第 4 章 WLAN 的通訊技術

1. 第4章 WLAN的通訊技術

2. 本章的學習重點 • 了解資料與訊號之間的關係。 • 認識無線電頻道承載資料的方式與能力。 • 了解無線電頻道共用的方式。 • 將相關的理論延伸到WLAN的領域中探討。

3. 前言 (1) • 早在二十世紀初期，類比式的廣播系統－調幅、調頻，由於傳播的範圍廣闊，逐漸成為人們生活中接收資訊的一種方式。 • 西元1948年，雪農（Claude E. Shannon）發表了「通訊的數學理論」之後，隨著時間演進，通訊系統與通訊理論逐漸發展成熟，也因此拓展了資訊傳遞的距離，改變人類生活模式。 • 直至今日，數位式通訊依照用途不同，有線、無線與通道特性，各式各樣的系統於焉誕生。 • 雖然種類繁多，用途亦有所不同，但是萬變不離其宗，這些系統的使命，即在透過電磁波傳遞訊息。然而如何透過電磁波完成這樣的使命呢？答案就是調變！

4. 前言 (2) • 對於整個通訊系統而言，輸入的訊號可以是類比或數位的，將此訊號先經過調變，再送入通道，而通道就是傳送端與接收端間的媒介。 • 若是在有線的環境中，以光纖為例，訊號透過發光二極體或雷射將光源射入光纖中，光纖便是通道。 • 通常我們以機率模型模擬訊號在通道中受到的干擾或衰減，因此只要知道通道的機率模型，便能以數學的方式模擬或分析訊號在通道中的變化。 • 經過通道，接收端將訊號解調變，訊號的傳遞便完成了

5. 前言 (3)

6. 訊號裡的玄機 • 認識生活環境裡的資料與訊號 • 傳輸(transmission) • 常見的資料與 • 訊號的型式及轉換

8. 編碼(encoding)與調變(modulation)的技術

9. 頻率領域的特徵 • 輸入訊號 : x(t) = Ai cos( ) • 輸出訊號 :

10. 數位通訊頻道的基本限制 • 基頻傳輸(baseband transmission) • Nyquist signaling rate • 薛南容量(Shannon Capacity)公式 • 訊號雜訊比(SNR，signal-to-noise ratio)的觀念 • 通訊頻道的資料速率有一些難以克服的限制

11. 資料與訊號的轉換技術 • 數位資料轉換成數位訊號編碼技術 • (1) 以目前狀態：NRZ-L；NRZI • (2) 以狀態轉變：Manchester；Differential Manchester • 數位資料轉換成類比訊號數位調變(Digital Modulation) • 類比資料轉換成數位訊號脈衝碼調變(PCM) • 類比資料轉換成類比訊號 基頻訊號(Baseband Signal)

12. PCM的原理

13. 調變技術簡介 • 無線通訊裡頭的電磁波算是類比訊號 • 將數位資料轉換成類比訊號 • 將類比資料轉換成類比訊號 • 類比調變(analog modulation) • 數位調變(digital modulation)

14. 振幅調變(AM, amplitude modulation)

15. 頻率調變 (FM, frequency modulation)

16. 數位通訊系統的架構

17. 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。

18. 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。

19. 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）。

20. 4-2 調變技術 • 基於帶通調變與基頻調變兩項基本原理發展而成的調變技術，又可以簡略分為三大種類： • 類比調變（Analog Modulation） • 脈波調變（Pulse Modulation） • 數位調變（Digital Modulation）

21. 類比調變技術 (1) • 類比通訊是以載波頻率的相位，頻率變化來表示來源訊號的類比訊號。 • 類比調變具有保密性不佳，系統容量受限，無法傳輸數據資料等缺點。 • 類比調變技術衍伸出三種不同的應用技術，分別是： • 調幅（Amplitude Modulation；AM）調變技術 • 調頻（Frequency Modulation；FM）調變技術 • 調相（Phase Modulation；PM）調變技術 • 前兩項技術分別以載波的振幅與頻率變化來表示來源訊號。 • 調幅（AM）與調頻（FM）調變技術主要使用在日常生活中最容易接觸到的廣播系統，使用的方式極其簡單。調相（PM）調變技術的應用則較不廣泛。

22. 類比調變技術 (2)

23. 類比調變技術 (3) • 調幅（AM）調變技術 • 調幅（AM）是廣播系統採用的一種調變方式，屬於類比調變，在無線的環境下，使用的頻段為540 KHz到1600 KHz。調幅廣播波長約在200到600公尺的範圍，屬於中波。 • 除了廣播系統應用了調幅調變技術之外，在3 MHz到30 MHz高頻中的國際短波廣播，甚至比調頻（FM）廣播更高頻率的116 MHz到136 MHz飛航通訊，所使用的調變方式也都是調幅技術。 • 振幅調變是以帶通調變技術為基礎所發展而成，我們在使用收音機的時候，把載波頻率提升到540 KHz至1600 KHz之間，調到某電台的動作，就是移動所要接收的載波頻率。 • 而訊號是如何轉換的呢？ • 訊號原本是聲音，因此先將聲音轉換為有正有負的訊號，調幅機制會先把訊號全部提升為零以上的值，再將頻率提高至載波頻率，就產生了一個調幅的訊號。 • 在接收端，解調變只需要將訊號通過波封檢測器或者低通濾波器，即可得出解調之後的訊號。

24. 類比調變技術 (4) • 調頻（FM）調變技術 • 調頻（FM）也是廣播系統採用的調變方式，亦屬於類比調變技術，使用的頻段為88MHz到108MHz。 • 相較於調幅（AM），調頻（FM）的頻段較高，波長較短。 • 調頻（FM）在28MHz到30MHz間的調變方式，也應用在太空、人造衛星通訊方面。 • 簡單地說，調頻（FM）是將訊號的強弱轉換成頻率的變化，因此，只需要判斷訊號頻率的快慢，就可以解調（De-Modulation）收到的訊號。

25. 類比調變技術 (5) • 調相（PM）調變技術 • 調相調變（Phase Modulation），與調頻（FM）的產生方式約略相同。 • 兩者最大的差異為前者訊號對應的是相位（phase），惟調相（PM）在實際應用上並不多見。

26. 脈波調變技術 (1) • 脈波調變訊號的波形是長方形的，也就是在傳輸一個脈波的時間內，振幅不隨時間改變。 • 脈波調變是以基頻調變技術為基礎所發展而成的，又可分為類比式與數位式兩類。

27. 脈波調變技術 (2) • 類比式的脈波調變技術 • 脈波調變針對前述的類比式調變，針對振幅、頻率與相位三個特性，分別為衍伸出三種不同的應用技術： • 脈波振幅調變（Pulse Amplitude Modulation；PAM） • 脈波寬度調變（Pulse Width Modulation；PWM） • 脈波位置調變（Pulse Position Modulation；PPM） • 類比式脈波調變採用一對一的對應方式，先將輸入訊號加以取樣，訊號的振幅轉換為脈波的振幅（amplitude）、寬度（width）與位置（position），接收端則依照接收脈波的振幅、寬度與位置解調。 • 在光纖通訊中，脈波位置調變（PPM）是一種經常採用的調變方法。

28. 脈波調變技術 (3) • 數位式的脈波調變技術 • 除了上述三項類比式技術之外，脈波調變還另外發展出數位式技術，也就是脈波符碼調變（Pulse Code Modulation；PCM）技術。 • 脈波符碼調變（PCM）是數位式脈波調變中的一種調變方式，應用最廣。 • 早期的通信模式，大部分是採用連續型類比訊號來傳輸，但由於電腦及網路的蓬勃發展，以脈波方式直接在電腦中處理資料較為簡單與方便，脈波符碼調變（PCM）乃應運而生。

29. 脈波調變技術 (4) • 脈波符碼調變（PCM） • 脈波符碼調變技術須先透過取樣，取得與原訊號振幅成正比的脈波，即脈波振幅調變訊號，再將此脈波的振幅區分為N個位階，被分到哪個位階就有其對應的位元組合，得到了相對應的位元即可透過纜線傳輸。 • 在接收端，先將接收訊號ｋ個位元一組，轉換成振幅，再解調回原始類比訊號。 • 由於脈波符碼調變訊號屬於數位訊號，對雜訊的抵抗力高，且可作分時多工的多重通訊，更可透過重覆器，在一段長距離傳輸後重整數位訊號。 • 因此，目前長距離電話語音通訊，大都採用脈波符碼調變（PCM）方式進行傳輸工作。

30. 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。

31. 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。

32. 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。

33. 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。

34. 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。

35. 認識數位調變的基本原裡訊號的調變

36. 4-3 正交分頻多工技術 (1) • 正交分頻多工（Orthogonal Frequency Division Multiplexing；OFDM）編碼技術已成為新的無線通訊應用中最熱門之傳輸調變選擇。 • 舉例說明，去年IEEE.802.11的工作研討小組批准的一個建議書便特別指定使用正交分頻多工編碼方式，以便因應下一代無線網路之需求。 • 同時，正處於發展程序中的全球數位影像傳輸（DVB-T）標準中，也應用此技術使資料傳輸速率達到15 Mbps。 • 正交分頻多工技術近來已經應用在數位音訊廣播（DAB）系統、數位無線傳輸以及歐洲標準的數位視訊廣播（DVB）系統中，它可以有效地解決通訊傳輸中的頻率干擾及多重路徑衰弱等問題。 • 正交分頻多工技術可使通訊設備在靜態與動態多路干擾的情況下，仍保持穩定的性能，但是使用正交分頻多工技術進行雙向數據傳輸時，會出現早期寬頻通訊所發生的相位遲滯問題。

37. 4-3 正交分頻多工技術 (2) • 基於成本考量，思科（Cisco）系統公司的VOFDM（Vector OFDM）定向技術是藉由多個天線收發信號將之解調到基頻上，然後由數位信號處理器來解決多路衰落。但是使用多個天線就必須配備多套收發器，雖可行卻犧牲傳輸速度。 • 正交分頻多工技術可提供高達54Mbps的傳輸速度，系統結合許多速度較低的副載波（Sub-carrier），整合成一個於20 MHz寬頻中運作的高速頻道，進而擁有更高的資料傳輸速率。 • 每個20 MHz頻道會被切分成64個副載波（sub-carrier），在64個副載波中，會有52個被用來傳輸資料，另外12個則未承載資料、用來作為保護頻道（6組在左側，另6組在右側）； • 而用來傳輸資料的52組副載波中，有48組攜帶承載資料，另外4組作為導頻載波（Pilot Tone）以支援數據配（Modem Training）作業。

38. 4-3 正交分頻多工技術 (3)

39. 4-3 正交分頻多工技術 (4) • 正交分頻多工技術的優點 • 在窄頻寬下也能夠發出大量的訊號。正交分頻多工技術能同時分開至少1000個數位訊號，而且在干擾的訊號周圍可以安全運行的能力將直接威脅到目前市場上已經開始流行的CDMA技術，正是由於具有了這種特殊的訊號穿透能力，使得正交分頻多工技術深受歐洲電信廠商以及手機生產商的喜愛。 • 正交分頻多工技術能夠持續不斷地監控傳輸介質上通訊連線的突然變化，由於通訊路徑傳送資料的能力會隨時間發生變化，所以正交分頻多工技術能動態地適應，並且接通和切斷相應的載波以保證持續地完成整個通訊流程。 • 正交分頻多工技術可以自動地檢測到傳輸介質中哪一個特定的載波存在著高訊號衰減或是干擾脈衝，然後採取合適的調製措施讓指定頻率的載波能夠進行成功完成通訊工作。 • 正交分頻多工技術特別適合使用在高層建築物、居民密集、阻礙物較多的地方，以及將訊號散播的地區。高速的資料傳播及數位語音廣播都希望降低多徑效應對訊號傳輸的影響。

40. 4-3 正交分頻多工技術 (5) • 正交分頻多工技術能夠對抗頻率選擇性衰落或干擾。在單載波系統中，一個衰落或干擾能夠導致整個傳輸工作失敗，但是在多載波系統中，僅僅有很小一部分載波會受到干擾。 • 正交分頻多工技術可以有效地對抗訊號波形間的干擾，適用於多徑環境和衰落通道中的高速資料傳輸。當通道中因為多徑傳輸而出現頻率選擇性衰落時，只有落在頻帶凹陷處的子載波以及其攜帶的資訊受影響，其他的子載波未受損害。 • 通過各個子載波的聯合編碼，具有很強的抗衰落能力。正交分頻多工技術本身已經利用了通道的頻率分集，如果衰落不是特別嚴重，就沒有必要再加時域等化器。通過將各個通道聯合編碼，則可以使系統性能提高。 • 正交分頻多工技術抗干擾性很強，因為這些干擾僅僅影響到很小一部分的子通道。 • 正交分頻多工技術的通道利用率很高，這一點在頻譜資源有限的無線環境中尤為重要。

41. 4-3 正交分頻多工技術 (6) • 正交分頻多工技術的兩個缺點： • 對頻率偏移和相位雜訊很敏感。 • 峰值與均值功率比相對較大，這個比值的增大會降低射頻放大器的功率效率。在具體設備設計製造中，各廠商採取了不同的措施來抵消其影響。

42. 數位調變技術的分類 (Rappaport 2002)

43. 共用傳輸媒介的原理 • ALOHA • CSMA/CD • CSMA/CA

44. 無線存取(Wireless Access)技術簡介 • FDMA (Frequency Division Multiple Access) • TDMA (Time Division Multiple Access) • CDMA (Code Division Multiple Access) • WCDMA (Wideband CDMA)

45. 無線頻道的共用存取技術

46. WLAN的相關通訊技術

47. 考一考自己 • 試說明無線通訊系統中調變(modulation)的目的。 • 載波(carrier)具有適合在介質中傳播的特性，所以傳送的資料要調變隱含在載波中傳送。 • 請用自己的話說明數位調變與類比調變的主要差異。 • 數位與類比決定於所傳送的訊號的特性，數位調變以數位訊號來隱含數位與類比的資訊。

48. 考一考自己 • ( ) IEEE 802.3 Ethernet使用以下的那一種line coding的技術 ? 1 NRZ-L 2 NRZI 3 differential Manchester 4 Manchester。 • ( ) 「編碼解碼器」（CODEC, Coder-Decoder）的主要功能是將 1 類比資料轉換成數位訊號 2 數位資料轉換成類比訊號 3 類比資料轉換成類比訊號 4 數位資料轉換成數位訊號。 • ( ) 以下何者不算是一種deterministic access的通訊媒體存取控制技術 ? 1 CSMA 2 CDMA 3 FDMA 4 TDMA。 • ( ) 隱藏節點問題應該在那一個網路層次解決 ? 1 MAC layer 2 network layer 3 transport layer 4 session layer。