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第二章　展頻技術介紹 ( 補充 )

第二章　展頻技術介紹 ( 補充 ). 天線是最重要的元件，當天線有電流產生時　會在天線周圍形成 電場 ，電流改變會使電場改變，因而產生 磁場 ，而 電磁波 就產生了！ 無線廣播天線遠比無線網卡或行動電話天線要長很多？ Ans ： AM 803kHz ， 3*10 8 / 803000 =375m Mobile 3*10 8 / 2.4*10 9. IEEE 802 系列的網路協定. 4.1 　展頻技術介紹 ( 補充 ).

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第二章　展頻技術介紹 ( 補充 )

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  1. 第二章　展頻技術介紹(補充)

  2. 天線是最重要的元件，當天線有電流產生時　會在天線周圍形成電場，電流改變會使電場改變，因而產生磁場，而電磁波就產生了！天線是最重要的元件，當天線有電流產生時　會在天線周圍形成電場，電流改變會使電場改變，因而產生磁場，而電磁波就產生了！ 無線廣播天線遠比無線網卡或行動電話天線要長很多？ Ans：AM803kHz，3*108 / 803000 =375m Mobile 3*108 /2.4*109

  3. IEEE 802系列的網路協定

  4. 4.1　展頻技術介紹(補充) • 　展頻通訊技術之特色為寬頻及低功率，WLAN所用的展頻通訊用了各種調變方式。展頻通訊並比它的前者「窄頻通訊」具備更多的優點。展頻訊號很像雜訊，很難偵測，若無特殊設備很難破解及「反調變」(Demodulate)。一般常見的干擾亦屬於窄頻，故干擾對展頻影響較小而對窄頻之影響較大，故展頻早期只能用在軍中。

  5. 4-1 何謂調變 (1) • 調變是將訊號轉換為一種適合於通道的波形，解調變則是利用調變後的訊號特性，把訊號從一團混亂中解析出來。 • 至於轉換的方式將依據振幅、相位與頻率等特性。 • 因此，如何轉換訊號，並且應用這些特性完成訊號的傳輸，就是調變有趣的地方。

  6. 4-1 何謂調變 (2) • 調變可區分為基頻調變與帶通調變兩種 • 帶通調變 • 頻率較低的來源訊號稱為基頻（Baseband）訊號，與基頻訊號互相結合的高頻率傳輸電波，稱為載波（Carrier）訊號，例如：在IEEE 802.11技術中所採用的載波訊號的頻率為2.4GHz。 • 帶通調變的目的是將基頻訊號提升到一個較高的頻率－載波頻率，以此載波頻率震盪的正旋函數形成電磁波傳播於通道中。 • 換句話說，訊號頻率的位準由零轉換到一個較高的位準。通訊系統傳輸來源訊號（source message）時，為增加訊號的傳輸效能以及減少傳輸後的衰減，通常必須將低頻率的來源訊號與更高的頻率互相結合，結合後成為高頻的無線電波訊號。 • 這個高頻無線電波內的相位與頻率變化，隱含了來源訊號的內容，此種程序稱為帶通調變。 • 基頻調變 • 不需要轉換位準，直接轉換波形即可傳送至通道。

  7. 4-1 何謂調變 (3) • 基頻調變比帶通調變要簡單而且直接多了，為何還要使用帶通調變呢？ • 因為許多的應用都要在同一個通道中傳輸，如果每一種應用都把自己的訊號直接往通道傳送，所接收到的訊號便會混成一團，訊號種類越繁多，能夠正確接收訊號的機率就越低。 • 所以，我們把各種應用分別提升到規定好的載波頻率上，也就是所謂的頻率分工，達成通道共享的目的。 • 以帶通調變為例，當接收端收到載波訊號後，再依照反向過程來將來源基頻訊號由載波中分離，此種程序稱為解調變（De-modulation）。

  8. 數位調變 (1) • 如果訊號是連續的，例如說將聲音轉換成的訊號，所採用的調變方式將會是前面兩個大主題所談到的調變方式（類比與脈波調變）。 • 如果訊號是數位的，也就是0與1的訊號，調變方式將會不同於以往。 • 數位調變是以載波內振幅、頻率、相位等非連續的變化來表示基頻內0與1的數位訊號。 • 以下介紹三種數位訊號的調變方式，包括： • 振幅移鍵（Amplitude Shift Keying；ASK） • 頻率移鍵（Frequency Shift Keying；FSK） • 相位移鍵（Phase Shift Keying；PSK）。 • 三種數位調變技術所採用的「輸入訊號」都是數位的訊號，也就是提出三種0與1的對應方式。

  9. 數位調變 (2) • 振幅移鍵（Amplitude Shift Keying；ASK） • 開關閘將0對應到0，1對應到AΧCos（2πΧfcΧt），其中A是一個預設的振幅，Cos（2πΧfcΧt）是餘弦函數，fc是載波頻率。 • 因此，發射端只需要一個震盪器，與一個開關閘。振幅移鍵的訊號沒有完全的利用振幅的特性，使得0與1對應訊號的差異不夠大，因此效能表現並不優秀，應用的機會也較少。 • 簡單的說，當基頻上的訊號以載波的振幅變化來表示時，稱為振幅移鍵（ASK）方式。

  10. 數位調變 (3) • 頻率移鍵（Frequency Shift Keying；FSK） • 二位元頻率移鍵將0對應到AΧcos（2πΧfcΧt），1對應到AΧcos（2π（fc＋Δf）t），Δf是一段頻率的間隔，不同的接收方式與信號的頻寬都會影響可靠傳輸的最小頻率間隔。 • 如果與振幅移鍵（ASK）相互比較，假設傳輸的平均能量相等，兩者有相同的效能，但若以波峰能量相等衡量，二位元頻率移鍵有較好的效能。 • 其缺點是頻寬的使用不具效率，效能也沒有突出的表現。簡單的說，當基頻上的訊號以載波的頻率變化來表示時，稱為頻率移鍵（Frequency Shift Keying）方式。

  11. 數位調變 (4) • 相位移鍵（Phase Shift Keying；PSK） • 二位元相位移鍵將0對應到AΧSin（2πΧfcΧt＋θ），1對應到AΧSin（2πΧfcΧt－θ），其中Sin（2πΧfcΧt）是正弦函數，θ是一個預設的相位，當θ為90°與270°時，會有最低的錯誤率，也稱做雙相位移鍵。 • 假設訊號在通道中會引入可加性白色高斯雜訊，最佳接收機的設計為經過一個關聯器、對積分於一個符元時間之內的值取樣，再判斷訊號的正負，便得出解調的信號。 • 此技術大多運用在無線通訊系統。簡單的說，當基頻上的訊號以載波的相位變化來表示時，稱為相位移鍵（PSK）方式。

  12. 數位調變 (5) • 數位調變相較於類比調變有更多的優點，條列如下： • 優異的抗干擾能力 • 數位調變內各個訊號不是0就是1，例如以0伏特來表示位元0，以5伏特來表示位元1，當位元強度受到外界的雜訊影響而改變強度成為3.8伏特時，系統在傳輸過程中能將位元強度回復到原來正常的5伏特。 • 提供資料多工處理 • 當不同型態的資料經過數位調變後，都轉換成0與1的數位訊號，如此，資料就能多工混合後由相同的頻道傳送，另外一方接收到這些資料後，再解多工還原成原來個別型態的資料。 • 提供傳輸安全機制 • 數位調變系統內的數位訊號還能運用數位訊號處理的技術，例如發射端以特定的密碼將資料進行編碼，接收端必須具備相同的密碼，才能還原成原來的資料，避免訊號傳輸時遭其他人竊取。 • 除編碼外，數位調變還能進行頻道編碼（channel coding），頻道編碼是在傳輸資料內，額外加入一些控制位元，當接收端收到訊號後，依照這些控制位元的數值將傳輸過程中若干發生錯誤的位元加以更正過來。

  13. 802.11 完全剖析無線網路技術 Chapter4　展頻技術

  14. 4.1.1　窄頻通訊 • 　圖4.1所顯示為展頻與窄頻訊號之不同。注意窄頻的一個特色是高功率，使用的頻道愈窄則功率需求愈高。因為頻道很窄，必須靠高功率來確定接收無誤，如FM電台發送功率可達兩千瓦。而功率愈高，則與隔鄰頻道間的Guard Band則必須越大，造成頻率無法有效使用。為讓窄頻訊號被接收，它必須比雜訊 (Noise Level)之功率高很多。

  15. 　窄頻傳輸的另一缺點是它很容易被蓋台(Jam)或被干擾。Jam為惡意的蓋台，如圖。因為頻帶很窄，它很容易被其他頻率相同之高功率窄頻訊號所掩蓋，就好像講話時有重型車經過。　窄頻傳輸的另一缺點是它很容易被蓋台(Jam)或被干擾。Jam為惡意的蓋台，如圖。因為頻帶很窄，它很容易被其他頻率相同之高功率窄頻訊號所掩蓋，就好像講話時有重型車經過。

  16. 4.1.2　展頻技術 • 　展頻技術讓我們用比窄頻寬許多的頻道作通訊。例如在1MHz窄頻我們需要10W傳送，但若用20MHz展頻則只需要10mW傳送。而且較寬的頻道不容易被Jam或被破壞。窄頻Jamming只能對展頻的一小部分傳送造成影響，而大部份的資訊都能正確傳輸。RF線路都能針對毀損的一小部分換一個頻道作重送。 • 　雖然展頻的頻道很寬，但功率很低，這是展頻的第二個特色。此兩個特色讓一般的接收器認為這只是雜訊。故在早期展頻訊號的安全性比較高。

  17. 4.1.3　展頻技術之使用 • 　此天生的安全性讓軍方在1950到1960年代冷戰時期採用展頻通訊。因為類似雜訊，展頻可用於戰區而不被敵方傳統接收設備察覺，安全性得以確保。當然，這是假設對方不懂這技術。如對方懂這技術，他若無法破解出資訊至少也能偵測到展頻訊號之存在。

  18. 在WLAN之外，WPAN (Wireless Personal Area Net-work)、WMAN(Wireless Metropolitan Area Network)、以及WWAN(Wireless Wide Area Network)也都能使用展頻技術。WPAN使用藍芽技術利用非常低的功率在很短的距離作無線通訊。WMAN及WWAN使用高方向性天線配合相當低的功率作長距離通訊。

  19. 下圖表示802.11 WLAN、802.16 WMAN與802.20 WWAN技術之比較。

  20. IEEE 802系列的網路協定

  21. 無線區域網路(Wireless Local Area Networks，WLAN) • 圖4.6表示一台連到乙太網路的AP與其他WLAN設備之連線。AP將無線與有線兩個網路連接而成一個網路，網路內任何成員都能互通。例如有線這一側若有印表機，無線的電腦都能使用它。

  22. 圖4.7表示當距離變長，802.11b的速率會下降。若無阻礙情況，AP最遠可支援達100公尺。圖4.7表示當距離變長，802.11b的速率會下降。若無阻礙情況，AP最遠可支援達100公尺。

  23. 　無線個人網路(Wireless Personal Area Networks，WPAN) • 　「Bluetooth軍人」的理想是讓單兵配備類似直昇機駕駛的遙控式機槍，亦即它只要以夜視鏡對準目標按下按鈕，機槍就能打中目標。而夜視鏡與機槍之間是以Bluetooth連線。當然，為了自身安全，機槍與單兵間應保持「一段」距離，此情況屬於Telepresense，亦即將WPAN架構在WWAN或Internet之上。

  24. FCC對展頻技術限制很寬，允許各種方式達成。某些採用跳頻展頻，亦即傳送與接收端同時在頻帶內各個頻道做跳頻並同時交換資料。例如藍芽每秒跳1,600次，而HomeRF每秒約50次。這兩種技術均與802.11的跳頻大不相同，802.11每秒約只跳5至10次。

  25. 無線長途網路(Wireless Wide Area Networks，WWAN) • 傳統WWAN技術一般是指也是需要執照的2G、2.5G以及3G等行動通訊技術，但資訊傳輸的速度不夠快是其致命傷，以WLAN為基礎的4G技術將會對這些業者造成致命影響，換句話說就是「2G與3G業者時日無多」。 • 圖10及圖11都是表示4G的趨勢。

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