訊號、系統與通訊原理

1.1　通訊系統簡介

一個通訊系統的主要任務是將攜帶著訊息的訊號（information-bearing signal）由傳送端透過通訊通道（communication channel）傳至目的地。同時接收端必須能夠正確無誤的還原訊息。因此在規劃一個通訊系統時要考量的包括了發射機，發射功率，可使用的頻寬（bandwidth），通道雜訊（noise）與干擾（interference），以及接收機的設計等。

在本章中我們將針對圖1-1的各部分逐一地說明，至於詳細的工作原理將於本書之後的章節進行討論。

一、訊號源（Information Source）

訊號源包括了語音、影像、影片、電子檔案資料等，有些訊號源可直接傳送，有些則需要先轉換為適合傳送的訊號模式，例如語音訊號必須要先經由「麥克風」轉換為電壓訊號。訊號源的輸出稱為調變訊號（modulating signal），依據調變訊號的形式，我們可將通訊系統分為類比（analog）與數位（digital）兩種型式，分別定義如下：

類比通訊系統（Analog Communication System, ACS）：若調變訊號在時間及振幅上均呈現連續的改變，則稱之為類比通訊系統。

數位通訊系統（Digital Communication System, DCS）：若調變訊號本身或是經過處理之後，由有限個波形所代表，換言之，每次傳輸之訊號波形是由有限個可能的波形之中擇一傳送，則稱之為數位通訊系統。

二、調變器（Modulator）

如圖1-1所示，在發射部分的調變器，會有載波（Carrier）訊號加入，載波訊號是頻率極高的連續波（Continuous Wave, CW），其任務在於攜帶所欲傳送之訊息。調變訊號（modulating signal）本身通常並不適合在通道中傳送（原因會在下一節中詳述），調變（Modulation）即是一種讓訊息適合於在通道中傳送的過程，執行調變工作的裝置則稱為調變器，訊息經過調變之後稱為已調變訊號（modulated signal）。

三、傳輸通道（Channel）

傳輸通道代表了訊號在發射及接收端之間所通過之介質，廣義的來說傳輸通道分成兩種：有線（wired）與無線（wireless）。有線通道可以是雙絞線（twisted pair）、同軸電纜線（coaxial cable）、光纖（optical fiber）、電腦網路之間的傳輸線等。無線通道在傳送端與接收端之間無任何的纜線，因此需要發射天線與接收天線有效的發射與接收電磁波，無線通訊之應用無遠弗屆，從大家最熟悉的廣播電台、電視、行動電話，其他如微波無線電（microwave radio）、衛星通訊（satellite communication）、水下（underwater）通訊、蜂巢式（cellular）通訊系統、超寬頻無線電系統〔ultra wideband（UWB）radio〕等均屬於無線通訊。但訊號無論是透過有線或無線傳輸通道都會遭到變壞（degradation）的結果，其原因包括傳輸通道所導致的損耗（loss）或衰減、內部電子零件所產生熱雜訊（thermal noise）在或外部的背景雜訊（background noise）、無線通道中其他訊號的干擾（interference）、通道頻寬受限而導致符元之間的相互干擾（Intersymbol Interference, ISI）造成訊號失真（distortion）等。顯然的，有線通道較不易受到外在環境之影響與其他訊號之干擾，然而實用性差。

與有線通訊系統比較起來，無線通訊具有更大的彈性，無線通訊的最大好處是無所不在，不需要佈線，訊號是以電波的形式傳播，故在發射端與接收端必須根據電波的波長以及特殊的目的設計天線（Antenna）以有效的輻射及擷取電波。在許多環境下（如高山、海洋、戰場等）無線通訊是極為方便甚至於唯一的選擇。由於電波以直線傳播為主（Line-of-sight, LOS），故為了增加傳播的距離或擴充通訊系統之涵蓋範圍，通常會將基地台（base station）之天線架設於最高點或視野遼闊之位置，但是即便如此，由於電波反射、折射等因素，訊號由發射機天線輻射無可避免的經由不同的路徑到達接收端，到達時間隨著路徑之長短而異，此外，每條路徑之衰減之程度亦不相同，這些因素甚至於隨著時間而改變，換言之，接收機所收到的訊號為發射訊號經由不同的延遲並分別乘上不同的權重後的和，因此訊號之振幅與相位均會失真，尤其是時間延遲會導致訊號展延（dispersion），以上這些現象稱之為多重路徑衰退（multipath fading）。圖1-2為一個多重路徑的示意圖，多重路徑衰退不但會造成訊號失真，還會因為訊號展延導致符元之間的相互干擾。使用多樣性（diversity）技術可以在不增加發射功率的前提下解決fading的問題，但需要在接收端配置訊號組合的架構；為了去除訊號失真或降低ISI，可在接收機前端使用等化器（equalizer）以抵銷多重路徑通道的效應，詳細的設計原理會在本書中提及。

四、解調變器（Demodulator）

將調變訊號從載波中解譯出來的裝置稱為解調變器，解調變器必須將調變器對訊號的處理進行反向操作，以恢復原訊號的形式。在訊號傳送的過程中，無可避免的會因為雜訊、干擾等因素導致訊號失真，因此，解調變器之任務對數位通訊系統而言，在於根據所接收到的訊號（被雜訊所汙染的發射訊號）「猜測（guess）」發射端所傳送之訊息是屬於有限個可能中的的哪一個。反之，由於類比通訊系統有無限個可能的波形，故其解調變器之目的則在「重製（reproduce）」發射端的訊息訊號。

1.1　通訊系統簡介

一個通訊系統的主要任務是將攜帶著訊息的訊號（information-bearing signal）由傳送端透過通訊通道（communication channel）傳至目的地。同時接收端必須能夠正確無誤的還原訊息。因此在規劃一個通訊系統時要考量的包括了發射機，發射功率，可使用的頻寬（bandwidth），通道雜訊（noise）與干擾（interference），以及接收機的設計等。

在本章中我們將針對圖1-1的各部分逐一地說明，至於詳細的工作原理將於本書之後的章節進行討論。

一、訊號源（Information Source）

訊號源包括了語音、影像、影片、電子檔案資料等...

序

通訊產業是近年來高科技產業中極為重要的一環，由於通訊產業的發展快速及通訊技術的日新月益，因此通訊人才的養成刻不容緩！與通訊科技相關的產業包含：無線通訊系統、電腦通訊網路、通訊電子訊號處理、光通訊、通訊IC設計、電波工程、多媒體及多用戶通訊技術、數位電視廣播、以及相關通訊技術之整合輿應用等。通訊科技未來之發展無遠弗屆！

「通訊原理」是理論嚴謹、架構完整、內容豐富，完美到令人窒息的一門學問！同時也是一門高度數學化的學問，由於要對信號與系統進行時域與頻域的分析，因此必須熟悉傅立葉級數與轉換；由於雜訊具隨機之特性，因此必須了解機率理論與隨機程序；為了分析數位通訊系統的性能，檢測理論與向量空間法為必要的工具；此外，在探討消息理論與通道編碼理論時，矩陣之特性及計算必須熟悉。因此在本書之前半段即詳盡的介紹這些必備的數學工具。接著在第四、五章則討論AM、FM、PM等類比通訊技術之原理以及收發機之設計，第六章探討脈波通訊，其中包含了取樣、量化、以及編碼器之工作原理。由於積體電路的出現以及蓬勃發展，數位通訊已經取代類比通訊成為市場的主流，因此在本書之第七、八、九章詳盡的分析了數位通訊系統之相關技術，其中第七章闡述「向量空間法」，第八章則比較了不同的數位調變方式之性能以及頻譜使用效率，第九章著重於於消息理論與編碼技術。

近年來隨著通訊量的飛速增加，點對點通訊已經不敷需求，多重接取技術因應產生。因此在本書第十章介紹現代通訊系統：包含了衛星通訊、展頻通訊（Spread Spectrum Communications）、多用戶通訊（Multiuser Communication）技術、以及蜂巢式行動通訊系統，其中多重接取技術由1G（FDMA）、2G（TDMA）、3G（CDMA）到4G（OFDMA）以及智慧型天線在SDMA之應用均有詳盡探討。現今及未來通訊系統的主要發展在於無線通訊技術與網際網路的結合，因此在本書之最後一章介紹網際網路。內容包含了：通信協定與網路分層武架構、網路的存取技術、以及無線區域網路等。

時光飛逝，轉眼之間在大學任教已經歷17寒暑，謹以此書獻給所有認真修過我的課，以及曾經與我有過熱烈討論的學生，從你（妳）們殷切的眼神中，讓我發現自己存在的價值、讓我充分享受教學相長之樂、讓我不以工作為苦、讓我不知老之將至！

序

通訊產業是近年來高科技產業中極為重要的一環，由於通訊產業的發展快速及通訊技術的日新月益，因此通訊人才的養成刻不容緩！與通訊科技相關的產業包含：無線通訊系統、電腦通訊網路、通訊電子訊號處理、光通訊、通訊IC設計、電波工程、多媒體及多用戶通訊技術、數位電視廣播、以及相關通訊技術之整合輿應用等。通訊科技未來之發展無遠弗屆！

「通訊原理」是理論嚴謹、架構完整、內容豐富，完美到令人窒息的一門學問！同時也是一門高度數學化的學問，由於要對信號與系統進行時域與頻域的分析，因此必須熟悉傅立葉級數與轉換；由於雜訊...

第一章 通訊系統概論
1-1　通訊系統簡介
1-2　調變
1-3　編碼
1-4　多樣性技術
1-5　無線鏈路規劃
附錄　有關Decibel以及功率單位之說明
第二章 訊號與線性非時變系統
2-1　訊號之分類與處理
2-2　連續時間之Fourier分析
2-3　線性非時變系統
2-4　希爾伯轉換與帶通訊號
2-5　離散時間之 Fourier 分析
附錄　富利葉轉換之重要性質與常用的富利葉轉換對
第三章 機率系統與隨機訊號
3-1　全機率定理與貝氏定理
3-2　隨機變數與統計特性
3-3　常用的機率分布
3-4　隨機程序之意義與性質
3-5　隨機訊號與線性非時變系統
3-6　高斯隨機程序與白高斯雜訊
第四章 類比調變技術(1)：線性調變
4-1　雙旁波帶抑制載波
4-2　振幅調變
4-3　單旁波帶
4-4　同調檢測接收系統之訊雜比
4-5　頻率轉移與超外差式接收機
第五章 類比調變技術(2)：非線性調變
5-1　相位調變與頻率調變
5-2　FM 訊號之產生與解調
5-3　FM 接收機之性能分析
第六章 脈波編碼調變
6-1　取樣理論
6-2　量化
6-3　脈波編碼調變與分時多工系統
6-4　線碼
6-5　符號間的干擾與等化器
第七章 數位訊號檢測技術
7-1　匹配濾波器
7-2　二位元臆測測試
7-3　基頻二位元訊號在AWGN下的檢測及性能分析
7-4　訊號的向量表示法及Gram-Schmidt正交化過程
7-5　M-ary通訊系統
第八章 帶通系統中的數位調變與解調變技術
8-1　相移鍵
8-2　頻移鍵
8-3　幅移鍵
8-4　混合型調變
8-5　同步
8-6　非同調檢測技術
8-7　最小頻移鍵
8-9　功率頻譜與頻寬效益
附錄 A 聯集不等式
附錄B M-ary FSK 之位元錯誤率
附錄C 不同的調變方式下位元（符元）錯誤率的公式彙整
附錄D 不同的調變方式下頻寬效率的公式彙整
第九章 訊號源編碼與通道編碼
9-1　訊號源編碼
9-2　通道容量理論
9-3　通道編碼(1)：線性方塊碼
9-4　通道編碼(2)：迴旋碼
第十章 現代通訊系統
10-1　衛星通訊
10-2　展頻通訊
10-3　多用戶通訊技術
10-4　蜂巢式行動通訊系統
第十一章 網際網路導論
11-1　網路之基本概念
11-2　網路拓撲
11-3　通訊協定與網路分層式架構
11-4　網際網路連線與TCP/IP
11-5　網域名稱系統
11-6　網際網路電子郵件：SMTP
11-7　網路的存取技術：IEEE802.3與CSMA/CD
11-8　無線區域網路：IEEE 802.11b與CSMA/CA
參考資料

第一章 通訊系統概論
1-1　通訊系統簡介
1-2　調變
1-3　編碼
1-4　多樣性技術
1-5　無線鏈路規劃
附錄　有關Decibel以及功率單位之說明
第二章 訊號與線性非時變系統
2-1　訊號之分類與處理
2-2　連續時間之Fourier分析
2-3　線性非時變系統
2-4　希爾伯轉換與帶通訊號
2-5　離散時間之 Fourier 分析
附錄　富利葉轉換之重要性質與常用的富利葉轉換對
第三章 機率系統與隨機訊號
3-1　全機率定理與貝氏定理
3-2　隨機變數與統計特性
3-3　常用的機率分布
3-4　隨機程序之意義與性質
3-5　隨機訊號與線性非時...