定的媒介而言，傳送頻寬愈大成本愈高 限制傳輸系統的頻寬會造成信號失真,注:信號的資訊攜載量與其頻寬有直接的關係，即頻寬愈大資訊攜載量愈大。 一般而言，任何的數位信號的頻寬

10、無限大，如果我們嘗試去傳送這個信號波形於 任何媒介上，傳輸系統先將信號限制在某一頻寬內再傳送。此外，對於任何指定 的媒介而言，其傳送頻寬愈大成本愈高。因此，就經濟和實際應用的觀點而言， 以有限頻寬的信號描述數位資訊是可以理解的。反過來說，限制傳輸系統的頻寬 造成信號失真，接收機識別0與1的難度變高，因此頻寬愈受限制，信號失真愈 嚴重導致較高的錯誤率。,2008.11.18,18,五.資料傳輸之名詞定義,資料(data):定義為一種傳送訊息的實體 信號(signal):是一種用來表示資料的電或電磁形式 傳輸(transmission):是一種信號的傳送與處理以達到傳送資料之目的,注:簡單地說，資

11、料(data)定義為一種傳送訊息的實體；信號(signal)是一種用來 表示資料的電或電磁形式；傳輸(transmission)是一種信號的傳送與處理以達到 傳送資料之目的。接下來，我們藉由討論類比和數位如何應用於資料、信號及傳 輸的描述，使得上述抽象的觀念能夠更清楚。,2008.11.18,19,六.類比和數位資料的例子,類比資料影像聲音 數位資料文字數字,注:其實類比和數位資料的概念非常簡單，類比資料採用某一區間的連續數值， 例如聲音和影像的強度是連續變化的，大部分的資料收集是由感應器所完成，例 如溫度和壓力都是連續的值。數位資料則採用離散的值，如文字與整數。,2008.11.18,20,

12、七.類比信號,類比信號(analog signal)是一種連續變化之電磁波，傳遞於某些介質上，適合傳遞電波信號之媒介與信號頻率有關 傳遞電波信號之媒介 :銅線( 雙絞線 )光纖電纜 大氣或空間傳播 類比信號可傳送類比和數位資料,注:在一個通訊系統上，資料是以電的信號方式從一點傳送到另一點。 類比信號(analog signal)是一種連續變化之電磁波，此電波信號與頻率有關並可 在各種媒介上傳播。 傳遞電波信號之媒介如:銅線、雙絞線、同軸電纜、光纖電纜以及無線傳播的大 氣或空間等各類傳播媒介。 最重要的是:類比信號可傳送類比和數位資料,2008.11.18,21,八.數位信號,數位信號(digi

13、tal signal)是一個電壓脈波的序列，此脈波的序列可傳送於銅線上 一般數位信號系統比類比信號系統便宜 數位信號傳輸系統較不容易受雜訊干擾 主要的缺點是數位信號比類比信號易衰減 數位信號可傳送類比和數位資料,注:數位信號(digital signal)是一個電壓脈波的序列，此脈波的序列可傳送於銅線 上，例如，一個定值正電壓準位可以表示二進制0且一個定值負電壓準位可以代 表二進制1。 數位信號主要的優點: 成本普遍地比類比信號便宜並且較不容易受雜訊的干擾。 主要的缺點: 數位信號比類比信號易衰減。,2008.11.18,22,八.數位信號,一個發射端產生兩種電壓準位脈波序列，以及此電波沿著媒

14、介傳播一段距離後接 收的電壓波形，因為衰減，在高頻處的電壓波形強度變小且波形變圓滑，由此我 們可以明顯看出衰減導致傳送信號所包含的資訊會迅速地遺失。,2008.11.18,23,九.類比信號表示及傳輸類比和數位資料,注:類比和數位資料可藉由類比和數位信號之形式傳送，上圖說明類比信號表示 及傳輸類比和數位資料。一般而言，類比資料是一個時間函數且其頻譜有限，,2008.11.18,24,九.類比信號表示及傳輸類比和數位資料,因此可以直接地以相同頻帶的電磁信號來表示，最好的例子是語音資料，語音資 料是一個聲波時其頻率範圍在20Hz到20KHz之間。然而，大部份語音能量侷限 在一個很窄的範圍內，語音信

15、號的標準頻譜是300至3400Hz，因為這頻率範圍 已相當足夠傳送一個清楚和明瞭的語音。電話裝置即以此為標準，針對輸入範圍 在300至3400Hz之間的語音可產生相同頻率-振幅形式的電磁信號，接收端反過 來將電磁信號轉成語音。 使用數據機(調變解調器)的系統中數位資料可藉由類比信號來描述。數據機以調 變某一載波頻率的方式將一連續二進制的脈波電壓轉換成類比信號，調變後 之類比信號以載波為中心佔據某些頻譜並於適合傳輸該載波頻率的媒介中傳送。 大部分的數據機將數位資料轉成在語音頻帶的信號使能在電話線上傳送。在接收 端，也有一個數據機可解調信號以回復原來的資料。,2008.11.18,25,十.數位信

16、號表示及傳輸類比和數位資料,注:類比和數位資料可藉由類比和數位信號之形式傳送，上圖說明數位信號表示 及傳輸類比和數位資料。,2008.11.18,26,十.數位信號表示及傳輸類比和數位資料,編解器(coder-decoder, codec)與數據機處理信號的情況相類似，其中類比信號 可用數位信號來表示，編解器用於語音資料的轉換。本質上，編解器將一個類比 信號直接地表示成語音資料，即用數位資料串表示該信號。在接收端，也有一個 編解器使用資料位元串去重建原類比信號，稍後再詳細探討這個主題。 最後，數位資料可用兩個電壓準位直接表示成二進制形式。為增進傳輸特性，二 進制資料通常被編碼成較複雜形式的數位信號，稍後會再探討這些。,