第 2 章

1. 第 2 章 資料通訊

2. 本章提要 • 2-1 數位與類比 • 2-2 基頻傳輸與寬頻傳輸 • 2-3 基頻編碼技術 • 2-4 寬頻調變技術 • 2-5 同步化 (Synchronization) • 2-6 單工與雙工 • 2-7 頻寬 • 2-8 結語

3. 前言 • 資料要透過傳輸媒介 (Media) 從發送端傳遞到接收端, 得先依照傳輸媒介的特性, 將資料轉換成傳輸媒介上所承載的訊號 (Signal)。接收端自傳輸媒介取得訊號後, 再將其還原成資料。 • 不同傳輸媒介所承載的訊號類型各不相同, 訊號的物理特性也各異：

4. 前言

5. 前言

6. 前言

7. 前言 • 儘管不同傳輸媒介承載各自不同的訊號, 銅質纜線承載的是電流訊號, 光纖纜線承載的是光訊號, 無線通訊則透過天空傳遞電磁波訊號。 • 但有趣的是, 無論各種訊號之間的差異有多大, 將資料轉換成各類訊號的方式卻大致相同, 有共通的脈絡可循。

8. 2-1 數位與類比 • 2-1-1 資料的數位與類比 • 2-1-2 資料的數位化 • 2-1-3 訊號的數位與類比 • 2-1-4 數位化時代的來臨

9. 2-1-1 資料的數位與類比 • 顧名思義, 數位泛指一切可數的資訊, 類比則是那些只能透過比較技巧進行區分的不可數資訊。 • 舉例來說, 傳統的水銀溫度計就是類比裝置, 現代的數字溫度計則是數位裝置。

10. 資料的數位與類比 • 在傳統的溫度計上, 水銀的體積會隨溫度的變化而熱漲冷縮, 透過玻璃管柱旁的刻度便可讀出溫度值。水銀在管柱內升降時, 不見得就會準確地落在刻度上, 刻度與刻度之間, 有著無限多種可能的高度, 所以算是類比裝置。相形之下, 現代的數字溫度計上的溫度有變化時, 每個溫度值則會直接跳到下一個溫度值, 兩個溫度值之間並不存在其它的數值, 所以它是數位裝置。

11. 資料的數位與類比 • 數位資訊由可數的資訊元素所組成。可數的資訊有一個最小的分階單位, 元素與元素之間, 不存在任何中間狀態, 也就是說元素與元素之間不存在其它中間元素。 • 依序將不可數元素排列起來會呈現出鋸齒狀的不連續性分布。

12. 資料的數位與類比 • 類比資訊由不可數的資訊元素所組成。不可數的資訊元素不分階, 元素與下一個元素之間可以存在無限多種中間狀態, 換句話說也就是元素與元素之間還存在著無數個中間元素。 • 依序將不可數元素排列起來會呈現出較平滑的連續性分布。

13. 資料的數位與類比

14. 指針錶也是數位裝置！ • 無庸置疑的, 數字錶是數位裝置, 但指針錶也不例外。 • 指針錶的指針在齒輪的帶動下, 在錶面刻度間停停走走, 時間一到, 立即跳到下一個刻度上停下來, 不在刻度之間的位置稍做停留。所以,它也是一種數位裝置！

15. 2-1-2 資料的數位化 • 未量化的類比資料, 經過量化的取樣(Sampling) 過程後, 還是可以轉換成數位資料。舉例來說, 兩顆石頭, 在只知一重一輕的情況下, 我們只是掌握兩者在重量上的類比資訊, 一旦將兩者秤重後, 得知兩者重量分別為 62.3 與 45.9 公克後,我們便掌握了兩者重量上的數位資料了。 • 由於類比資料經過取樣過程後就變成了數位資訊, 所以這種取樣過程也常被稱為數位化(digitize) 。

16. 2-1-3 訊號的數位與類比 • 在傳統的電話系統之下, 發話端利用聲音的類比震動直接改變傳輸電流大小, 在銅質纜線上產生出類比電流變動, 接收端則依據『類比電流變動』還原出類比震動的聲音。 • 在整套傳輸過程中沒有對訊號的電流變化狀態進行量化分階動作, 所以是類比資訊透過類比訊號傳遞的典型例子。

17. 訊號的數位與類比 • 至於現代的區域網路數位傳輸技術, 以二階的基頻傳輸為例, 在傳送由 0 與 1 所組成的數位資訊時, 發送端會依照資料位元的內容 (0 或 1) 分別輸出高低兩種電位狀態。接收端則依據電位的高低狀態還原出資料內容。在傳輸過程中發送端送出的訊號狀態只有兩種, 接收端也只依據這兩種訊號狀態還原資料。訊號的製作與解讀時都對訊號狀態進行分階動作, 所以是數位資訊透過數位訊號傳送的典型例子。

18. 訊號的數位與類比 • 由於數位訊號的訊號狀態有分階, 所以抗雜訊與失真的能力較佳。以 +1V 與-1V 所組成的二階基頻訊號為例, 發送端與接收端只承認這兩種電位狀態。發送端若送出一個 +1V 訊號, 傳輸途中就算有一個 -0.1V 的雜訊混入, 接收端依舊會將這個 +0.9V 的訊號視為 +1V 訊號, 無形之中也就將雜訊所造成的影響過濾掉了。

19. 2-1-4 數位化時代的來臨 • 為了資訊處理上的方便, 以數位方式來處理各種資訊已是大勢所趨。日常生活中的聲音、影像、圖片等資料, 透過數位化程序轉變成數位資料, 再接著進一步的處理、壓縮、傳遞與儲存。早期還有透過類比訊號傳遞類比資訊的資料通訊方式, 現今隨著數位通訊技術的突飛猛進, 類比資訊一律透過數位化程序轉變成數位資訊, 再透過數位傳輸技術傳送。

20. 2-2 基頻傳輸與寬頻傳輸 • 訊號的傳輸方式分為兩大類：基頻(Baseband) 傳輸與寬頻 (Broadband) 傳輸。 • 其中基頻傳輸是『直接控制訊號狀態』的傳訊方式；寬頻傳輸則是『控制載波 (Carrier) 訊號狀態』 的傳輸技術。

21. 此寬頻非彼寬頻！ • 在各種新聞媒介與廣告中, 常常會出現『寬頻上網』這類字眼。這裡的『寬頻』是表示線路的傳輸頻寬很『寬』, 所以連線速率很快, 相形之下傳統的數據機連線則被譏為『窄頻連線』。 • 此時的寬頻, 就跟有無載波全然無關了。只是不同的事物湊巧套用到同一個名稱罷了。

22. 2-2-1 基頻訊號的發送與接收 • 基頻 (Baseband) 傳輸是直接控制訊號狀態的傳訊方式, 以銅質纜線上的電流訊號為例, 便是直接改變電位狀態來傳輸資料：

23. 2-2-2 載波訊號的調變與解調 • 要明白寬頻傳輸技術, 就一定得認識載波 (Carrier Wave)這個主角。 • 所謂的載波是指可以用來載送資料的訊號。因為資料並不是直接轉換為訊號送出去, 而是要透過改變載波訊號的特性來承載資料, 訊號到達目的地之後, 才由接收端將資料從載波訊號上分離出來。

24. 載波訊號的調變與解調 • 在實作上, 我們是以正弦波訊號作為載波, 並根據資料內容是 0 或 1 來改變載波的特性 (通常是改變頻率、振幅或相位其中一種), 接收端收到這個被修改過的載波後, 將它與正常的載波 (正弦波) 比較, 便可得知哪些特性有變動, 再從這些變動部份推得原本的資料, 這種傳輸方式便是寬頻傳輸的重要特性。

25. 載波訊號的調變與解調

26. 載波訊號的調變與解調 • 上述將資料放上載波的動作稱為調變 (Modulation) , 執行調變動作的裝置或程式稱為調變器 (Modulator)；而將資料與載波分離的動作稱為解調 (Demodulation) , 執行解調變動作的裝置或程式稱為解調器 (Demodulator)。

27. 2-2-3 載波傳輸不等於類比傳輸 • 由於早期的載波傳輸都應用在類比傳輸上, 例如：AM 與 FM 無線電廣播、類比電話系統、類比式無線電視系統、類比式有線電視系統等, 所以早期的教科書都喜歡將載波傳輸與類比傳輸畫上等號。 • 然而寬頻傳輸也用到載波傳輸, 於是寬頻傳輸就被歸類成類比傳輸, 其實這並不正確。

28. 載波傳輸不等於類比傳輸 • 隨著載波在數位傳輸上的應用越來越頻繁, 通訊衛星的無線載波通訊早已數位化, 未來將普及的HDTV (高解析度電視) 廣播訊號也採用數位載波訊號傳送電視節目。

29. 2-2-4 載波傳輸不等於單向傳輸 • 另外, 早期教科書常以乙太網路中同樣採用同軸纜線的 10Base2 與 10Broad36當作基頻傳輸與寬頻傳輸的比較。 • 10Base2 的基頻訊號可以沿著同軸纜線上的兩個方向傳遞出去, 但 10Broad36 的寬頻訊號卻僅能沿著同軸纜線上一個固定方向傳遞過去。

30. 載波傳輸不等於單向傳輸

31. 載波傳輸不等於單向傳輸 • 當然, 這也僅是 10Base2 與 10Broad36 兩者之間的差異, 並非所有的基頻傳輸與寬頻傳輸都『必定』如此。

32. 2-2-5 小結 • 傳輸訊號可以區分出的訊號狀態越多階, 所能代表的資訊也就越多。隨著數位訊號處理技術的進步, 相信未來還會有可以區分出更多邏輯狀態的傳輸控制技術 (無論是基頻傳輸或是寬頻傳輸) 呈現在世人面前。

33. 2-3 基頻編碼技術 • 為了方便解釋各種基頻 (Baseband) 傳輸控制技術如何將資料轉換成訊號, 以下便以電流脈衝為例說明。 • 至於光纖與無線電磁波的基頻傳輸, 則套用相同原理即可。

34. 2-3-1 二階基頻訊號的編碼方式 • 在基頻傳輸的演進過程中, 最早出現的是採用二階訊號的基頻傳輸。所謂的二階訊號, 是指訊號上僅能區分出兩種邏輯狀態。以電流脈衝來說, 便是兩端電位的『高』與『低』。 • Nonreturn-To-Zero (NRZ, 不回歸零) • 1 = 高電位 • 0 = 低電位

35. 二階基頻訊號的編碼方式 • 這是最原始的基頻傳輸方式, 100VG-AnyLAN 網路便採用這種編碼方式。

36. 二階基頻訊號的編碼方式 • Return-To-Zero (RZ, 回歸零) • 1 = 在位元的前半段保持高電位, 後半段則恢復到低電位狀態 • 0 = 低電位 • 10Mbps ARCNET 網路採用此編碼方式。

37. 二階基頻訊號的編碼方式 • Nonreturn-To-Zero-Inverted (NRZI,不回歸零反轉) • 1 = 變換電位狀態 • 0 = 不變換電位狀態

38. 二階基頻訊號的編碼方式 • 10Base-F 網路採用這種編碼方式。

39. 二階基頻訊號的編碼方式 • Manchester (曼徹斯特)：會固定在每個位元中變換電位狀態： • 1 = 由低電位轉變到高電位 • 0 = 由高電位轉變到低電位

40. 二階基頻訊號的編碼方式 • 10Base-T 網路採用這種編碼方式。

41. 二階基頻訊號的編碼方式 • Differential Manchester (差動式曼徹斯特)：沿襲了『曼徹斯特』固定在每個位元中變換電位狀態的做法, 電位狀態的變化方式則有所不同： • 1 = 顛倒上一個位元的電位狀態變化方式 • 0 = 沿用上一個位元的電位狀態變化方式

42. 二階基頻訊號的編碼方式

43. Token Ring 網路採用這種編碼方式。 二階基頻訊號的編碼方式

44. 2-3-2 多階基頻訊號的編碼方式 • 就三階的電流脈衝而言, 訊號通常區分成三種電位狀態，分別為：正電位、零電位、負電位。三階的基頻傳輸方式有： • Bipolar Alternate Mark Inversion (Bipolar-AMI, 雙極交替記號反轉)：早期 TCarrier網路 (詳見第 6-2 節) 採用這種編碼方式。 • Bipolar-8-Zero Substitution (B8ZS, 雙極訊號八零替換)：新式 T-Carrier 網路採用這種編碼方式。

45. 多階基頻訊號的編碼方式 • High density bipolar 3 (HDB3, 高密度雙極訊號 3)： E-Carrier 網路採用這種編碼方式。 • Multilevel Transmission 3 (MLT-3, 多階傳輸 3)： 100Base-TX 網路採用這種編碼方式。 • 後來可以區分出五種邏輯狀態的『脈衝振幅調變 5』 (PAM5) 基頻傳輸也問世了, 100Base-T2 與 1000Base-T 皆採用這種五階基頻編碼方式。

46. 多階基頻訊號的編碼方式 • 在眾多三階基頻傳輸技術中, 讓我們深入探究 100Base-TX 網路所採用的MLT-3 傳輸方式。這是 Crescendo Communications 公司 (在 1993 年被 Cisco 公司購併) 所發明的基頻傳輸技術, 相傳由 Mario Mazzola、Luca Cafiero 與 Tazio De Nicolo 三人共同開發出此技術的, 也因此將其命名為『MLT-3』。

47. 多階基頻訊號的編碼方式 • MLT-3 的編碼原則如下： • 0 =不變化電位狀態 • 1 =依照正弦波電位順序 (0、+、0、-) • 變換電位狀態, 如圖 2-18 所示。

48. 多階基頻訊號的編碼方式 • 所以資料串列『111000000001』將轉變成下列四種訊號狀態變化方式：

49. 多階基頻訊號的編碼方式

50. 多階基頻訊號的編碼方式