參考資料：王麗娜 主編《現代通訊技術》國防工業出版社

通訊基礎

緒論

通訊是什麼

• 通訊：傳送者通過某種媒體以某種格式來傳遞資訊到接收者以達致某個目的。

通訊發展歷程

• 法拉第：電磁感應 => 電氣通訊
• 電報（摩爾斯，Morse，電磁感應的最早應用）=> 電話（貝爾，Bell）=> 無線電（馬可尼） => 電視（貝爾德） => 衛星通訊（1957，蘇聯） => 光纖（1966，高錕） => 行動通訊（1973、摩托羅拉） => 網際網路（1983，阿帕網） => 大融合時代（未來）

未來通訊趨勢

• 通訊理想目標-5W
  實現任何人（whoever）在任何時間（whenever）、任何地點（wherever）與任何人（whomever）進行任何種類（whatever）的資訊交換。

1.1 通訊的基本概念

訊號

資訊：各個事物運動的狀態及其存在方式的不確定性的描述
訊息：包含資訊的語言、文字、如此昂等
訊號：承載資訊的物理量
訊息包含資訊，是資訊的載體，但不是物理性的；訊號包含資訊，是資訊的載體，是物理性的。

• 通訊系統傳送的是訊息
• 資訊只有依附在某種物理形式的載體上才能夠作為訊號得以傳輸

訊號分類

• 按取值分：模擬訊號（連續值）、數字訊號（離散值）
  • 模擬訊號 ： 指取值連續的訊號
    • 模擬訊號可以再分為：連續的模擬訊號、離散的模擬訊號（即模擬訊號的數字化過程）
  • 數字訊號 ： 指訊號取值 只能 是分立的邏輯值。

思考：
為什麼將模擬傳輸轉化為數字傳輸 ？（特點、優劣勢）訊雜比的程度會降低、提高通道的利用率

為什麼逐步會由數字傳輸替代 ？保密性、抗干擾能力

當數字訊號經過多次轉換、中繼、遠距離傳輸後訊雜比的程度會降低，而模擬訊號經過多次中繼後會產生比較嚴重的訊雜比惡化，嚴重降低傳輸訊號的質量。
模擬訊號數字化以後可以很方便地進行時分或碼分多路傳輸，從而可有效地提高通道的利用率。
模擬訊號的數字傳輸技術已廣泛應用於現代通訊的各個領域，從有線的程控交換機到無線的GSM、CDMA手機，從衛星數字電視廣播到長途光纖通訊到處都有數字化的訊號存在。

訊號的特性

• 訊號時域特性：表達的是訊號幅度A、頻率f、相位 φ隨時間變化的規律。
• 訊號頻域特性：表達的是訊號 幅度、 相位隨 頻率 變化的規律。

訊號是由各種頻率的波混合在一起組成的

• 訊號頻寬 (Hz)
  • 訊號頻譜的寬度（也就是訊號的最高頻率分量與最低頻率分量之差），表示該訊號所擁有的頻譜範圍。
  • 單位：赫茲（Hz）

通道

• 通訊通道： 指訊號傳輸的通道，也就是訊號從傳送者到接收者之間所經過的傳輸媒介。

按媒介實體分類

• 有線通道：可以引導電磁波傳輸的線纜，包括雙絞線、同軸線、光纖。
• 無線通道： 以自由空間輻射無線電磁波為傳輸方式通道

  • 無線電波傳播途徑
    

    -地波（中長波）、天波（中短波）、視線（超短波、微波）、對流層（400-600MHz）
    
• 儲存通道：磁帶、光碟、U盤、磁碟等資料儲存媒質也可以被看作是一種通訊通道

儲存所對應的通訊是不同時間的兩個物件之間的通訊過程，儲存也是通訊！

按傳輸特性分類

• 通道傳輸特性：描述包含不同頻率分量的訊號經過通道傳輸後的幅度和相位變化情況。

• 相頻特性-群延遲-頻率特性（不同頻率傳播的速度不同）

  
  
  
• 通道傳輸特性隨時間變化的快慢進行分類：
  • 恆參通道 ：通道傳輸特性不隨時間變化or變化緩慢。如有線通道、衛星鏈路、某些視距傳輸鏈路。
  • 隨參通道 ：時變通道，傳輸特性隨時間隨機變化。如天波、地波傳輸通道、各種散射通道。

工作方式

• 單工通訊（廣播電臺、傳統電視臺）：資訊只能單向傳送
• 半雙工通訊：資訊可以雙向通訊，但是必需輪流而不能同時進行
• 全雙工通訊：資訊可以同時進行雙向通訊

傳輸方式

按照收發端時鐘一致性分類 ：

同步傳輸 與 非同步傳輸

在通訊系統中，特別是數字通訊系統中，要求收發雙方保持步調一致才能實現訊息的正確傳輸。

按照訊息傳輸時的排列方式分類：

並行傳輸 與 序列傳輸

• 序列通訊採用1路通道，每次傳輸一個符號
• 並行通訊採用多路通道，每次可同時傳輸多個符號

1.2 通訊系統

基本模型

信源、信宿和通道構成了通訊系統的 三個基本要素

• 狹義通道： 具有不同物理性質的各種傳輸媒介，如電纜，光纜，大氣等。
• 廣義通道： 包括了信源和信宿之間的所有傳輸物質，包括編碼譯碼、調製解調以及收發機不理想特性等。

分類

• 按照通訊業務的分類
  單媒體通訊系統、多媒體通訊系統
  實時通訊系統、非實時通訊系統
  單向傳輸系統、互動傳輸系統
  窄帶通訊系統、寬頻通訊系統
  ……
• 按照傳輸媒介分類
  有線通訊系統
  無線通訊系統
• 按照訊號特徵分類
  模擬通訊系統
  數字通訊系統
• 按照調製方式分類
  基帶傳輸系統: 對於原始訊號不進行加工（調製）而直接傳輸。
  頻帶傳輸系統: 對原始訊號進行調製後傳輸。

• 模擬訊號的調製：

  
  
  

• 數字訊號的調製：

  
  
  

載波頻率>>訊號頻率

衡量指標

• 資訊傳輸的角度 ：
  • 有效性: 衡量通訊系統傳輸資訊的能力。
  • 可靠性: 衡量通訊內容傳輸的準確性。
• 傳輸速率 ： 單位時間內通過通道的通訊資料量。
  • 位元速率： 每秒單位時間內通過的 位元個數，單位 bit/s
  • 符號速率/ 波特率/ 碼元速率 ：每秒單位時間內通過的 碼元個數， 單位Baud
  • 位元率 R_b 與符號率 R_B 的關係： R_b = R_B · lg₂ N ，這裡，N為調製級數，可以理解為調製狀態數。
• 頻帶利用率 ：單位頻寬內的系統位元傳輸速率。
  • 其計算公式有：η = R_b/B (bit/s/Hz)
• 差錯率：通過最終的符號或位元錯誤傳輸的數量，來衡量通訊系統傳輸準確性。
  • 誤符號率（SER：Symbol Error Ratio）：SER = 錯誤符號個數/總符號個數
  • 誤位元率/ 誤位元速率（BER：Bit Error Ratio）：BER = 錯誤bit個數/總bit個數
• 訊雜比 (Signal-to-noise ratio，縮寫為 SNR 或 S/N)：指有用訊號功率與噪聲功率的比例

  • 相當於訊號幅度和噪聲幅度比的平方：

    
    
    
  • 訊雜比的計量單位通常採用dB，那麼有：
    
    

BER 和 SNR 之間存在相對應的關係, 同時與訊號調製格式相關，在相同的BER下，高階調製需要更多的SNR。

容量

• 夏農公式：計算訊號平均功率受限於高斯白噪聲時的通道容量
  

  
  
  B為通道頻寬(Hz), C為該通道無差錯傳輸的最大速率(bit/s)
  無限制增大頻寬B，可以無限制增大通道容量C嗎？不能，用無窮的那個公式化簡，得到C ≈ 1.44·P_s/n₀

• bit 是資訊，是訊息中所包含的有效內容，資訊量的多少與出現的概率有關。

  
  
  
  
  
  
  
  

  P(x)表示訊息發生的概率，I(x)表示訊息中所含資訊量

  • 等概率出現的離散訊息的度量：負對數

  • 非等概率出現的離散訊息的度量：平均資訊量/ 熵