聲轉電信號

Sampling and Quantization

Bit Streams Digital telephone: Digital sound: Digital TV 8000 * 8 bits/sample = 64 kbits/s Digital sound: 44100 * 16 bits/sample *2 = 1.4112 Mbits/s Digital TV 576*720*25*(8 bits/lum + 8bits/chrom) = 166 Mbits/sec Multimedia: multiplexed programs, data, audio, pictures, video, ...

聲音壓縮編碼技術 電話語音頻寬為200∼3,200 Hz，交響樂的頻寬則為40∼20,000 Hz，因此電話語音與音樂光碟的取樣率分別為8,000 Hz與44,100 Hz。傳統的有線電話與音樂光碟都是利用這種脈衝編碼調變技術來數位化，但需要極大的儲存空間及傳輸頻寬。舉例而言，目前音樂光碟所採用的量化解析度為16 bits，則其立體雙聲道的位元率為1.41 Mbit/s，因此十二分鐘的音樂大約需要10 Gbits的儲存空間。

聲音壓縮編碼技術 電影娛樂相關業者使用5.1聲道的環繞音效系統，除了原有的左右聲道之外，更增加了中央聲道、左右環繞聲道及一個超重低音聲道。以此種方式配置的揚聲器，可構成寬廣的面音源，稱為3前／2環繞立體聲系統，前方的三個聲道可使聲音的空間感及方向性更明確，而後方的左右環繞聲道則提升了聆聽環境的真實感。

Moving Picture Experts Group 標準格式 MPEG-1標準(1992) 依照複雜度由低而高又可分為第一層第二層及第三層，而壓縮比例分別為1／4、1／8與1／12。大家耳熟能詳的MP3就是MPEG-1音訊壓縮中名為MPEG-1 Audio Layer-3的壓縮技術。 MPEG-2標準(1994) 進階音訊編碼標準（MPEG-2 AAC），已經應用於數 位影音光碟及歐洲的數位電視廣播。 MPEG-4標準(1998) MPEG-4與之前制定的標準並不同，不僅是壓縮資料以提升通訊網路的使用效益，更引進以內容為導向的資料處理技術，目的在實現對未來具有高度互動性的多媒體應用的廣泛支援，因此，必須符合傳輸頻寬的限制並減少通道雜訊所造成的影響。 MPEG-7標準(2001) MPEG-7的主要目的是希望使用者能夠快速且有效地搜索出所需的各種不同類型的音訊、視訊資料。

視訊壓縮標準 為什麼需要這些技術和標準呢？對於數位視訊而言，存取數位資料需要相當大的儲存空間。一段數位視訊可以看成是一連串的靜止數位影像畫面（定為每秒30張畫面）的合成。在連續播放的情形下，由於人類視覺暫留效應而可被視為連續的視訊。但在不壓縮的情形下，儲存數位視訊所需的空間與傳輸數位視訊所需的頻寬都是非常地高。若以畫面大小為720×480畫素，每秒30張畫面，90分鐘的一段全彩數位視訊為例，其需要的儲存空間為：167.96 Gbytes。很明顯地，這個數目遠大於目前個人電腦裡的硬碟容量。視訊壓縮的工作就是要節省儲存數位視訊所需空間，但同時又能在視覺上儘量維持數位視訊未壓縮前的品質。

Moving Picture Experts Group 標準格式 MPEG-1標準(1992) 影音光碟視訊格式 MPEG-2標準(1994) 應用範圍為高解析度數位電視及數位化多功能光碟的動態影像編碼標準。同時，MPEG-2還可提供廣播級的視訊和光碟級的音訊品質。 MPEG-4標準(1998) 相較於傳統標準，MPEG-4除了採用物件式編碼外，還增加了自然與人工合成視訊的編碼以及許多原屬於電腦圖學範疇的工具技術。第三代行動通訊中的視訊服務也是以MPEG-4來做壓縮。 MPEG-7標準(2001) MPEG-7的主要目的是希望使用者能夠快速且有效地搜索出所需的各種不同類型的音訊、視訊資料。

Huffman Code space 12 e 9 t 7 i 6 o 6 r 6 s 5 h 4 f 3 n 3 u 3 v 3 y 3 j 1 k 1 m 1 w 1

Huffman Codebook

網路安全與密碼技術 拜電腦與通訊網路之賜，人類已能將日常生活的資訊，如聲音、影像、數據等，藉著電腦加以處理或儲存，並透過通訊網絡無遠弗屆地交換。惟在資訊時代，除了享受科技帶來的方便之外，日漸猖獗的電腦病毒、駭客入侵等破壞系統、危害網路安全的情況更需時時加以防範。

密碼器的作用 密碼的主要目的在於提高資訊內容的隱私性。資訊在公眾網路傳輸過程中，會經過許多的節點，若沒有經過加密處理，則都可經由這些節點得知資訊內容。就像普通信件在傳遞過程中會經過許多人如郵差的手一樣，若沒有利用信封將文件內容「封住」，則這些人均可讀到信件內容。

加／解密

錯誤更正碼 許多人對於數位通訊的印象即是0與1信號之傳送與接收。在傳送與接收的過程中出現錯誤是難免的，因此適當的錯誤控制技術是有必要的。 假設通道的位元錯誤率(Bit Error Rate, BER)為P=10－2，也就是每接收100個位元中平均就會有一個位元出錯。在某些應用中，如數位化的語音信號接收，這樣的錯誤率是（人的耳朵）可以忍受的，在某些應用上，如銀行帳款的數據傳輸，這樣的錯誤率是不可忍受的。

重複碼 (Repetition Code) BER = 3 * P2 * (1-P) + P3 << P

信號調變與解調變 調變是將信號轉換為一種適合於通道的波形，解調變則是利用調變後的信號特性，把信號從一團混亂中解析出來。至於轉換的方式有賴於振幅、相位與頻率等特性。因此，如何轉換信號，並且應用這些特性完成信號的傳輸，就是調變有趣的地方。調變可區分為：基頻調變與帶通調變兩種。在帶通調變的系統中，將信號提升到一個較高的頻率——載波頻率，以此載波頻率震盪的正旋函數形成電磁波傳播於通道中。

Modulation Modulating Signal V(t), at baseband(fB) Action on carrier’s amplitude, frequency or phase Modulated Signal carrying the information of V(t), bandpass (fC) Carrier (fC) fC fC

調幅 (Amplitude Modulation) 調幅是屬於類比調變，在無線的環境下，使用的頻段為540到1,600KHz。波長約在200到600公尺的範圍在3到30MHz高頻中的國際短波廣播，甚至比調頻廣播更高頻率的116到136MHz飛航通訊，所使用的調變方式也都是調幅。 而信號是如何轉換的呢？信號原本是聲音，因此先將聲音轉換為電信號，形成有正有負的信號，調幅要先把信號全部提升為零以上的值，再將頻率提高至載波頻率，就產生了一個調幅的信號。在接收端，解調變只需要將信號通過波封檢測器或者低通濾波器，即可得出解調的信號。

Amplitude Modulation

調頻 (Frequency Modulation) 調頻也是屬於類比調變，使用的頻段為88到108MHz。相較於調幅，調頻的頻段較高，波長較短。調頻在28到30MHz間的調變方式，也應用在太空、人造衛星通訊方面。 而信號是如何轉換的呢？信號原本是聲音，因此先將聲音轉換為電信號，形成有正有負的信號，調頻是將信號的強弱轉換成頻率的變化，因此，只需要判斷信號頻率的快慢，就可以解調收到的信號。

FREQUENCY MODULATION Schematic representation of a sinusoidal modulating signal, vp, on a carrier signal, frequency fc NOTE: instantaneous frequency increases with increase in modulating voltage, and vice versa

數位調變 (Digital Modulations) In digital communications, the modulating signal is a binary or M-ary data. The carrier is usually a sinusoidal wave. Change in Amplitude: Amplitude-Shift-Keying (ASK) Change in Frequency: Frequency-Shift-Keying (FSK) Change in Phase: Phase-Shift-Keying (PSK) Hybrid changes (more than one parameter). Ex. Phase and Amplitude change: Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

Amplitude Shift Keying (ASK)

Frequency Shift Keying (FSK)

Phase Shift Keying (PSK)

Sending Multiple Bits Simultaneously

Symbol Rate and Bit Rate SYMBOL RATE is the number of digital symbols sent per second BIT RATE is the number of digital bits sent per second Different modulation schemes will “pack” different numbers of Bits in a single Symbol BPSK has 1 bit per symbol QPSK has 2 bits per symbol

Bit-to-Symbol Mapping in IEEE 802.11a Data rate (Mbits/s) Modulation Coding rate ( R ) Coded bits per Subcarrier (NBPSC) per OFDM symbol (NCBPS) Data bits (NDBPS) 6 BPSK 1/2 1 48 24 9 3/4 36 12 QPSK 2 96 18 72 16-QAM 4 192 144 64-QAM 2/3 288 54 216

Bandwidth Required OCCUPIED BANDWIDTH, B, for a signal is given by B = Rs ( 1 +  ) where Rs is the symbol rate and  is the filter roll-off factor

Bandwidth Example GIVEN: Bit rate 512 kbit/s QPSK modulation (2bits per symbol) Filter roll-off, , is  = 0.3 SOLUTION: Symbol Rate = Rs = (1/2)  (512  103) = 256  103 Occupied Bandwidth, B, is B = Rs (1 +  ) = 256  103 ( 1 + 0.3) = 332.8 kHz

多工器 多工器的目的在使眾多使用者同時要透過同一媒介進行通訊， 因為無線電波、光線或電子在線路的傳播物理意義上是一樣的。如同一個人要與另外一個人以聲音溝通時，經由該人的喉嚨發聲而將音波傳到空氣中，另外一人收到聲音後便可加以辨別其意義。但是當多人要同時溝通時，空氣中的音波會變的很吵雜，以致於讓聽者無法分辨聲音從何處而來及它所代表的意義。因此最好的方法是制定一套發言的標準，使得每個人要發表的意思可清楚的傳達。

多重存取技術 (Multiple-Access Technique) TDMA技術(分時多工存取):以聲音溝通為例，顧名思義，TDMA技術是將每個發言者發言的時間錯開。也就是同一時間只能有一個人發言，如此發言者的聲音便不會受到干擾，並可清楚的傳達。此項技術被應用於目前之GSM行動電話系統及部分之衛星通訊系統。 FDMA技術(分頻多工存取):將每個發送端的數位訊號調變到不同的頻率，而接收端則將欲接收訊號以濾波器濾出，再還原為數位訊號。類似技術被採用於舊式的行動電話系統(AMPS系統)。 CDMA技術(分碼多工存取):該技術已被採用於新一代之無線通訊系統，WCDMA或CDMA2000系統。

Time-Division Multiplexing (a) Each signal transmits 1 unit every 3T seconds t A1 A2 B1 B2 C1 C2 3T 0T 6T (b) Combined signal transmits 1 unit every T seconds t B1 C1 A2 C2 B2 A1 0T 1T 2T 3T 4T 5T 6T

Frequency-Division Multiplexing

直接序列展頻 (Direct Sequence Spread Spectrum)

利用 11 bit PN code 作為訊號之調變使用

2nd Generation Digital Cellular Systems Parameter GSM IS-54 PDC Multiple access TDMA Duplex FDD Modulation GMSK p/4 DQPSK Carrier separation 200 kHz 30 kHz 25 kHz Reverse channel frequency 890-915 MHz 824-849 MHz 810-830/ 1429-1453 MHz Forward channel frequency 935-960 MHz 869-894 MHz 940-960/1477-1501 MHz Channel coding CRC with r=1/2,L=5 conv. r=1/2,L=6 conv. CRC with conv. Channel data rate 270.833 kbps 48.6 kbps 42 kbps Spectral efficiency 1.35 bps/Hz 1.62 bps/Hz 1.68 bps/Hz Number of voice channels 1000 2500 3000

Physical Layer Enhancements Peak Data Rate High performance/price 100 Mbps 802.11a 5.5GHz Unlicensed 10 Mbps 802.11b 2.4GHz Unlicensed 3G Wireless ~ 2GHz 1 Mbps Enhanced BlueTooth 2.4GHz 100 kbps High ubiquity and mobility Range 10 feet 100 feet 1 mile 10 miles 2 mph 10 mph 30 mph 60 mph Mobile Speed

Baseband Transmission Techniques for Future Communication Systems Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Techniques Space-Time Coding Smart Antennas