第 2 章 資料通訊 著作權所有 © 旗標出版股份有限公司

本章提要 數位與類比 基頻傳輸與寬頻傳輸 基頻編碼技術 寬頻調變技術 同步化 (Synchronization) 單工與雙工 頻寬 結語

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。

絧質纜線的資料傳輸

光纖纜線的資料傳輸

無線型態的資料傳輸

數位與類比 資料的數位與類比 資料的數位化 訊號的數位與類比 數位化時代的來臨

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。

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 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。

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。 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。

資料的數位與類比

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。

數位化時代的來臨 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。 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。

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。

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。

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。

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。

五階的基頻傳輸方式 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。

MLT-3 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。

MLT-3 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。

MLT-3 所以資料串列 111000000001 將轉變成下列四種訊號狀態變化方式：

MLT-3

MLT-3

MLT-3

寬頻調變技術 發送端依據資料內容命令調變器(modulator) 改變載波的物理特性,接收端則透過解調器 (demodulator) 從載波上讀出這物理特性的變換, 將其還原成資料。 調變常藉由改變載波的振幅、頻率、相位三種物理特性來完成。控制載波振幅的技術稱為振幅調變技術；控制載波頻率的技術則為頻率調變技術；控制載波相位的技術便是相位調變技術。

寬頻調變技術 振幅調變技術 頻率調變技術 相位調變技術 正交振幅調變技術

振幅調變技術 控制載波振幅的調變技術為振幅調變 (Amplitude Modulation, AM) 技術, 數位振幅調變技術稱為振幅偏移鍵制 (Amplitude Shift Keying, ASK) 調變技術。 它以振幅較弱的訊號狀態代表 0, 以振幅較強的訊號狀態代表1：

振幅調變技術

頻率調變技術 控制載波頻率的調變技術為頻率調變 (Frequency Modulation, FM) 技術, 數位頻率調變技術稱為頻率偏移鍵制 (Frequency Shift Keying, FSK) 調變技術。 它以頻率較低的訊號狀態代表 0, 以頻率較高的訊號狀態代表 1：

頻率調變技術

相位調變技術 控制載波相位的調變技術為相位調變(Phase Modulation, PM) 技術, 數位相位調變技術則稱為相位偏移鍵制 (Phase Shift Keying, PSK) 調變技術。 它以訊號相位狀態的改變代表 1, 以訊號相位狀態不變代表 0：

相位調變技術

正交振幅調變技術 除了上述三種調變方式外, 人們也著手研發新的載波調變技術, 新的正交振幅調變(Quadrature Amplitude Modulation, QAM) 技術就在工程師們的努力之下問世了。 QAM 是一種結合 ASK 與 PSK 的綜合型調變技術, 同時控制載波的振幅強度與相位偏移量, 讓同一個載波訊號得以呈現出更多的邏輯狀態。

同步化 發送端將資料轉換成訊號, 透過傳輸媒介傳遞出去, 接收端取得資訊後, 再將其轉換成原先的資料。在過程中, 發送端與接收端得相互配合, 才能順利完成資料的傳遞任務。接收端要順利將訊號轉換成原先的資料, 它得知道兩件事：從那個時間點開始偵測訊號的邏輯狀態與傳輸一個位元所佔用的時間。

同步化 為了解決第一個問題, 傳輸控制機制都會定義一種閒置 (Idle) 狀態。不傳送資料時, 傳輸媒介便處於閒置狀態下。一旦開始傳送資料便進入資料傳輸狀態, 才開始偵測訊號的邏輯狀態。

同步化 要解決第二個問題, 只需讓發送端與資料端參考同一套時鐘 (Clock) 即可。但除非傳送端透過另一條傳輸線路將時序訊號傳送給接收端, 讓接收端得以隨時修正時序。 這個程序, 便是同步化。否則只要雙方的時鐘有些微的誤差, 長時間傳輸累積下來, 便會使得取樣過程出錯, 解譯出錯誤的資料。

同步化 舉例來說, 採用 NRZ (不回歸零) 基頻傳輸, 但發送端的時鐘比接收端快了 1 %, 如此一來, 發送端每送出 100 個位元, 接收端便會以為收到了 99 個位元。 除了短少一個位元資料外, 由於取樣的時間點走偏了, 亦會使接收端將訊號轉譯成錯誤的資料。

同步化

同步化 有些傳輸方式本身就有調整時序的功能, 從另一個角度來看, 這些傳輸方式也算是在資料訊號中混入了時序訊號。 例如曼徹斯特與差動式曼徹斯特傳輸方式, 固定在每個位元中變換訊號邏輯狀態, 接收端可以藉此修正取樣時序。

單工與雙工 單工 (Simplex) 半雙工 (Half Duplex) 全雙工 (Full Duplex)

單工 (Simplex) 在此傳輸模式下, 訊息的發送端與接收端, 兩者的角色分得很清楚。發送端只能發送訊息出去, 不能接收訊息；接收端只能接收訊息, 不能發送訊息出去。

半雙工 (Half Duplex) 雖然通訊端可以接收與發送資料, 但是一次只能做一種動作, 不能同時收發。

半雙工 (Half Duplex) 舉例來說, 無線電對講機就是採用典型的半雙工傳輸：在沒按任何按鈕時處於收話模式, 可以接收訊息；一旦按下發話鈕, 便立即轉成發話模式, 此時就不能接收訊息, 只能發送訊息出去, 直到放開發話鈕才又恢復收話模式, 能繼續接收訊息。 像這種雖然具有收與發兩種功能 (可以雙工), 卻不能同時收發並行 (不能兩全) 的傳輸模式, 便稱為半雙工傳輸。

全雙工 (Full Duplex) 顧名思義, 在此傳輸模式下通訊端可以同時進行資料的接收與發送動作。

頻寬 頻寬 (Bandwidth) 一詞問世的年代, 可追溯到數位通訊時代之前。當時指的是以類比訊號傳遞類比資料時的訊號波段頻帶寬度 (Signal Bandwidth)。隨著數位通訊時代的來臨, 頻寬一詞, 也用來代表數位傳輸技術的線路傳輸速率 (Wire Speed)。 隨著網路傳輸技術的普及, 資料傳輸效益亦成了眾人的關切焦點, 此時頻寬一詞亦用來代表網路各處的資料傳輸流量。

訊號頻率的變動範圍 頻寬一詞最早出現在類比通訊時代, 指的是訊號頻率的變動範圍, 通常由最高頻率減去最低頻率而得, 單位為赫茲 (Hertz, Hz)。 以傳統的類比電話系統為例, 電話線上的訊號頻率變動範圍約 200Hz ～3200Hz, 所以說它的頻寬為 3000Hz (3200 - 200 = 3000)。

訊號頻率的變動範圍 通常所佔的頻寬愈大, 愈能夠傳輸高品質的訊號, 例如：AM 無線電廣播上用來傳送一個單音聲道的訊號頻寬為 5000Hz, 所以 AM 收音機所輸出的聲音品質比電話好。 而 FM 無線電廣播上用來傳送一個單音聲道的訊號頻寬高達 15kHz, 所以 FM 收音機所輸出的聲音品質又比 AM 收音機更好。

訊號頻率的變動範圍

線路傳輸速率 隨著數位傳輸技術的問世, 頻寬又指通訊媒介的線路傳輸速率 (Wire Speed), 也就是傳輸媒介 (Media) 每秒所能夠傳輸的資料量。由於資料傳輸最小單位為一個位元, 所以線路頻寬的單位為 bps (bit per second, 每秒傳輸位元數)。 舉例來說, 10Base-T 網路的線路傳輸速率為10Mbps (傳輸線路每秒可傳輸10 Mbits 的資料), 100Base-TX 網路的線路傳輸速率為100Mbps (傳輸線路每秒可傳輸100 Mbits 的資料)。