數位通訊 第一章 1

數位通訊

數位通訊 第一章 2

數位通訊

參考教科書: 1. Simon Haykin, “Communication Systems”, 4th edition

2. John G. Proakis and Masoud Salehi,“Communication Systems Engineering”

3. Bernard Sklar, “Digital Communication: Fundamentalsand Applications”

4. Ziemer and Tranter, “Principles of Communications:Systems, Modulation and Noise”, 5th edition

5. Peyton Z. Peebles, “Digital Communication Systems”

數位通訊 第一章 3

課程大綱

第一章：數位通訊介紹1.1 類比 vs. 數位1.2 數位通訊優缺點1.3 數位通訊技術簡介

第二章：資訊格式及訊號源編碼2.1 訊號源2.2 取樣與量化2.3 訊源編碼2.4 分時多工(TDM)

數位通訊 第一章 4

課程大綱

第三章：基頻訊號傳送技術3.1 基頻訊號格式3.2 二位元訊號偵測技術、匹配濾波器、錯誤率分析3.3 多位元訊號偵測技術

第四章：訊號空間分析4.1 訊號空間分析4.2 連續性AWGN通道之向量通道轉換4.3 訊號之同調偵測

數位通訊 第一章 5

課程大綱

第五章：載波調變技術5.1 載波調變方式5.2 調變及解調變設計5.3 錯誤率分析5.4 頻譜特性5.5 其他調變方式5.6 M-次元系統5.7 非同調解調系統5.8 訊號同步

第六章：有限頻寬通道傳輸設計及無線通道介紹6.1 有限頻寬數位通訊簡介6.2 有限頻寬通道之信號設計6.3 通道失真下的系統設計6.4 無線通道簡介6.5 瑞利和萊斯分佈函數

數位通訊 第一章 6

課程大綱

第七章：錯誤控制碼7.1 錯誤控制碼7.2 線性段碼7.3 迴旋碼

第八章：現代通訊技術8.1 正交分頻多工傳輸8.2 展頻通訊

數位通訊 第一章 7

第一章 數位通訊介紹

數位通訊 第一章 8

課程大綱

1.1 類比 vs. 數位

1.2 數位通訊優缺點

1.3 數位通訊技術簡介

習題

數位通訊 第一章 9

課程大綱

1.1 類比 vs. 數位

1.2 數位通訊優缺點

1.3 數位通訊技術簡介

習題

數位通訊 第一章 10

類比（Analog）訊號 數位（Digital）訊號

時間

時間

x(t) x(t)

類比訊號 vs. 數位訊號

• 數位訊號特點為時間及大小值皆具離散(discrete)性，時間離散間隔固定，而大小值為有限範圍 。

數位通訊 第一章 11

• 電話系統 整合服務數位網路（Integrated Service Digital Network, ISDN）寬頻網路（ADSL, Cable Modem）

• 行動電話 第一代（類比）第二代（數位）第三代 (3 G）第四代 (4 G)

• 電視廣播數位電視廣播（DTV）（原訂89年6月27日開始試播，91年12月全區開播，95年1 月收回類比頻道。

目前行政院預定 2010年前收回類比頻道，美國預定2009年2月收回類比頻道，日本預定2011年7月收回類比頻道。)

• 音訊廣播(AM, FM) 數位音訊廣播（DAB）(91年12月第一階段正式試播）

類比系統數位系統

數位通訊 第一章 12

課程大綱

1.1 類比 vs. 數位

1.2 數位通訊優缺點

1.3 數位通訊技術簡介

習題

數位通訊 第一章 13

• 可採用再生中繼站(regenerative repeat)。

• 可採用錯誤控制編碼(error-control coding) 技術。

• 容易加密(encryption)且安全性更高。

• 訊號易於處理。

• 容易多工(multiplexing)組合不同訊號型態。

• 適合超大型積體電路(VLSI)製作。

數位通訊優點

數位通訊 第一章 14

• 增加時脈、載波、系統等同步(synchronization) 需求。

• 複雜度提高。

• 增加傳送頻寬需求，但可利用編碼壓縮技術降低需求頻寬。

數位通訊缺點

數位通訊 第一章 15

課程大綱

1.1 類比 vs. 數位

1.2 數位通訊優缺點

1.3 數位通訊技術簡介

習題

數位通訊 第一章 16

資訊來源

資訊接收槽

格式化 通道編碼

多工處理

訊源編碼

加密 調變 展頻多重存取

發射機

格式化 通道解碼

解多工訊源解碼

解密 解調變 解展頻多重存取

接收機

位元串流

數位輸入

同步處理 數位波形 通道

通道位元訊源位元

通道位元訊源位元

其他來源

其他接收槽

數位輸出

S (t)i

S (t)i

• 數位通訊系統方塊圖

數位通訊技術簡介

數位通訊 第一章 17

• 將訊號從類比的資訊源轉換成數位形式 產生量化雜訊 (quantization noise)。

• 通常包含冗元移除(redundancy removal)或資料壓縮 (data compression)。

• 在無雜訊下編碼後輸出訊號的品質 (即訊號量化雜訊比，signal-to-quantization noise ratio) 必需能滿足需求。

• 輸出資料速率 (output data rate, bps) 及訊號量化雜訊比是用來判斷來源編碼好壞的標準。

訊源編碼 / 解碼

數位通訊 第一章 18

類比訊號x(t)

取樣器 比較器 N-位元量化器

通道

預測器x(n)的預測

編碼

解碼

通道 預測器 低通濾波器 類比訊號

x(n)

範例：DPCM 系統

數位通訊 第一章 19

• 傳送前攪拌(scrambles)或打散(randomizes)數位訊號。

• 加密器藉由金鑰(key)將明文(plain text)轉成密文(cipher text)。

• 解密器利用相同的金鑰由接收到的密文重新獲得明文。

• 加密的目的預防未被授權的竊聽(eavesdropping)或預防偽造(spoofing)的認證(authenticate)功能。

加密器 / 解密器

數位通訊 第一章 20

密碼系統模型

破密分析

加密 解密

明文明文 P 密文 公用通道

KK

金鑰

安全通道

P

(P)EC K (C)E(C)DP1

KK

數位通訊 第一章 21

加密

金鑰位元

資料位元

OFB

CFB

已加密的位元

接收到已加密的位元

解密的位元

K位元移位暫存器

金鑰位元

OFB

解密

OFB = output feedback mode (另需同步機制)CFB = cipher feedback mode (自我同步)

CFB

範例：資料串加密系統

K-位元移位暫存器

邏輯閘 邏輯閘

通道

數位通訊 第一章 22

• 增加額外冗餘位元。

• 偵測/更正錯誤。

• 傳輸功率(或天線尺寸)和頻寬需求間之設計取捨。

通道編碼 / 解碼

(2, 1, 4) 迴旋通道編碼:

數位通訊 第一章 23

通道編碼性能：錯誤率 vs. Eb/N0

Figure copyright: “Digital Communication: Fundamentals and Applications”, Bernard Sklar, ISBN: 0-13-211939-0

數位通訊 第一章 24

多工處理

• 分頻多工(Frequency Division Multiplexing, FDM)：類比式、數位式

• 分時多工(Time Division Multiplexing, TDM)：數位式

• 分碼多工(Code Division Multiplexing, CDM)：數位式

數位通訊 第一章 25

分頻多工及分時多工

FDM

頻率

時間

Channel 4Channel 3Channel 2Channel 1

頻率

TDM

時間

Cha

nnel

1

Cha

nnel

2

Cha

nnel

3

Cha

nnel

4

Cha

nnel

5

Cha

nnel

6

Cha

nnel

1

Cha

nnel

2

Cha

nnel

3

Cha

nnel

4

Cha

nnel

5

Cha

nnel

6

數位通訊 第一章 26

分碼多工

碼序列(Code Sequence)

時間

頻率

channel 1channel 2

channel 3channel 4

channel 5

數位通訊 第一章 27

• 調變器是將數位資料串轉換成適合於通道上的類比符元(symbol)序列。

• 以離散的載波相位、振幅或頻率來表示個別或多樣的位元。

• 二進制(binary)或非二進制 (M-維)。

• 解調器將接收訊號轉成數位資料串。

載波調變 / 解調變

數位通訊 第一章 28

調變技術

數位通訊 第一章 29

調變 bP

Q2EN

b

0

1 / 2 exp (-E / N )b 0

QEN

b

0

1/ 2 exp [-1 / 2 (E / N )]b 0

同調 PSK

非同調 DPSK

同調 FSK

非同調 FSK

其中 b

0

0 b

E Bit EnergyN Noise Density

SN R Noise Density Bit Rate

接收訊號功率

2

X

1Q(X) exp ( u /2) du.2

和

二進制調變的錯誤率

數位通訊 第一章 30

調變技術：錯誤率 vs. Eb/N0

數位通訊 第一章 31

• 直接序列或直序(direct sequence, DS)、跳頻(frequency-hopping, FH)和跳時(time-hopping, TH)

• 應用 (早期以軍事用途為主)：─抑制干擾 (抗干擾，anti-jamming )─低攔截機率 (low probability of intercept, LPI) 傳輸─多重進接 (CDMA)─對抗衰減 (fading) /多路徑(multi-path)通道─測距 (ranging)

• 在AWGN通道下無法提升效能。

展頻 / 解展頻

數位通訊 第一章 32

載波產生器

f f

PA

資料源

前端電路

÷G

Clock

時脈

展頻碼產生器

展頻

訊號處理

展頻碼產生及同步

載波同步

資料

÷G

時脈同步

t cos o

1m(t)

cR 1c(t)

t)cos( c(t)m(t) o1)T-c(t d

解展頻 解調變

t)cos( 2 c

cR

s 0S (f f )

0f c0 Rf

)f(fS 0mod

0f

調變 (t)ss

(t)so

直接序列展頻系統

數位通訊 第一章 33

t0

1

-1

PN 序列

t

-1

0

11 位元

訊息

bt b2t

1 片段(Chip)

ct

二元訊息和序列碼

數位通訊 第一章 34

MFSK調變.m(t), Rs=Ts-1

升頻器

頻率合成器

LOf

帶通濾波器

S (t)FH

{f f f }h 0 LO

k1

k 級移位暫存器

展頻碼產生器c(t)

Clock, Th

跳頻展頻系統

數位通訊 第一章 35

sTtime

Data

freq

uenc

y

dW

hT

dW

0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1

sW

慢速跳頻 (SFH)

數位通訊 第一章 36

freq

uenc

y

sT

Data 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1

hT

dW

time

sW

快速跳頻 (FFH)

數位通訊 第一章 37

多重存取

• 分頻多重存取(frequency division multiple access, FDMA)：類比式、數位式

• 分時多重存取(time division multiple access, TDMA)：數位式

• 分碼多重存取(code division multiple access, CDMA)：數位式

- 多工處理：基頻 (baseband system) 系統，不同資訊整合後由單一發射機傳送訊號。

- 多重存取：帶通(bandpass)系統，多發射機個別調變傳送不同資訊以分享頻寬。

數位通訊 第一章 38

• 數位通訊系統中必要的處理機制。

• 同步的不同層級：─展頻碼同步─載波同步─位元或符元(symbol) 同步─訊框 (frame) 同步─網路同步

同步

數位通訊 第一章 39

升頻器 功率放大器從調變器來

RF 傳送端

雙工器天線系統

低雜訊放大器降頻器到解調器

RF 接收端

傳送端、接收端以及天線系統

數位通訊 第一章 40

通道

(詳細內容請參考「通訊原理」教材第三章)

有線通道• 雙絞線 (twisted pair)• 同軸電纜 (coaxial cable)

- 基頻帶同軸電纜 (baseband coaxial cable)- 寬頻帶同軸電纜 (broadband coaxial cable)

• 光纖 (optical fiber)

無線通道• 視距(line-of-sight, LOS)傳輸

- VHF(特高頻)、UHF(超高頻)、微波等。

• 非視距(non-LOS)傳輸- 地波(ground wave)、HF(高頻或電離層)、衛星(satellite)通訊。

數位通訊 第一章 41

有線通道傳輸特性

困難中等至困難容易容易籌設與維護

相當高較基頻帶佳高頻~高低頻~低

非屏蔽式~低屏蔽式~較佳

雜訊隔絕能力

相當高高於基頻帶中等較低安全性

20G以上300~750M10~100M1~10M頻寬

光纖電纜寬頻帶同軸電纜

基頻帶同軸電纜

雙絞線電纜電纜種類

特性

數位通訊 第一章 42

無線通道傳播模式

Figure copyright: “Principles of Communications: Systems, Modulation and Noise”, 4th edition, Ziemer and Tranter, ISBN: 0-395-66868-9

數位通訊 第一章 43

課程大綱

1.1 類比 vs. 數位

1.2 數位通訊優缺點

1.3 數位通訊技術簡介

習題

數位通訊 第一章 44

習題

1. 請說明數位訊號和類比訊號的差別。

2. 下列何者為數位通訊系統?家用電話, ISDN, ADSL, GSM, 目前使用大哥大系統,3G手機, 目前觀看之第四台有線電視, DTV, AM, FM, DAB。

3. 請列舉數位通訊之優點(最少四項)。

4. 請畫出數位通訊完整系統方塊圖。

數位通訊 第一章 45

習題

5. 請簡述訊源編碼的功能或目的。

6. 請簡述加密的功能或目的。

7. 請簡述通道編碼的功能或目的。

8. 請簡述多工處理的功能或目的。

數位通訊 第一章 46

習題

9. 請簡述調變的功能或目的。

10. 何謂FDM?

11. 何謂TDM?

12. 何謂CDM?

13. 請說明使用展頻通訊技術的目的。

14. 請列舉展頻通訊技術的種類。

數位通訊 第一章 47

習題

15. 請說明多工處理(multiplexing)和多重存取(multiple access)的差別。

16. 數位通訊可包含哪些同步層級?