(W3-3+W4)通訊系統L3

tags: 通訊系統

Chapter3 Data and Signal-->整章通篇討論"資料"與"訊號"這兩件事情

資料(Data)

代表"未經處理"的原始紀錄。組織、分類、解釋是"人"在做這些事,資料本身並不具有任何意義。但他是可被定義的實體，且其為離散的。
Ex: 人類若未經過教育系統，那也不會對那些資料做出相對應的解讀與表達

訊號(Signals)

一、類比訊號(Analog Signals)

大自然界本來就具有的一切訊號(聲音,圖像等)

• 我們可使用"類比積體電路(Analog IC)"來進行處理類比號的積體電路
• 除了可進行"類比轉數位"，我們也可以進行"類比轉類比"的轉換
  Ex 類比麥克風將聲音轉為電訊號
• 是連續的(Contiguous)

二、數位訊號(Digital Sigals)

• 是數位的(0 or 1)
• 是離散的、不連續的(Discrete)

通訊系統一定要把Data轉為"數位訊號(Signals, Ex: 電壓0或1)"

3-1 Analog and Digital

Analog 代表 continuous values
Digital 代表 discrete values

我們日常生活中有類比也有數位

3-2 Periodic Analog Signals(週期性類比波)

在資料傳輸(Data Communications)中，分為週期性(Periodic)類比波與非週期性(Non-periodic)類比波

電磁波是一種能量，所以:

• 能量會有衰退-->訊號會有衰弱
• 能量可以疊加/抵銷-->訊號可以疊加/抵銷

而Period Analog Signals可以分為

1. Simple，原始的、規律的，週期單一波: 不可再分割的(Ex: sine wave)
2. Composite，混合的，週期混和波: 可以拆由多個sine waves組成

• 在兩個相同phase和frequency的兩個波上可以有不同的強度, Amplitude(振幅)
• 頻率和週期互為"倒數"(Periods and periods inverse of each other)
• 頻率單位(Hz): 一秒有多少(幾次)電磁波訊號，可以有小數點(因為是類比)
• 週期單位(Units): 可以有s, ms, us, ps等等

頻率是對"單位時間"上的"變化率"(the rate of change with respect to time):
而我們對頻率的高低定義便是我們可以由時間段的變化量來觀測(發生的時間越短頻率越高)

頻率與其相關名詞的定義

• 我們定義一個訊號的頻率為0，則代表他不會隨時間改變
• 我們定義一個訊號的頻率為"無限"，代表其在瞬間(instantaneously)改變(速度極快)
• 相位(Phase)，代表我們對波的相對起始位置(time=0)的定義(看是哪一個階段，Position)，Ex: 1/3Pi, 1.0rad
  等
• 波長(Wavelength)，相位之於週期波時間段的計算

波(Wave)的觀察可以分為Time Domain與Frequency Domain的觀測方式

一個波的產生: 藉由量測每個"時間段"或是"頻率段"的波的方向性,強度,匯合而成而定

• Time Domian: 由"時間"為橫軸, Amplitude為縱軸
• Frequency Domian: 由"頻率"為橫軸, Amplitude為縱軸
  Ex: 當頻率相同時且是Simple Wavs, sine wave時，頻譜圖就會是固定的長條柱狀

兩者是相同的波，只是建立在"觀測的方式"(X-Domain)不同

Note

• 一個單頻的波(Single-Frequency sin wave)在通訊系統上是沒有用的，我們要傳訊號、資料的前提下是要組合波(Ex: 變頻通訊)，通訊是需要"可改變的"特性

• 傅立葉轉換(Fourier Analys)是由Time Domain轉為Frequency Domain的方式

• 如果一個合成波(有震盪，由多個sin wave組成)是有周期的，那它可以轉變為頻譜圖上多個相異且不連續(就頻率上來說是離散的)的的柱狀頻率，再經傅立葉轉換可以得到多個不同的simple sine waves

• 如果一個合成波是沒有週期的，則是雜亂無章的

W4繼續(從三個頻率的time domain/frequency domain繼續比較)

• 而我們需要週期需是"奇數倍"，否則會又抵銷的行為

非週期波叫做non-periodic，且他具有連續的頻率，代表有"無限多個"頻率

Bandwidth(帶寬、頻寬)

bandwidth會出現在兩個地方:

1. 帶寬，出現在"Physical layer"中:最低頻與最高頻的差距(The range of frequencies contained in a composite signal is its bandwidth)，不管是periodic or non-periodic

• 相關名詞:而中心頻率(也可以叫"工作頻率")稱作"central"，Max值寫作f_H(H:High為下標)，min值寫作f_L(L:Low為小標)
• 而相同的帶寬(類似於standard)也可以建立在不同的頻率上(Ex: FM channel)
• non-periodic具有連續週期，但是帶寬一定是有限的(Max-min)

2. 頻寬，出現在"layer2以上": 代表每秒傳輸多少bits(bits/sec)，因為從底層上來後就算是data(以電腦的角度而言就是bits)

• 寬頻(Wideband):代表"頻率很寬"

3.3 Digital Signal

Definition

In addition to being represented by an analog signal ,infomation can also be represented by a digital signal.
For example, a 1 can be encoded as a positive voltage and 0 as zero voltage. A digital can have more than two levels. In this case, we can send more than 1 bit for each level.

• "一比"資料可以傳輸不只一個bits，可以傳輸1 bits"以上"(意即:more than two levels，不只only 0 and 1)
• 雖然我們可以分為很多level，但是因為底層還是類比的，若受到干擾或是偏移影響，那接收端就可能出錯(會有implementation的上限)

不同帶寬的結合(Aggre)方法:

我們可以透過把Level數增加的方式: 對voltage做切割定義(Ex: 0, 5, 10, 15v)

• Level間的差距越大也越可以避免"誤判"的行為
• 有幾個Level就代表傳輸(Level)^2的bits
• 中央的橫軸不一定就為voltage = 0，要看規則定義
• 而將每個Level轉為"00,01,10,11"的行為就稱為Encode(編碼)

觀念釐清: Digital Signal as a Composite Analog Signal

數位訊號是由類比訊號所組成的

• CPU, Chips內裡面是有通訊的(也會定義單元間的傳輸bits level standard,閘道控制等，有石英震盪器與Voltage的定義)
• 棕色字的意思則代表觀念釐清中的(本行)英文定義，因為在不同Chips與Device的傳輸店耶是不同的
  

Baseband Transmission:基頻通訊(Low-pass channel)

當一個通道的最低頻率(lowest frequence)是0時，便稱做"Baseband Transmission, Low-pass channel"

而這個定義的特性關連到材質問題，只有"純度夠高"的材質可以做到"基頻通訊"，也就是低頻不會被過濾掉，是可以通過的

這張圖顯示了轉換的過程

觀念釐清: A digital signal is a composite analog signal with an infinite bandwidth.

相關詞彙

• wideband: 寬頻
• narrowband: 窄頻

觀念釐清: Baseband transmission of a digital signal that preserves(保存) the shape of the digital signal is possible only if we have a low-pass channel with an infinite or very wide bandwidth

在合成波裡面，低頻建構整個框架(重要)

digital 與 analog 的轉換(示意圖)

原圖:

筆記:

波型修飾的方法:

我們可以用增加"奇數倍"頻率的方式，定義最低頻率f=N/2, 3f=(3N)/2, 5f=(5N)/2
注意:不能用偶數倍，會互相抵銷!

觀念釐清: In baseband transmission, the required bandwidth is proportional to the bit rate; if we need to send bits faster, we need more bandwidth.

參考資料

1. Data and Signals
2. Periodic Signal vs Aperiodic Signal-difference between Periodic Signal,Aperiodic Signal
3. Difference between Baseband and Broadband Transmission
4. Data Communication and Networking