《系統分析與設計》ppt课件

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1、第4章 WLAN的通訊技術,本章的學習重點,了解資料與訊號之間的關係。 認識無線電頻道承載資料的方式與能力。 了解無線電頻道共用的方式。 將相關的理論延伸到WLAN的領域中探討。,前言 (1),早在二十世紀初期，類比式的廣播系統調幅、調頻，由於傳播的範圍廣闊，逐漸成為人們生活中接收資訊的一種方式。 西元1948年，雪農（Claude E. Shannon）發表了通訊的數學理論之後，隨著時間演進，通訊系統與通訊理論逐漸發展成熟，也因此拓展了資訊傳遞的距離，改變人類生活模式。 直至今日，數位式通訊依照用途不同，有線、無線與通道特性，各式各樣的系統於焉誕生。 雖然種類繁多，用途亦有所不同，但是萬變不

2、離其宗，這些系統的使命，即在透過電磁波傳遞訊息。然而如何透過電磁波完成這樣的使命呢？答案就是調變！,前言 (2),對於整個通訊系統而言，輸入的訊號可以是類比或數位的，將此訊號先經過調變，再送入通道，而通道就是傳送端與接收端間的媒介。 若是在有線的環境中，以光纖為例，訊號透過發光二極體或雷射將光源射入光纖中，光纖便是通道。 通常我們以機率模型模擬訊號在通道中受到的干擾或衰減，因此只要知道通道的機率模型，便能以數學的方式模擬或分析訊號在通道中的變化。 經過通道，接收端將訊號解調變，訊號的傳遞便完成了,前言 (3),訊號裡的玄機,認識生活環境裡的資料與訊號 傳輸(transmission) 常見的資

3、料與 訊號的型式及轉換,編碼(encoding)與調變(modulation) 的技術,頻率領域的特徵,輸入訊號 : x(t) = Ai cos( ) 輸出訊號 :,數位通訊頻道的基本限制,基頻傳輸(baseband transmission) Nyquist signaling rate 薛南容量(Shannon Capacity)公式 訊號雜訊比(SNR，signal-to-noise ratio)的觀念 通訊頻道的資料速率有一些難以克服的限制,資料與訊號的轉換技術,數位資料轉換成數位訊號編碼技術 (1) 以目前狀態：NRZ-L；NRZI (2) 以狀態轉變：Manchester；Diff

4、erential Manchester 數位資料轉換成類比訊號數位調變(Digital Modulation) 類比資料轉換成數位訊號脈衝碼調變(PCM) 類比資料轉換成類比訊號 基頻訊號(Baseband Signal),PCM的原理,調變技術簡介,無線通訊裡頭的電磁波算是類比訊號 將數位資料轉換成類比訊號 將類比資料轉換成類比訊號 類比調變(analog modulation) 數位調變(digital modulation),振幅調變(AM, amplitude modulation),頻率調變 (FM, frequency modulation),數位通訊系統的架構,4-1 何謂調變

5、(1),調變是將訊號轉換為一種適合於通道的波形，解調變則是利用調變後的訊號特性，把訊號從一團混亂中解析出來。 至於轉換的方式將依據振幅、相位與頻率等特性。 因此，如何轉換訊號，並且應用這些特性完成訊號的傳輸，就是調變有趣的地方。,4-1 何謂調變 (2),調變可區分為基頻調變與帶通調變兩種 帶通調變 頻率較低的來源訊號稱為基頻（Baseband）訊號，與基頻訊號互相結合的高頻率傳輸電波，稱為載波（Carrier）訊號，例如：在IEEE 802.11技術中所採用的載波訊號的頻率為2.4GHz。 帶通調變的目的是將基頻訊號提升到一個較高的頻率載波頻率，以此載波頻率震盪的正旋函數形成電磁波傳播於通道

6、中。 換句話說，訊號頻率的位準由零轉換到一個較高的位準。通訊系統傳輸來源訊號（source message）時，為增加訊號的傳輸效能以及減少傳輸後的衰減，通常必須將低頻率的來源訊號與更高的頻率互相結合，結合後成為高頻的無線電波訊號。 這個高頻無線電波內的相位與頻率變化，隱含了來源訊號的內容，此種程序稱為帶通調變。 基頻調變 不需要轉換位準，直接轉換波形即可傳送至通道。,4-1 何謂調變 (3),基頻調變比帶通調變要簡單而且直接多了，為何還要使用帶通調變呢？ 因為許多的應用都要在同一個通道中傳輸，如果每一種應用都把自己的訊號直接往通道傳送，所接收到的訊號便會混成一團，訊號種類越繁多，能夠正確接收

7、訊號的機率就越低。 所以，我們把各種應用分別提升到規定好的載波頻率上，也就是所謂的頻率分工，達成通道共享的目的。 以帶通調變為例，當接收端收到載波訊號後，再依照反向過程來將來源基頻訊號由載波中分離，此種程序稱為解調變（De-modulation）。,4-2 調變技術,基於帶通調變與基頻調變兩項基本原理發展而成的調變技術，又可以簡略分為三大種類： 類比調變（Analog Modulation） 脈波調變（Pulse Modulation） 數位調變（Digital Modulation）,類比調變技術 (1),類比通訊是以載波頻率的相位，頻率變化來表示來源訊號的類比訊號。 類比調變具有保密性不佳

8、，系統容量受限，無法傳輸數據資料等缺點。 類比調變技術衍伸出三種不同的應用技術，分別是： 調幅（Amplitude Modulation；AM）調變技術 調頻（Frequency Modulation；FM）調變技術 調相（Phase Modulation；PM）調變技術 前兩項技術分別以載波的振幅與頻率變化來表示來源訊號。 調幅（AM）與調頻（FM）調變技術主要使用在日常生活中最容易接觸到的廣播系統，使用的方式極其簡單。調相（PM）調變技術的應用則較不廣泛。,類比調變技術 (2),類比調變技術 (3),調幅（AM）調變技術 調幅（AM）是廣播系統採用的一種調變方式，屬於類比調變，在無線的環境

9、下，使用的頻段為540 KHz到1600 KHz。調幅廣播波長約在200到600公尺的範圍，屬於中波。 除了廣播系統應用了調幅調變技術之外，在3 MHz到30 MHz高頻中的國際短波廣播，甚至比調頻（FM）廣播更高頻率的116 MHz到136 MHz飛航通訊，所使用的調變方式也都是調幅技術。 振幅調變是以帶通調變技術為基礎所發展而成，我們在使用收音機的時候，把載波頻率提升到540 KHz至1600 KHz之間，調到某電台的動作，就是移動所要接收的載波頻率。 而訊號是如何轉換的呢？ 訊號原本是聲音，因此先將聲音轉換為有正有負的訊號，調幅機制會先把訊號全部提升為零以上的值，再將頻率提高至載波頻率，

10、就產生了一個調幅的訊號。 在接收端，解調變只需要將訊號通過波封檢測器或者低通濾波器，即可得出解調之後的訊號。,類比調變技術 (4),調頻（FM）調變技術 調頻（FM）也是廣播系統採用的調變方式，亦屬於類比調變技術，使用的頻段為88MHz到108MHz。 相較於調幅（AM），調頻（FM）的頻段較高，波長較短。 調頻（FM）在28MHz到30MHz間的調變方式，也應用在太空、人造衛星通訊方面。 簡單地說，調頻（FM）是將訊號的強弱轉換成頻率的變化，因此，只需要判斷訊號頻率的快慢，就可以解調（De-Modulation）收到的訊號。,類比調變技術 (5),調相（PM）調變技術 調相調變（Phase

11、Modulation），與調頻（FM）的產生方式約略相同。 兩者最大的差異為前者訊號對應的是相位（phase），惟調相（PM）在實際應用上並不多見。,脈波調變技術 (1),脈波調變訊號的波形是長方形的，也就是在傳輸一個脈波的時間內，振幅不隨時間改變。 脈波調變是以基頻調變技術為基礎所發展而成的，又可分為類比式與數位式兩類。,脈波調變技術 (2),類比式的脈波調變技術 脈波調變針對前述的類比式調變，針對振幅、頻率與相位三個特性，分別為衍伸出三種不同的應用技術： 脈波振幅調變（Pulse Amplitude Modulation；PAM） 脈波寬度調變（Pulse Width Modulation

12、；PWM） 脈波位置調變（Pulse Position Modulation；PPM） 類比式脈波調變採用一對一的對應方式，先將輸入訊號加以取樣，訊號的振幅轉換為脈波的振幅（amplitude）、寬度（width）與位置（position），接收端則依照接收脈波的振幅、寬度與位置解調。 在光纖通訊中，脈波位置調變（PPM）是一種經常採用的調變方法。,脈波調變技術 (3),數位式的脈波調變技術 除了上述三項類比式技術之外，脈波調變還另外發展出數位式技術，也就是脈波符碼調變（Pulse Code Modulation；PCM）技術。 脈波符碼調變（PCM）是數位式脈波調變中的一種調變方式，應用最廣

13、。 早期的通信模式，大部分是採用連續型類比訊號來傳輸，但由於電腦及網路的蓬勃發展，以脈波方式直接在電腦中處理資料較為簡單與方便，脈波符碼調變（PCM）乃應運而生。,脈波調變技術 (4),脈波符碼調變（PCM） 脈波符碼調變技術須先透過取樣，取得與原訊號振幅成正比的脈波，即脈波振幅調變訊號，再將此脈波的振幅區分為N個位階，被分到哪個位階就有其對應的位元組合，得到了相對應的位元即可透過纜線傳輸。 在接收端，先將接收訊號個位元一組，轉換成振幅，再解調回原始類比訊號。 由於脈波符碼調變訊號屬於數位訊號，對雜訊的抵抗力高，且可作分時多工的多重通訊，更可透過重覆器，在一段長距離傳輸後重整數位訊號。 因此，

14、目前長距離電話語音通訊，大都採用脈波符碼調變（PCM）方式進行傳輸工作。,數位調變 (1),如果訊號是連續的，例如說將聲音轉換成的訊號，所採用的調變方式將會是前面兩個大主題所談到的調變方式（類比與脈波調變）。 如果訊號是數位的，也就是0與1的訊號，調變方式將會不同於以往。 數位調變是以載波內振幅、頻率、相位等非連續的變化來表示基頻內0與1的數位訊號。 以下介紹三種數位訊號的調變方式，包括： 振幅移鍵（Amplitude Shift Keying；ASK） 頻率移鍵（Frequency Shift Keying；FSK） 相位移鍵（Phase Shift Keying；PSK）。 三種數位調變技

15、術所採用的輸入訊號都是數位的訊號，也就是提出三種0與1的對應方式。,數位調變 (2),振幅移鍵（Amplitude Shift Keying；ASK） 開關閘將0對應到0，1對應到ACos（2fct），其中A是一個預設的振幅，Cos（2fct）是餘弦函數，fc是載波頻率。 因此，發射端只需要一個震盪器，與一個開關閘。振幅移鍵的訊號沒有完全的利用振幅的特性，使得0與1對應訊號的差異不夠大，因此效能表現並不優秀，應用的機會也較少。 簡單的說，當基頻上的訊號以載波的振幅變化來表示時，稱為振幅移鍵（ASK）方式。,數位調變 (3),頻率移鍵（Frequency Shift Keying；FSK） 二位

16、元頻率移鍵將0對應到Acos（2fct），1對應到Acos（2（fcf）t），f是一段頻率的間隔，不同的接收方式與信號的頻寬都會影響可靠傳輸的最小頻率間隔。 如果與振幅移鍵（ASK）相互比較，假設傳輸的平均能量相等，兩者有相同的效能，但若以波峰能量相等衡量，二位元頻率移鍵有較好的效能。 其缺點是頻寬的使用不具效率，效能也沒有突出的表現。簡單的說，當基頻上的訊號以載波的頻率變化來表示時，稱為頻率移鍵（Frequency Shift Keying）方式。,數位調變 (4),相位移鍵（Phase Shift Keying；PSK） 二位元相位移鍵將0對應到ASin（2fct），1對應到ASin（2fct），其中Sin（2fct）是正弦函數，是一個預設的相位，當為90與270時，會有最低的錯誤率，也稱做雙相位移鍵。 假設訊號在通道中會引入可加性白色高斯雜訊，最佳接收機的設計為經過一個關聯器、對積分於一個符元時間之內的值取樣，再判斷訊號的正負，便得出解調的信號。 此技術大多運用在無線通訊系