2014年9月29日

你真的都搞懂了嗎?數位通訊新世代

你已經是晉升為4G飆網的早鳥族了嗎?但關於你正在使用的「數位通訊」,如果了解不多,那就先放下手機,繼續看下去……

作者/曲建仲(任職美商德州儀器公司)

近代行動通訊的基礎就是「數位通訊」技術的演進,不論是第三代(3G)或第四代(4G),甚至未來的第五代(5G)通訊,都是以更複雜的數位訊號調變技術來增加資料傳輸的速率,讓我們連線上網得更快速方便。行動通訊的許多專有名詞,什麼是TDMA、FDMA、CDMA、OFDM;而ASK、FSK、PSK又是什麼?等等,還有線路交換、封包交換……這些專有名詞常常讓大家弄得頭昏腦脹,因此要了解什麼是4G,就先從這裡開始吧!

訊號數位化
環境中的所有資訊,包括我們耳朵聽到的聲音、眼睛看見的影像、皮膚感受的觸覺、電腦儲存的資料,以及手機傳送的訊息等,都是一種「訊號」,這些訊號到底有什麼差別?而人類又是如何處理這些訊號呢?

人類講話的聲音是連續的,因為我們的聲音可能是漸漸變大或漸漸變小。例如,老師使用麥克風在上課,麥克風是一種聲音的接收器,可以將聲音的大小轉換成電壓的大小,所以隨著聲音的大小,麥克風的電壓也會漸漸變大或漸漸變小,產生連續的電壓變化,這種「連續的訊號」就稱為類比訊號(analog signal)。大自然裡一切的訊號,包括聲音和影像,都屬於類比訊號。

而經由加工以後,可以將連續的類比訊號變成「0」與「1」兩種不連續的訊號,就稱為數位訊號(digital signal)。例如電腦在運算時,就只有低電壓(0V代表二進位的數字0)與高電壓(1V代表二進位的數字1)兩種情況,訊號可以由0直接跳到1,也可以由1直接跳到0,得到的是一個不連續的電壓變化,這種「不連續的訊號」就是數位訊號。目前所有電子產品裡的處理器都是使用數位訊號來進行運算。

將類比訊號轉換成數位訊號的過程就稱為訊號數位化(signal digitization),所以不論那種類比訊號數位化以後,都只剩下0 與1 兩種訊號;更因數位訊號的優點很多,所以科學家努力的把我們的世界變成一個數位世界。

使用數位訊號時,0與1本身並沒有任何意義,而是利用0與1的「排列順序」來代表一個文字、一段聲音或是一張圖片,此時才別具意義。

訊號數位化的優點

可與電腦相容,聲音與影像容易修改
電腦原本就是使用數位訊號在運算與儲存,所以很容易使用電腦來修改數位的聲音或影像,現在電影裡許多栩栩如生的電腦動畫就是拜數位訊號之賜,不過這是優點也是缺點,或許再過幾年我們所錄製的聲音或拍攝的影像,就不能做為法庭的呈堂證供了。

容易儲存與傳送
數位訊號只有0 與1 兩種訊號,所以儲存元件的設計與製作都比較簡單,傳送訊號的正確性也很高。

容易進行偵錯與除錯
數位訊號能夠利用數學演算法進行校正、偵錯與除錯,避免在儲存或傳送的過程中產生錯誤。

容易加密與解密
數位訊號可以進行加密與解密,確保重要的資料安全,例如:銀行帳號密碼、戰爭機密情報不被別人竊取或盜用。

容易壓縮與解壓縮
經由數位訊號的壓縮與解壓縮,可以減少資料的容量,更容易儲存或傳送。

我們可以想像,一段聲音(聲波)是空氣中一條連續不斷的曲線,稱為「類比訊號」;當透過積體電路轉換成音樂檔案後,就成了「數位訊號」,不再是一個連續的曲線,而是一個接著一個的整數。
電磁波
又稱電磁輻射,是由互相垂直的電場與磁場交互作用而產生的一種能量,在前進時就像水波一樣會依照一定的頻率不停振動。電磁波具有振幅、波長和頻率, 頻率是指1 秒鐘振動的次數,單位為赫茲(Hz)。電磁波的波長愈長,頻率愈低;波長愈短,頻率愈高。


人們周邊所有的物體時時刻刻都在進行電磁輻射。儘管如此,只有處於可見光以內的電磁波,才可以被我們的肉眼看到。



電磁輻射可按照頻率分類,從低頻到高頻,也就是所謂的頻譜(spectrum),具有不同功用。

頻寬與頻譜分配
我們說話的時候,不可能只有一種頻率,而會有高音(高頻)與低音(低頻)的變化;也就是說,我們其實是發出某一個頻率範圍的聲音(聲波)。因此,當我們以高頻電磁波來傳送語音訊號時,不會只用到一個「頻率」,必須使用某一個「頻率範圍」來通話才行。這個可以傳遞訊號的頻率範圍就稱為頻寬(bandwidth),單位和頻率相同為赫茲(Hz)。

通訊時,每一對通訊使用者必須使用「不同的頻率範圍」來通話,因為手機並不會分辨到底是誰和誰在說話,而是接收「某一個頻率範圍」。換句話說,所有的通訊元件都是「只認頻率不認人」。

假設甲和乙使用頻率900~901 MHz(兆赫)的電磁波通話,那麼丙和丁就是使用頻率901~902 MHz 的電磁波通話;因此甲與乙的手機只接收頻率900~901 MHz的電磁波,而丙與丁的手機只接收頻率901~902 MHz 的電磁波。如果甲的手機可以同時接收到頻率900~901 MHz 與901~902 MHz 的電磁波,那麼他就會同時聽到乙、丙、丁三個人的聲音了。

無線通訊的傳輸介質是我們眼睛可以看到的空間,而我們共用同一個空間,將所有的訊號往同一個空間裡丟,因此相同的頻率範圍只能使用一次。例如,第二代行動電話GSM900系統使用的頻率範圍為890~960 MHz,則其他的無線通訊(無線電視、無線收音機、衛星通訊、衛星定位、雷達等)就不能再使用這個頻率範圍了,否則會互相干擾。

在臺灣,負責頻譜分配的是國家通訊傳播委員會(National Communications Commission, NCC),每一家電信業者都必須先向NCC取得使用執照才能經營無線通訊業務。由於無線通訊的頻譜非常珍貴,可使用的頻率範圍有限,所以使用執照也相對有限,通常會以公開標售的方式讓出價最高的電信業者取得,這就是最近熱門的「第四代(4G)行動寬頻業務釋照」,當然,這個費用最後就會轉嫁到使用手機的消費者身上囉!

資料傳輸率
電磁波是一種連續的波動能量,也就是類比訊號,當我們將類比訊號轉換為數位訊號,所有資料都會變成0 與1 兩種不連續的訊號;在進行數位通訊時,實際傳送每個位元(bit)資料的速率,就稱為資料傳輸率(data rate),它的單位是每秒位元數(bit per second, bps),代表每秒可以傳送幾個位元,也就是每秒可以傳送幾個0或1。例如1 Gbps(1G 等於10 億),就表示每秒可以傳送10 億個位元,或者是說10億個0 或1。

由於目前大部分的通訊系統都是屬於數位通訊,因此使用資料傳輸率來描述更為恰當;資料傳輸率的大小是由傳輸介質與傳輸設備決定,若頻寬愈寬,通常可以提供更高的資料傳輸率,因此數位訊號能讓我們利用不同的調變與多工技術使相同頻寬的介質,具有更高的資料傳輸率,這就是目前許多新的通訊技術,例如:3G 的WCDMA、4G 的OFDM 被發明出來的原因。

調變與解調

在通訊上,我們常常聽到「Modem」這個字, 它是調變(modulation) 與解調(demodulation)兩個字首組合起來形成的新字,也是通訊最基本的概念。

在通訊設備中,「調變」是指發射端將低頻訊號(聲音)處理成高頻訊號(電磁波)以後,再傳送出去;「解調」則是指接收端將高頻訊號(電磁波)接收以後,還原成低頻訊號(聲音)。

科學家發現聲音傳輸時損耗比較大,容易受到干擾,所以無法傳遞很遠;而電磁波傳輸時損耗較小,不易受到干擾,所以能夠傳遞很遠。例如:人類的聲音頻率約300~3400 Hz,僅能傳遞數百公尺;而FM 收音機的頻率約88~108 MHz,便可傳遞數百公里之遠。因此,聰明的科學家就想到要以高頻的電磁波「載著」低頻的聲音,如此一來就可以傳遞數百公里了,我們稱之為高頻載波技術

人類講話的聲音頻率大約300~3400 Hz(低頻訊號),而第二代行動電話GSM900系統的通訊頻率大約890~960 MHz(高頻訊號)。當我們對著手機講話,傳送端的手機會先將低頻的聲音「調變」成高頻的電磁波,再經由天線傳送出去;當接收端的手機經由天線將高頻的電磁波接收進來,再「解調」成低頻的聲音,才能讓我們的耳朵聽見,這就是現代通訊技術。

大家可能會好奇,難道低頻的聲音不能傳送很遠嗎?其實要將低頻的聲音傳送很遠最簡單的方法就是使用「擴音器」,直接將聲音的振幅放大,但是用這種方法了不起也只能傳個幾公里!如果所有的手機都使用這種方式通訊,這麼多聲音在空中丟來丟去,準會把我們給吵死了!所以目前都是利用「調變」技術來通訊,不但可以傳遞很遠,我們的耳朵也聽不到。


類比通訊
類比訊號的調變就是俗稱的「類比通訊」,包括我們所使用的傳統電話、類比收音機(AM & FM)、類比無線電視、無線對講機,甚至早期我們所使用的第一代行動電話,俗稱「黑金剛」,大大一支黑色的手機,兼具通訊與「防身」的功能,這些都是我們使用了將近一個世紀的通訊元件。
振幅調變 AM (amplitude modulation)
使用高頻載波(電磁波)依照「振幅大小」載著低頻類比訊號(聲音)傳送出去。調變以後的訊號可以傳遞很遠,裡面隱含著我們想要傳遞的聲音。

頻率調變 FM(frequency modulation)
使用高頻載波(電磁波)依照「頻率高低」載著低頻的類比訊號(聲音)傳送出去。調變以後的訊號可以傳遞很遠,裡面隱含著我們想要傳遞的聲音。

類比通訊的缺點
以AM 無線通訊為例,其設備都會有天線與功率放大器,傳送端訊號會先經由放大器將訊號放大,再經由天線傳送,經數十公里後訊號會衰減,且因建築物反射或繞射產生雜訊;當接收端收到後,會經由功率放大器將訊號放大,同時連雜訊也一起放大,造成訊號失真,這是類比通訊最大的缺點。

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數位通訊
數位訊號的調變就是我們俗稱的「數位通訊」,包括我們所使用的2G 行動電話、3G 行動電話、4G 行動電話、無線式行動電話、無線區域網路、數位電視等,顯然數位通訊是未來的趨勢。

相位位移鍵送 PSK(phase shift keying)
使用電磁波依照「波形不同」載著數位訊號傳送出去。當電磁波相位0°(先上後下振動)代表0,相位180°(先下後上振動)代表1。技術最複雜,抗雜訊能力最好,因此較常用在無線通訊,例如無線網路。

振幅位移鍵送 ASK(amplitude shift keying)
使用電磁波依照「振幅大小」載著數位訊號傳送出去。當電磁波振幅小代表0,振幅大代表1。ASK 的技術最簡單,抗雜訊能力最差,較少使用在無線通訊,而是使用在光纖通訊。

頻率位移鍵送 FSK(frequency shift keying)
使用電磁波依照「頻率高低」載著數位訊號傳送出去。當電磁波頻率低代表0,頻率高代表1。FSK 在頻率改變的瞬間可能使電磁波不連續,造成頻譜特性變差;技術複雜,但抗雜訊能力比ASK 好,錯誤率低,可使用在無線通訊。

數位通訊的優點
包括:容易校正、可偵錯與除錯、加密與解密、壓縮與解壓縮等。數位訊號調變的電磁波在傳送的過程中若因干擾產生雜訊,很容易經由校正將雜訊去除。以ASK 無線通訊為例,因訊號只有0 與1 兩種,所以接收端只要接收到的電磁波振幅小於50%則判斷為0,大於50%則判斷為1,這種技術我們稱為校正。

多工技術
所有的通訊都有一個特色,就是必須設計給所有的人使用,而且彼此不能互相干擾,因此必須以多工技術(multiplex)架構提供多人共同使用的資訊通道,並且常常必須同時使用兩種以上的多工技術來增加資料傳輸率,才能滿足大家的需求。

分時多工接取(time division multiplex access, TDMA),是指使用者依照「時間先後」輪流使用一條資訊通道。假設資料通道只有一個,但是有三個人要使用,則最簡單的方法就是甲先傳送資料,再換乙,再換丙;再輪回甲,再換乙,再換丙,依此類推。

分頻多工接取(frequency division multiplex access, FDMA),則是使用者依照「頻率不同」同時使用一條資訊通道。假設資料通道只有一個,但是有三個人要使用,而且三個人都要同時傳送,則只好先將資料通道依照不同的頻率切割成三等分,再將甲、乙、丙的資料同時傳送,由於資料通道被切割成三等分,所以每個人只能使用原來三分之一的頻寬來傳送資料,需要較長的時間。

但假設資料通道只有一個,又有三個人要使用,而且三個人都要同時傳送,不想要將頻率切割成三等分,真是又要馬兒跑,又要馬兒不吃草,那該怎麼辦呢?

由於手機的元件都是「只認頻率不認人」,如果三個人都使用相同的頻率,則手機無法分辨(會同時聽到三個人的聲音)。於是科學家們想到,如果能夠在甲、乙、丙傳送的數位訊號裡加入特定的密碼,則接收端只要分辨不同的密碼就可以選擇接收正確的數位訊號!這就是分碼多工接取(code division multiplex access, CDMA),將不同使用者的資料分別與特定密碼(正交展頻碼)運算以後,再傳送到資料通道,接收端以不同的密碼來分辨要接收的訊號。這種方法必須將數位訊號與密碼進行運算,顯然只能使用在數位通訊系統中。

因此,利用「調變」與「多工技術」,便能讓相同頻寬的電磁波具有更高的資料傳輸率。頻譜效率(spectrum efficiency),就是用來表示單位頻寬(Hz)的資料傳輸率(bps)。單位頻寬的資料傳輸率愈高,頻譜效率愈高。而展頻技術(spread spectrum)發展的目的,就是以分碼多工接取(CDMA)或正交分頻多工(OFDM)來取代之前的分時多工接取(TDMA)與分頻多工接取(FDMA),以提高資料傳輸率與頻譜效率。

多工技術的比喻
我們可以想像在房子裡,A 與B 要講話,C 與D 要講話,E 與F 要講話。

「分時多工接取」就是甲與乙先講一句,再換丙與丁講一句,接著再換戊與己講一句,依此類推,大家輪流講話,彼此就不會互相干擾。

而「分頻多工接取」就是,甲與乙在客廳講話,丙與丁在書房講話,戊與己在臥室講話,大家在不同的房間講話彼此就不會互相干擾。

「分碼多工接取」則是:甲與乙用中文講話,丙與丁用英文講話,戊與己用日文講話。雖然大家在同一個房子裡講話,但各自仍然可以分辨出各自不同的語言,不會造成解讀的困擾。在這個例子裡,不同的語言就好像不同的密碼一樣。

線路交換與封包交換
在傳送端與接收端之間會先建立一條專用的連線,再使用不同的調變技術進行通訊,這種傳統的語音通信(telecom)就是屬於線路交換(circuit switch)。

像是傳統的國內電話(如臺北撥打到高雄)、國際電話、行動電話等在通話之前都必須先撥號,等交換機(長途電話交換中心)將電話接通之後才可以通話,就是使用線路交換的方式,通常費用是以「使用時間」計算,使用愈久費用愈高。

而電腦網路在通訊之前並不需要撥號,只要將網路線連接即可使用,這種資料通信(datacom)的方式就是封包交換(packet switch),是指當傳送端與接收端兩台電腦同時要傳送資料時,電腦必須先將要傳送的資料切割成許多較小的封包(packet)才會送進網路,再使用不同的多工技術進行通訊,相互傳送直到所有的封包傳送完畢為止。使用者要傳送的資料愈少,則封包數目愈少,傳送的時間愈短;反之亦然,這種方式比較公平。通常費用是以「資料傳輸率」來計算,不同資料傳輸率費用不同,但是使用時間沒有限制。

奔向數位通訊G世代
通訊原理還滿複雜的,一下子是數位訊號調變技術,一下子又是多工技術,光是這些就讓我們頭昏腦脹。在本文的介紹整理後,有了這些基本的數位通訊概念,相信大家就不再害怕那些奇怪的英文縮寫名詞了,也更能了解數位通訊的內容,繼續盡情享用極速4G網路!

10 則留言:

劉國安 提到...

您好,關於分時多工個人認知有些不同...
分時多工主要是存在著TimeSlot的概念

所以比喻起來感覺比較類似...

ABCDEF都在同一個客廳講話(時鐘都是同一個)
但是用隔板把AB隔在一個區間,CD隔在一個區,EF在隔在另一間。(時隙or時槽 Timeslot)
即使同時講話,也因為隔板的分隔所以不會互相混亂。

周家興 提到...

隔板完之後,一起講話還是聽得到啊

周家興 提到...

我看wiki的說法是 隔板完之後
A講完再來b 再來c 再來d
這樣的說法比較接近版主的譬喻

Unknown 提到...

由衷的感謝您的分享!!!

匿名 提到...

非常感謝!

匿名 提到...

版主的分時多工比喻並無不妥,本來就是以不同的時間點讓不同的對象互通

Andy 提到...

想不到這麼久的文章還有人回...今天收到email提醒還以為是詐騙...

TDM是指大家有著相同的時間(Clock sync),但是在這相同時間內又可以做多件事情。

舉例來說A打電話給B,同一時間內C也打電話給D,如果是使用同一條T1/E1的線路,C-D間的通話並不用等A-B的說完,而是A-B, C-D的資料同時被傳送,但是放在不同的timeslot。

以T1為例,一秒鐘會生成8000個Frame, 每一個Frame帶有24個timeslot,T1設備兩端必須要有Clock sync以確保傳送資料的順序正確,同一條T1線路,最多可以有24個用戶同時通話。

所以今天時鐘都是同一個,但是單位時間內可以有24組人互相通話,這才是TDM。
以時間來做為劃分點,並且每個劃分點上都同時有多樣工作在進行。

jason 提到...

感謝您的分享,讓一些觀念能釐清。想請教一下DBPSK(Differential Binary Phase Shift Keying)與BPSK兩者相異之處以及BPSK有何缺點才會有DBPSK,並煩請說明。感謝。

匿名 提到...

這種問法應該沒人想回答吧,是來請教的不是義務教你的,還煩請說明勒,你哪位,看你這種問法是沒去看過PSK的英文WIKI上面寫得很清楚

換妻社團俱樂部 提到...

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