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Chapter 02. 數據通訊. 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 2-6 單工與雙工 2-7 頻寬 2-8 結語. 數據通訊. 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。. 數據通訊 — 銅質纜線的資料傳輸.
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Chapter 02 數據通訊
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 • 2-6 單工與雙工 • 2-7 頻寬 • 2-8 結語
數據通訊 • 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。
數據通訊 • 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, 無線通訊則是在空中傳遞電磁波訊號。不過, 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。
2-1 數位與類比 • 2-1-1 數位資料與類比資料 • 2-1-2 資料的數位化 • 2-1-3 數位與類比訊號 • 2-1-4 數位化時代的來臨
2-1-1 數位資料與類比資料 • 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, 現代的電子溫度計則是數位裝置。
數位資料與類比資料 • 在傳統的溫度計裡, 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。水銀柱的頂端在管柱內升降時, 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, 現代的電子溫度計上的溫度有變化時, 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。
數位資料與類比資料 • 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』。
數位資料與類比資料 • 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。依序將不可數的元素排列起來會呈現出『較平滑的連續性分布』。
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！
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）。
2-1-3 數位與類比訊號 • 在傳統的電話系統之下, 發話端利用聲音的『震動』直接改變傳輸電流大小, 在銅質纜線上產生出『電流變動』, 接收端則依據『電流變動』還原出『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。
數位與類比訊號 • 至於現代的區域網路數位傳輸技術, 以二階的基頻傳輸（詳見後文）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。
數位與類比訊號 • 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。
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。
2-2 基頻傳輸與寬頻傳輸 • 訊號的傳輸方式分為『基頻（Baseband） 傳輸』與『寬頻（Broadband）傳輸』兩大類。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。
此寬頻非彼寬頻！ • 在坊間的各種媒體宣傳中, 經常會聽到或看到『寬頻上網』、『寬頻到府』、『寬頻飆網』等等字眼。但是請讀者務必知道, 這些宣傳用語裡的寬頻（Wideband）, 不是本節所講的寬頻（Broadband）, 只是兩個英文字的中文譯名湊巧相同而已。
此寬頻非彼寬頻！ • Wideband 的寬頻代表『傳輸速率很快』的意思, 若用術語來說就是『頻寬很寬』（關於頻寬的意義, 請參見 2-7 節）。大體而言, 傳輸速率達到 64 Kbps 就可以算是寬頻, 所以利用 ADSL 或纜線數據機上網都算是寬頻上網；而 Broadband 的寬頻代表一種傳輸方式, 與頻寬大小沒有絕對關係。
此寬頻非彼寬頻！ • 舉例而言, 早期的撥號數據機使用Broadband 傳輸, 但是最大傳輸速率僅有 56 Kbps；而 ADSL 也用 Broadband 傳輸, 傳輸速率卻能達到 12 Mbps。雖然兩者都利用 Broadband 傳輸技術, 但是前者只能算是『窄頻上網』；後者才可說是『寬頻上網』。
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, 便是直接改變電位的高低來傳輸資料：
2-2-2 寬頻訊號的發送與接收 • 要明白寬頻傳輸技術, 就一定得先認識『載波（Carrier Wave）』這個主角。所謂的載波是指『用來載送資料的電波』。因為寬頻傳輸並不是像基頻傳輸一樣, 將資料直接轉換為訊號送出去, 而是將資料加入載波中一齊送出, 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。
寬頻訊號的發送與接收 • 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核心。
寬頻訊號的發送與接收 1發送端的載波產生器輸出正弦波訊號給調變器。 2調變器依據資料內容改變正弦波訊號的物理特性, 送出訊號。 3解調器收到訊號後, 拿它跟接收端載波產生器所輸入正弦波訊號相比較, 過濾出物理特性上的變動。 4解調器依據訊號物理特性上的變動, 還原出資料內容。
寬頻訊號的發送與接收 • 上述將資料加入載波的動作稱為『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）』。
寬頻訊號的發送與接收 • 調變未必就是就是將數位訊號轉為類比訊號, 也可以是類比訊號轉為類比訊號, 例如：調幅（AM）廣播電台和調頻（FM）廣播電台, 都是將類比訊號加入載波中, 還是成為類比訊號。
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。
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』。
二階基頻訊號的編碼方式 • Nonreturn-To-Zero（NRZ, 不回歸零） 1 = 高電位 0 = 低電位 • 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。
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 網路採用這種編碼方式。
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
二階基頻訊號的編碼方式 • 10Base-F 網路採用這種編碼方式。
二階基頻訊號的編碼方式 • Manchester（曼徹斯特） • 『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
二階基頻訊號的編碼方式 • 10Base-T 網路採用這種編碼方式。
二階基頻訊號的編碼方式 • Differential Manchester（差動式曼徹斯特） • 『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
二階基頻訊號的編碼方式 • Token Ring 網路採用這種編碼方式。
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 T-Carrier 網路（詳見第 7-2 節）採用這種編碼方式。
多階基頻訊號的編碼方式 • 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。 • 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。
多階基頻訊號的編碼方式 • 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。 • 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。
多階基頻訊號的編碼方式 • 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』。
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, 如右圖所示：
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：
