實體層資料傳輸 林錦財 講解

學習目標 資料與訊號 數位與類比 頻寬 基頻傳輸與寬頻傳輸 傳送損耗 基頻編碼技術 寬頻調變技術

學習目標 同步 (Synchronization) 平行傳輸與序列傳輸 同步與非同步傳輸模式 線路複用(多工) 傳輸媒介

資料通訊 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。

銅質纜線的資料傳輸

光纖纜線的資料傳輸

無線型態的資料傳輸

資料 vs 訊號 資料(data) 訊號(signal) 數位(digital): 0110… 類比(analog): 聲音、影像… 數位 類比訊號 數位訊號

資料 vs 訊號 數位資料以數位訊號傳送 數位資料以類比訊號傳送 類比資料以類比訊號傳送 類比資料以數位訊號傳送 如RS-232 調變(modulation)  數據機(modem) 類比資料以類比訊號傳送 如電台廣播 類比資料以數位訊號傳送 數位化(取樣+量化還原)，如PCM

資料的數位與類比 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。

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。

資料的數位與類比 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。

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。

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。

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。 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) 。

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。

訊號的數位與類比 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。

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。

類比訊號(載波) 週期波 正弦波sine 週期(或頻率) 振幅 相位 複合波

頻寬 通過介質的頻率範圍 最高頻率－最低頻率 範圍外頻率訊號易衰減變形 介質 銅線 光纖 無線電 濾波器(filter)

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。

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：

載波訊號的調變與解調 所謂的載波 (Carrier Wave) 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。

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, 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。 頻率 振幅 相位

載波訊號的調變與解調

載波訊號的調變與解調 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) 。 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) 。

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。

載波傳輸不等於類比傳輸 隨著載波在數位傳輸上的應用漸頻繁, 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。

載波傳輸不等於單向傳輸 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。

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。

傳送損耗(impairment) 衰減 變形 雜訊

衰減(Attenuation) db: 訊號強度(power)比 10 log10 (P2/P1) = 10 log10 (0.5P1/P1) = 10 log10 (0.5) = 10(–0.3) = –3 dB db: 電壓(voltage)比 20 log10 (V2/V1) = –? dB

變形(Distortion)

訊號雜訊比(SNR)：影響資料率(品質) 雜訊(Noise) 訊號雜訊比(SNR)：影響資料率(品質)  尼快斯特(Nyquist)公式 通道容量=頻寬×log2(1+SNR)

傳送時間 吞吐量(throughput) 位元頻寬 傳播時間(propagation time) 位元數 位元頻寬 每秒通過多少位元(bps) 傳播時間(propagation time) 與訊號在介質上的傳播速度(propagation speed)成反比 傳送時間 = 資料量/位元頻寬 + 距離/傳播速度

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。

數位線路編碼 單極 極性 雙極 不歸零 歸零

二階基頻訊號的編碼方式 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) Return-To-Zero (RZ, 回歸零) Nonreturn-To-Zero-Inverted (NRZI, 不回歸零反轉) Manchester (曼徹斯特) Differential Manchester (差動式曼徹斯特)

Nonreturn-To-Zero 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。

Return-To-Zero 10Mbps ARCNET 網路採用這種編碼方式。

Nonreturn-To-Zero-Inverted

Nonreturn-To-Zero-Inverted 10Base-F 網路採用這種編碼方式。

Manchester (曼徹斯特) 10Base-T 網路採用這種編碼方式。

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：

Differential Manchester Token Ring 網路採用這種編碼方式。

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 Bipolar Alternate Mark Inversion (Bipolar-AMI, 雙極交替記號反轉)：早期 T-Carrier 網路採用這種編碼方式。 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。

三階的基頻傳輸方式 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。

區塊編碼 4B/5B 8B/10B 8B/6T => 保持同步

4B/5B encoding Data Code 0000 11110 1000 10010 0001 01001 1001 10011 0010 10100 1010 10110 0011 10101 1011 10111 0100 01010 1100 11010 0101 01011 1101 11011 0110 01110 1110 11100 0111 01111 1111 11101

4B/5B encoding (Continued) Data Code Q (Quiet) 00000 I (Idle) 11111 H (Halt) 00100 J (start delimiter) 11000 K (start delimiter) 10001 T (end delimiter) 01101 S (Set) 11001 R (Reset) 00111

8B/6T編碼範例 用於高速乙太網路

傳輸模式 序列 平行 同步 非同步

平行傳輸 Parallel transmission

序列傳輸 Serial transmission

非同步傳輸 在非同步傳輸中，在某個位元組的前面送出一個 start bit (0)，後面送出若干個 stop bits (1s)；位元組之間可能有間隙(gap)。

同步傳輸 在同步傳輸中，送出的位元 是相接而無start/stop 位元與間隙(gaps)，而由接收者負責將位元分組

線路複用(多工) (multiplexing)

線路複用(多工，multiplexing) 將一條鏈路(link)分成若干個通道(channels)

多工類型 類比式 數位式 分頻多工 分波多工 分時多工

分頻多工(FDM) 處理

FDM 解多工(demultiplexing)

傳統電話系統的類比階層

分波多工(WDM)

分時多工(TDM)

分時多工訊框(TDM frames)

交疊(Interleaving) 同步

數位電話系統的數位階層

DS and T lines rates Service Line Rate (Mbps) Voice Channels DS-1 T-1 1.544 24 DS-2 T-2 6.312 96 DS-3 T-3 44.736 672 DS-4 T-4 274.176 4032

將多條電話線多工的T-1線 每秒取8000個樣本， 每個樣本用8位元

E line rates E Line Rate (Mbps) Voice Channels E-1 2.048 30 E-2 8.448 120 E-3 34.368 480 E-4 139.264 1920

統計式分時多工 線路有空，且有資料單元要傳送就傳送 須幟別通道，加上編號 允許通道率上限加總超過線路速率 普通的多工線路速率須大或等於通道率上限加總

反複用(併用) (inverse multiplexing)

傳輸媒介

傳輸媒介的類型 有導線的 無導線的 雙絞線 同軸電纜 光纖

雙絞線(Twisted-pair cable) 絕緣體 導體 干擾(雜訊) 串音(crosstalk) 近端 遠端

UTP 與 STP 未遮蔽式雙絞線 遮蔽式雙絞線 (unshielded twisted-pair) 金屬遮蔽 未遮蔽式雙絞線 (unshielded twisted-pair) 遮蔽式雙絞線 (shielded twisted-pair)

Categories of unshielded twisted-pair cables Category Bandwidth Data Rate Digital/Analog Use 1 very low < 100 kbps Analog Telephone 2 < 2 MHz 2 Mbps Analog/digital T-1 lines 3 16 MHz 10 Mbps Digital LANs 4 20 MHz 20 Mbps 5 100 MHz 100 Mbps 6 (draft) 200 MHz 200 Mbps 7 (draft) 600 MHz 600 Mbps

UTP 接頭(connector)

UTP 效能(performance) 較差 衰減 較好

UTP應用 DSL 10Base-T, 100Base-T區域網路

同軸電纜(Coaxial cable)

同軸電纜的分類 Category Impedance Use RG-59 75 W Cable TV RG-58 50 W Thin Ethernet RG-11 Thick Ethernet

BNC 接頭 Bayone-Neill-Concelman

同軸電纜的效能(performance) 較差 衰減 較好

同軸電纜應用 有線電視 (RG-59) 傳統乙太網路，10Base-2 (RG-58)、10Base5 (RG-11)

光纖(Optical Fiber)

光線的拐彎(Bending of light ray) 小於臨界角度， 折射 等於臨界角度， 折射 大於臨界角度， 反射

光纖傳播模式(Propagation Modes) 多模 單模 步進式 漸進式

模(Modes) 多模，步進式(橘色外皮) 多模，漸進式(橘色外皮) 單模(黃色外皮)

Multimode, graded-index Fiber types Type Core Cladding Mode 50/125 50 125 Multimode, graded-index 62.5/125 62.5 100/125 100 7/125 7 Single-mode μm 10－6

光纖的結構(Construction)

光纖的接頭(Connectors)

光纖的效能

光纖應用 網路骨幹，如SONET 有線電視光纖與同軸電纜混合式網路 區域網路，如快速乙太網路100Base-FX、和1000Base-X

光纖的優缺點 高頻寬 少訊號衰減 不受電磁干擾 耐腐蝕 質量輕 不易被竊聽 安裝/維護 單向 成本

無線傳輸技術介紹 所謂無線網路就是以肉眼看不到的電磁波為傳輸媒介, 來建立實體的網路連線。 若再依電磁波的屬性進一步細分, 則可分為兩大類：光波傳輸和無線電波傳輸。 以光為傳輸媒介的技術常見的有紅外線 (Infrared, IR) 和雷射 (Laser)；而使用無線電波的技術則包括窄頻微波 (Narrowband icrowave)、802.11 無線區域網路、HomeRF 以及藍芽 (Bluetooth) 等技術。

無線通訊媒介 無線電波(Radio Waves) 微波(Microwaves) 紅外線(Infrared)

無線通訊的電磁頻譜 無線電波和微波之間並沒有一條明顯的界線 無線電：全向 微波：單向 1G Electromagnetic spectrum for wireless communication

傳播方法(Propagation Methods) 地面傳播 天空傳播 視線傳播

頻帶(Bands) Band Range Propagation Application VLF 3–30 KHz Ground Long-range radio navigation LF 30–300 KHz Radio beacons and navigational locators MF 300 KHz–3 MHz Sky AM radio HF 3–30 MHz Citizens band (CB), ship/aircraft communication VHF 30–300 MHz Sky and line-of-sight VHF TV, FM radio UHF 300 MHz–3 GHz Line-of-sight UHF TV, cellular phones, paging, satellite SHF 3–30 GHz Satellite communication EHF 30–300 GHz

以無線電波為傳輸媒介 目前大部分的無線網路都是採用無線電波為傳輸媒介, 這是因為無線電波的穿透力強, 而且是全方位傳輸, 不侷限於特定方向, 和光波傳輸相較之下, 無線電波傳輸特別適合用在區域網路。 另外還有一種情況也很適合採用無線電波傳輸, 就是當使用者不願意負擔佈線和維護線路的成本, 而其環境又有許多障礙物時, 採用無線電波的無線網路根本就是唯一的解決方案！

以無線電波為傳輸媒介 不過, 不管在任何地區, 無線電波頻帶都是一項寶貴的資產, 也都受到特別的管制, 因此無線網路所採用的無線電波頻率大多設定在 2.4 GHz 公用頻帶, 以避免相關的法律問題。 不過因為是公用頻帶, 包括工業、科學與醫學的許多設備, 都會將無線電波頻率設在這個頻帶內 (例如：微波爐), 因此大多透過展頻技術配合調變技術發送訊號, 以避免訊號互相干擾。

以無線電波為傳輸媒介 目前大部分的無線網路, 都採用源自於軍方的展頻 (Spread Spectrum) 技術來發送訊號, 因為這種技術的保密能力與抗干擾能力都很強, 所以在民間也受到廣泛的應用。 以無線電波做為傳輸媒介的技術有窄頻微波、802.11 無線區域網路、Bluetooth 等等。

無線電波 全向易被另一支相同頻率或頻帶送出訊號天線干擾 中低頻率的無線電波可穿透牆壁 頻帶範圍較微波窄 無法隔離 受政府管制 Figure 7.20 Omnidirectional antennas

無線電波應用 用於群播(一個傳送者，多個接收者) 如AM和FM無線電台、電視、航海電台、無線話機、呼叫器

微波 單向，必須對焦 甚高頻微波無法穿透牆壁 易被雨水吸收 Figure 7.21 Unidirectional antennas

窄頻微波 微波和雷射類似, 一樣可提供點對點的遠距離無線連結, 應用方式也類似, 不過微波是採用高頻率短波長的電波來傳送資料, 所以較容易受到外在因素的干擾。 微波頻帶介於 3 ~ 30 GHz 之間, 而為了節省頻寬和避免串音的干擾, 因此微波設備通常都不使用公用頻帶, 而且以非常窄的頻寬來傳輸訊號。

窄頻微波 這種窄頻微波的頻寬只剛好能將訊號塞進去而已, 如此不但可以大幅減少頻帶的耗用, 也可以減輕串音干擾的問題。 微波很容易受到串音的干擾, 而在公用頻帶內, 有太多的無線電產品會發出電波, 就算是用了窄頻的技術, 無可避免還是會被其他訊號干擾到, 導致傳輸品質不良。

窄頻微波 目前的微波系統除了頻帶的問題之外, 另一個大問題是沒有統一的標準。這是個很嚴重的問題, 因為沒有統一的標準, 所以各家廠商所生產的產品無法互通。

微波應用 用於單播(一對一,unicast) 通訊，如 蜂巢式電話(cellular telephones)、衛 星通訊(satellite networks )、以及無 線區域網路(wireless LAN)

以光為傳輸媒介 不管是紅外線或雷射, 因為是利用光做為傳輸媒介, 所以都必須受限於光的特性。在無線網路的應用上, 光最令人注意的特性有兩點： 1. 光無法穿透大多數的障礙物, 就算穿透了也會出現折射和散射的情況。 2. 光的行進路徑必須為直線, 不過這點可以透過折射及散射的方式解決。了解光的特性後, 接著我們來介紹紅外線與雷射這兩種用光波傳輸的技術。

紅外線 紅外線傳輸標準是在 1993 年由 IrDA 協會 (Infrared Data Association) 所制定, 其目的是為了建立互通性佳、低成本、低耗能的資料傳輸解決方案, 目前幾乎所有筆記型電腦都配備有紅外線通訊埠。

紅外線 用於短距離的通訊 無法穿透牆壁 可防止系統間干擾 不利於長程通訊 太陽光的紅外線會干擾 不適合室外

紅外線傳輸的 3 種模式 直接式紅外線連接 (Direct-Beam IR, DB/IR) 散射式紅外線連接 (Diffuse IR, DF/IR) 全向性紅外線連接 (Omnidirectional IR, Omni/IR)

直接式紅外線連接 將兩個要建立連線的紅外線通訊埠面對面, 之間不能有阻隔物, 即可建立連線。 這種方式不需要擔心傳送資料中途被人截取, 但適用範圍也非常小。

直接式紅外線連接

紅外線通訊埠面對面的範圍

散射式紅外線連接 散射式的連接方式不需要讓紅外線通訊埠面對面, 只要是在同一個封閉的空間內, 彼此即能建立連線, 不過很容易受到空間內其他干擾源的影響, 導致資料傳輸失敗, 甚至無法建立連線。

散射式紅外線連接

全向性紅外線連接 全向性連接則是擷取直接式和散射式二者之長, 利用一個散射式的紅外線基地台(Base Station, BS) 為中繼站, 將各裝置的紅外線通訊埠指向基地台, 彼此便能夠建立連線。

全向性紅外線連接

紅外線傳輸的缺點 傳輸距離太短 易受阻隔 紅外線資料傳輸是以點對點的方式進行, 傳輸距離約在 1.5 公尺之內。 紅外線的穿透率非常差, 只要有任何障礙物遮蔽到紅外線, 連線就會中斷, 若中斷超過一定時間, 則此次連線就會失敗。

紅外線應用 紅外線資料協會(IrDA) 兩設備間通訊 IrDA埠，如鍵盤、滑鼠、印表機和PC間、遙控器 最近的標準速率為4 Mbps 必須相向

雷射 雷射和紅外線同屬光波傳送技術, 不過雷射無線網路的連接模式只有直接式連接一種。 這是因為雷射是將光集成一道光束, 再射向目的地, 途中幾乎不會產生散射現象, 在許多需要安全的連線環境中, 雷射絕對是一個極佳的選擇。

雷射

雷射