數位通訊140.126.122.189/upload/1052/b22304a201612291118441.pdf · 數位通訊 第一章 40...
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數位通訊 第一章 1
數位通訊
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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”
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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)
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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
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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
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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
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數位通訊 第一章 7
第一章 數位通訊介紹
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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
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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
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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 。
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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:
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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
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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
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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
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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
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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
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數位通訊 第一章 28
調變技術
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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
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數位通訊 第一章 30
調變技術:錯誤率 vs. Eb/N0
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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
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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
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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
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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
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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)
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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)
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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。
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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
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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
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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。
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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
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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
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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
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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。
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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。
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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。
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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?