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第二章 數位通訊與傳輸

第二章 數位通訊與傳輸. 前言. 本章主要的內容在介紹有關數位通訊的基礎知識，首先我們從網路科技已悄悄然地掀起一波以「位元」應用為主的數位生活革命談起，接著介紹資料如何透過編碼與數位化的技術，轉換成可在電腦網路中傳播的形式，並從傳輸方法與傳輸模式提陳網路通訊的基本特質。. 本章學習重點. 瞭解數位革命對生活的衝擊 通訊系統的組成要素 訊號的種類：類比與數位 資料數位化技術 資料的編碼方法 資料通訊的傳輸模式 進階的傳輸原理與技術. 網路打破知識交流的時空籓籬. 數位革命.

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第二章 數位通訊與傳輸

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  1. 第二章 數位通訊與傳輸

  2. 前言 本章主要的內容在介紹有關數位通訊的基礎知識，首先我們從網路科技已悄悄然地掀起一波以「位元」應用為主的數位生活革命談起，接著介紹資料如何透過編碼與數位化的技術，轉換成可在電腦網路中傳播的形式，並從傳輸方法與傳輸模式提陳網路通訊的基本特質。

  3. 本章學習重點 • 瞭解數位革命對生活的衝擊 • 通訊系統的組成要素 • 訊號的種類：類比與數位 • 資料數位化技術 • 資料的編碼方法 • 資料通訊的傳輸模式 • 進階的傳輸原理與技術

  4. 網路打破知識交流的時空籓籬

  5. 數位革命 • 由美國麻省理工學院媒體實驗室主持人-尼葛洛龐帝(Nicholas Negroponte)所提出 • 過去資訊的傳遞仰賴如書籍、錄影帶等原子模式傳輸，過程緩慢而辛苦 • 新世紀最大的科技變革便是從原子傳輸蛻變為位元傳輸，以幾近光速與分毫不差的正確率，將數位化的資訊內容傳遞到全世界各地

  6. 日常生活中的數位革命 • 數位化MP3音樂以網路傳播的方式盛行 • 網路流傳的院線盜版影片，讓經營電影事業的片商傷透了腦筋 • 旅遊網站的規劃，使機票訂購、住宿訂位、旅費與路線等均能在網路上搞定 • 拍賣網站購買二手或低價商品 • 遠距教學、連線遊戲、人力仲介、投資理財電子報…等

  7. MP3音樂網站

  8. 網路電影院

  9. 旅遊網站

  10. 遠距教學

  11. 拍賣網站

  12. 人力資源網站

  13. 理財電子報

  14. 遊戲網站

  15. 資料通訊系統 • 網路是一個典型的通訊系統，其目的是為了將資料從發送端傳送至接收端，以完成資料傳遞的功能 • 為了達成這個目的，通訊系統必須衍生出許多較小的元件來分工合作，這些元件包含資料終端設備、資料通信設備、資料交換設備、傳輸訊號與傳輸媒介等

  16. 資料通訊系統(cont.) • 資料終端設備(DTE) • 資料通信設備(DCE) • 資料交換設備 (DSE) • 傳輸訊號(Signal) • 傳輸媒介(Media)

  17. 資料通訊系統(cont.) • 資料終端設備(DTE) • 實際負責傳送與接收資料的裝置，如個人電腦、伺服器、印表機等 • 資料通信設備(DCE) • 介於資料終端設備與資料交換設備間的裝置，通常用來作為設備間訊號格式之轉換如數據機、網路卡等設備皆屬之

  18. 資料通訊系統(cont.) • 資料交換設備 (DSE) • 通訊系統通常會使用中介設備來將資料作轉送或中繼的處理，常見的網路資料交換設備有交換器、路由器等 • 傳輸訊號 • 分為類比訊號(analog signal)與數位訊號(digital signal)兩種

  19. 資料通訊系統(cont.) • 傳輸媒介 • 有線 • 無線

  20. 訊號數位化技術 • 目前最廣泛使用的類比訊號與數位訊號間的轉換技術稱為Pluse Code Modulation (簡稱PCM)，是1939年由美國貝爾實驗室所研發出來的技術。 • PCM主要步驟：取樣(Sampling)、量化(Quantization)、與編碼(Encoding)

  21. 取樣 • 類比波形都是連續性的，以測量的角度而言就是運用連續值(continum value)來記錄一個波形的大小或距離 • 數位化的意思則是將類比波形切割成一段段的小波形，運用離散的階層(discrete steps)來表示此波形的大小或距離

  22. 取樣(cont.) • 在數位化的過程中，每間隔多少時間記錄一次波形大小的動作我們稱之為取樣 • 取樣的次數愈密集，將來還原時所得的訊號就會與原來的訊號愈相近，但相對的，處理取樣的時間也會愈長，所需的記憶體容量也愈大

  23. 取樣週期與取樣頻率 • 每次取樣所間隔的時間稱之為取樣週期(sampling cycle) • 每秒共取樣幾次則稱之為取樣頻率(sampling frequency) • 取樣週期(秒/次)與取樣頻率(次/秒)恰互為倒數

  24. 取樣誤差 • 取樣過程所造成的訊號失真現象稱之為取樣誤差(sampling error) • 低頻率的取樣會造成還原時訊號的大幅失真，而高頻率的取樣雖較能完整還原訊號

  25. 奈氏定理(Nyquist Theorem) • 奈氏定理又稱為取樣定理 • 奈氏定理證明了當原始訊號最大頻率為fc時，若取樣頻率fs為fc之二倍或二倍以上時(亦即fs≧2fc)，則取樣後的訊號即能精確的還原回取樣前的原始訊號

  26. 量化 • 經過取樣後的訊號，其大小為原始訊號在取樣時間點上的振幅大小，這個值必須經由量化，才能編碼為二進位的0與1

  27. 數位訊號的資料量計算 • 高品質的數位化結果必須仰賴高取樣頻率與高量化解析度 • 有時為了使訊息的傳送快速到達，我們會數位化成較低的訊號品質來傳送 • 而當訊號的品質比傳送的時間重要時，我們就會提高數位化的標準，來要求最終數位化的品質

  28. 數位訊號的資料量計算(cont.) • 舉例而言，如果我們要以CD品質數位化一段5分鐘的演講，約需多少硬碟空間來儲存？ 44.1KHz×16 bit×2(聲道)×5min×60(秒) = 423360Kbit = 52920KByte = 52.92 MByte

  29. 數位訊號的資料量計算(cont.) • 數位化資料量是相當大的，所幸語音壓縮的技術能大幅降低儲存空間的需求

  30. 訊號編碼 • 訊號的傳輸除了數位化過程會產生誤差外，傳送與接收雙方的設備因處理速度的不同也會產生誤差

  31. 常見數位訊號編碼方式 • NRZ編碼(Nonreturn-To-Zero，不回歸零) • NRZ-I編碼(Nonreturn-To-Zero-Inverted，不回歸零反轉) • 曼徹斯特(Manchester)編碼 • 微分曼徹斯特(Differential Manchester) • MLT-3(Multilevel Transmission 3)多階傳輸編碼法

  32. 常見數位訊號編碼方式之比較

  33. 傳輸模式 • 單工傳輸 • 半雙工傳輸 • 全雙工傳輸

  34. 進階傳輸原理與技術 • 基頻傳輸 • 以「直接控制訊號狀態」的方式來傳輸資料，也就是說基頻傳輸是以直接改變傳輸訊號之電位狀態來傳輸資料 • 寬頻傳輸 • 以「控制載波訊號狀態」的調變(Modulation)方式來傳送資料

  35. 基頻傳輸與寬頻傳輸

  36. 載波調變 • 波的能量與頻率之間有正相關，頻率愈高則波所具備的能量便愈高，反之亦然 • 於是聲音高的訊號可以傳得比較遠，而聲音低的傳輸距離則比較近 • 載波調變的原理是利用波的傳遞是可合併與分離的

  37. 多工處理 • 一個傳輸通道若僅能服務一位用戶在線上進行傳輸，則使用績效並不好 • 為了使傳輸通道的利用率更佳，且在不增加傳輸成本的原則下，讓單一的傳輸通道傳遞更多的資料，即有所謂的多工(Multiplexing)處理的傳輸機制出現

  38. 常見的多工技術 • 分頻多工(Frequency Division Multiplexing，簡稱FDM) • 分時多工(Time Division Multiplexing，簡稱TDM)兩種

  39. 頻寬與傳輸延遲 • 競爭延遲(competing delay) • 處理延遲(processing delay) • 佇列延遲(queueing delay) • 傳輸延遲(transmission delay)

  40. Chapter-2 The End

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