基本無線通訊原理

調變、媒介、多工

• 通訊是指以電子的方式將訊息由某一處傳送至另一處，或自另一處接收而加以處理的過程。

通訊系統─系統方塊圖 發射器

接收器

混波器/調變

低雜訊放大器

混波器、檢波器/解調變

放大器

功率放大器

傳感器/喇叭

• 發射系統 原始信號 轉換成電的信號 放大 調變 放大 發送

• 無線：發射 • 有線：傳送

接收系統 接收信號

天線 有線系統

放大 解調 放大 轉換為原始信號

無線電波發展簡史

●1864年英國人馬克斯威爾提出「空中有看不見的電波」理論。 ●1887年德國人赫茲用自製震盪器證明電波的存在，並發射出第一道無線電波。 ●1901年義大利人馬可尼利用赫茲發現的無線電波於通訊上，而發明越洋無線電報，成功地在英國和加拿大間進行通訊，亦因此項發明榮獲諾貝爾物理獎。

6

無線電的傳輸 • 無線電傳輸的原理在於藉由變動的電場及磁場交互感應而產生的電磁波，傳遞至遠端。

• 電磁波的傳遞無需介質，真空中也可以傳送。 • 在行動通訊系統中，無線電傳輸所扮演的功能便是手機與基地台之間的資訊傳遞。

• 無線電波的傳遞可能會暫時受障礙物的屏蔽，導致通訊品質不良。為了能在傳輸情況難以控制的大自然環境中，確保傳遞內容的正確性與有效性，許多相關技術被發展出來以解決問題。

無線電波傳播

電離層

超高頻

不同型態之無線電波傳播

8

地球

天波

空波

地波 對流層

(0 - 12 km)

平流層

(12 - 50 km)

中氣層

(50 - 80 km)

電離層

(80 - 720 km)

反射、繞射，以及散射

9

發送器 d

接收器

hb

hm

繞射信號

反射信號

直射信號

建築物

第3章 行動無線傳播 第 69 頁

散射信號

頻率與波長

電磁頻譜

電磁波長配置

波形

無線頻帶與其典型用途 頻率 分類

頻率 範圍

波長 範圍

傳播特性 代表性用途

特低頻（VLF）

3

｜

30

kHz

100,000

｜

10,000

公尺

1.電波沿地球表面行進，可達長距離通信 2.終年衰減小，可靠性高 3.利用電離層與地表面形成的導層傳至遠距離 4.地波與天波並存 5.使用垂直天線

1.極長距離點與點間之通信 2.航海及助航 3.感應式室內呼叫系統

低頻（LF）

30

｜

300

kHz

10,000

｜

1,000

公尺

1.長距離點與點間之通信

2.航海及助航

3.感應式室內呼叫系統

中頻（MF）

300 ｜ 3000 kHz

1,000 ｜ 100 公尺

1.電波於日間沿地球表面行進達較短距離

2.夜間若干電能靠E層反射達較長距離

3.天波、地波並存

4.日間及夏季衰減較夜間及冬季為大

5.使用垂直天線

1.中波廣播

2.航空及航海通信

3.無線電定位

4.固定行動業務

5.海洋浮標

6.業餘通信

高頻（HF）

3 ｜ 30 MHz

100 ｜ 10 公尺

1.電波利用電離層（特別是F層）反射（一次或多次反射）以達遠距離

2.傳播情況隨季節及每日時間變化頗大 3.利用天線指向性，可收小功率達長距離之通信效果 4.通達距離隨頻率及發射角之不同而異 5.太陽黑子數越多，電離層密度越大，位置較高，最高可用頻率（MUF）亦加高，通信距離越長，反之相反

6.地波距發射機不遠即消失 7.使用水平天線

1.長距離點與點間通信及廣播

2.業餘通信

3.無線電天文

4.標準頻時信號

5.航空行動

6.短波廣播

7.民用無線電

無線電基本常識 • 1.赫茲、千赫、兆赫

(1)赫茲(herts 縮寫為Hz)：是頻率的基本單位，電波一秒一個週期

(震動一次)。 (2)千赫(KHz)：一秒一千個週期(震動一千次)。 (3)兆赫(MHz)：一秒一百萬個週期(震動一百萬次)。 2.頻道和頻帶: (1)頻道(channel)：供某一頻率專用的電波通道，例:144.12MHz。 (2)頻帶(band)或稱波段，由多個(二個以上)相近的頻道組成。例

如：在無線電手機的使用上，VHF是指144MHZ-146MHz的所有頻

道。 (3)為避免電波相互干擾，每個頻道間距通常設為20KHz(無線電)。因此，在VHF頻帶中，共有100個頻道可供使用。(因為lM＝1000K，146MHz-144MHz=2Mhz=2000KHz，2000KHz÷20KHz=100)

無線射頻常用單位-dB

無線頻帶與其典型用途 頻率 分類

頻率 範圍

波長 範圍

傳播特性 代表性用途

特低頻（VLF）

3

｜

30

kHz

100,000

｜

10,000

公尺

1.電波沿地球表面行進，可達長距離通信 2.終年衰減小，可靠性高 3.利用電離層與地表面形成的導層傳至遠距離 4.地波與天波並存 5.使用垂直天線

1.極長距離點與點間之通信 2.航海及助航 3.感應式室內呼叫系統

低頻（LF）

30

｜

300

kHz

10,000

｜

1,000

公尺

1.長距離點與點間之通信

2.航海及助航

3.感應式室內呼叫系統

中頻（MF）

300 ｜ 3000 kHz

1,000 ｜ 100 公尺

1.電波於日間沿地球表面行進達較短距離

2.夜間若干電能靠E層反射達較長距離

3.天波、地波並存

4.日間及夏季衰減較夜間及冬季為大

5.使用垂直天線

1.中波廣播

2.航空及航海通信

3.無線電定位

4.固定行動業務

5.海洋浮標

6.業餘通信

高頻（HF）

3 ｜ 30 MHz

100 ｜ 10 公尺

1.電波利用電離層（特別是F層）反射（一次或多次反射）以達遠距離

2.傳播情況隨季節及每日時間變化頗大 3.利用天線指向性，可收小功率達長距離之通信效果 4.通達距離隨頻率及發射角之不同而異 5.太陽黑子數越多，電離層密度越大，位置較高，最高可用頻率（MUF）亦加高，通信距離越長，反之相反

6.地波距發射機不遠即消失 7.使用水平天線

1.長距離點與點間通信及廣播

2.業餘通信

3.無線電天文

4.標準頻時信號

5.航空行動

6.短波廣播

7.民用無線電

無線頻帶與其典型用途 頻率 分類

頻率 範圍

波長 範圍 傳播特性 代表性用途

特高頻（VHF）

30 ｜ 300 MHz

10 ｜ 1

公尺

1.穿越電離層，較不受其影響

2.以空間波作視距（Line of sight）通信

3.20－65MHz間利用E層散射達視距外通信

4.使用垂直及水平天線（水平天線較多）

5.接近直線傳輸

中距離通信、雷達、調頻廣播、電視、導航、業餘無線電叫人、各種陸地行動通信

超高頻（UHF）

300 ｜ 3000 MHz

100 ｜ 10 公分

1.視距通信

2.以空間波接近直線傳輸

3.1000MHz以上微波：

（1）使用定向反射面、反射網、喇叭型、拋物面反射式及平面天線等

（2）恆向地面彎曲進行

（3）使用線上保護、熱待接保護及分集式保護等鏈路保護方式

（4）方向性極高，波束極狹

（5）發射功率小

（6）如光波性質，遇阻礙即被吸取

（7）10GHz以上頻率愈高，受雨點、霧、雪、雹及空氣中氣體之吸收愈大

（8）利用對流層散射可達遠距離

短距離通信、中繼系統、電視、衛星氣象、天文、業餘無線電定位、助航太空研究、地球探測、公眾行動電話、有線電話無線主副機、計程車無線電話

極高頻（SHF） 至高頻（EHF）

3 ｜ 300 GHz

10 ｜ 0.1 公分

微波中繼、各種雷達、衛星通信、衛星廣播、無線電天文

無線信號傳輸衰減原因

• 距離損失(path loss) • 衰退效應(fading) • 陰影效應(shadowing) • 時間擴展效應(time dispersion) • 都普勒效應Doppler shift

電波在接收端之訊號強度隨著與發射端之相對距離增加或頻率增加而減弱

無線信號傳輸衰減原因-- 距離損失(path loss)

電磁波訊號能量的衰減，主要依傳導方向，隨著所需涵蓋的面積大小而改變

例如: 一個點電磁波源發射出W的能量，在離波源r1距離時，能量分佈在4πr1

2的面積上，故每一點的能量為W/ 4πr1

2 同理，在r2距離時，則每一點的能

量為W/ 4πr22

r1 r2

自由(無障礙)空間

無線信號傳輸衰減原因– 衰退效應(fading) • 由於訊號多重路徑傳輸至接收機，造成多個不同延遲時間(不同相位)的信號重疊，使得接收之訊號強度隨時間、地點、頻率等而變化

直接路徑

間接路徑

散射

無線信號傳輸衰減原因– 屏蔽效應(shadowing)

• 基地台天線與手機間電波之傳遞受障礙物阻隔，造成損耗增大的現象，亦稱為slow fading

• 屏蔽效應所造成的訊號強度變化近似Gaussian 分佈

無線信號傳輸衰減原因-時間擴展效應(time dispersion)

• 因多重路徑造成數位通訊中產生碼際干擾(Inter-symbol interference)現象

直接路徑

間接路徑

無線信號傳輸衰減原因- Doppler shift • moving receiver induces fading effects

(Doppler shift) for each ray path.

影響通訊的因素─系統外部 • 通訊系統外在雜訊

– 大氣層雜訊 • 雷電及大氣層電荷干擾 • 一般頻率在30MHz以下

– 外大空雜訊 • 太陽本身為高溫熱體會輻射不同頻率的能量 • 頻率在20MHz至120MHz

– 人為雜訊 • 汽機車點火系統，電動機，交換式設備，高壓電纜線，電弧放電的螢光燈

無線傳輸改善措施

• 通道編碼(Channel Coding)

• 分集技術(Diversity Technique) – 極化多樣化(Polarization Diversity)

– 頻率多樣化(跳頻)(Frequency Diversity)

– 空間多樣化(Space Diversity)

• 等化器(Equalizer)

訊號的種類 •類比訊號 類比信號是連續的波形，它利用傳輸的型態、頻率、與振幅，來描述所傳送的資料。

•類比信號隨著距離的增長，振幅受到環境的干擾失真。不適合長距離的傳輸。

•聲音、電視影片

數位訊號 數位信號是不連續的信號，以電的「開／關」或光的「明／滅」來表示資料為1或0

數位信號受到環境的干擾，造成的失真比類比訊號來得小

目前一些新興的通訊技術都採用數位信號，如整合服務數位網路(ISDN)、光纖網路等

為何需要調變? 透過SENSOR，我們將聲音轉換成電的訊號後(基頻信號)，因頻率太低信號難以輻射所以信號很難直接傳送至遠端(高頻信號較易輻射)，調變可以提高傳送距離與傳送效率，所以需要利用載波，將欲傳送的訊號放入載波內，而藉由載波電波傳送出去。接收端採用逆轉換方式，將波形還原成原始電訊號之方法則被稱之為解調變(demodulation)，簡稱解調。

• 當不同的訊號同時在同一通道中傳輸，調變是必須的。

• 對於無線傳輸而言，需要調變來減少波長，以降低天線所需長度。

調變與解調變

調變方式的分類

•調變方式 連續調變

調幅 調頻 調相 其他 類比 AM(SSB|DSB) FM PM SM 數位 ASK(OOK|QAM) FSK(MSK|GFSK) PSK(CPM)

脈衝調變 類比 PAM · PDM · PPM 數位 PCM · PWM

展頻

CSS · DSSS · THSS · FHSS

調變的方式─連續波調變

• 類比調變

– 振幅調變(Amplitude Modulation AM)

• 雙旁波帶(Double Side Band DSB)

• 單旁波帶(Single Side Band SSB)

– 角度調變(Angular Modulation)

• 相位調變(Phase Modulation PM)

• 頻率調變(Frequency Modulation FM)

振幅調變系統模型-調幅AM

• 下圖描述一個產生AM訊號的數學模型。

29

ka

m(t)

c(t)=Accos(2πfct)

+

+AM signal

振幅靈敏度

訊息訊號

載波

f1

f2

f1+ f2

調變的方式─調幅AM • 振幅調變(Amplitude Modulation AM)

Cs

cAMAM

cCc

sm

sC

sCs

VtfmtfVv

tfVvtfV

tfmVtmVv

))2cos(1()2cos(

)2cos()2cos(

)2cos()cos(

ππ

πππω

+======

AM調變的數學式

C

m

VVm =

信號的頻譜

解調變的方式─調幅AM • 振幅解調變(Amplitude demodulation)

解調，是把接收到的調變訊號，回覆到原始未經調變的訊號的一個程序。 振幅調變可以很容易的經由RC充放電電路被解調出來，稱為包跡檢測器，如下所示

充電 放電 充電

放電

雙邊帶載波抑制調變(DSB-SC) • 此調變方法類似AM調變，但是載波被抑制了，也因此稱

為“suppressed-carrier” • 另外因為此調變使用雙旁波帶(double sideband)進行傳輸，

因此稱之為double-sideband suppressed-carrier (DSB-SC)調變技術。中文稱之為雙邊帶載波抑制調變。

• DSB-SC的訊號可以表示為 ( ) ( )cos2c cs t A m t f tπ=

相位反轉的現象

不能用簡單的二極體電路解調技術

DSB-SC解調變

本地載波產生一個弦式波 ，與傳送端送來的載波具有相同頻率以及相位。此解調法需要精準的相位同步。因此稱為同步解調或是同調解調

cos2 cf tπ

調變程序以及解調程序都需要乘上 。

cos2 cf tπ

單邊帶調變Single Side-Band, SSB

SSB解調變 混波器

本地震盪器

低通濾波器

SSB種類 • 遏制載波單邊帶發射 ，SSB-SC：SSB-SC 是單邊帶調製

是最廣泛使用的用於在無線電頻譜的高頻部分的通信應用的形式。只有一個邊帶-的其他邊帶和載波都除去。但在接收器端仍需有載波藉以回復信號。

• 減載波單邊帶： SSB-RC這種形式的單邊帶調變過程中移除一個邊帶，但保留少量的載波。此少量的載波可以用來鎖定一個本地振盪器，載波遏制之程度足以使載波信號回復供解調使用之一種調幅單邊帶發射。

• 單邊帶全載波： SSB-FC這種形式單邊帶調變，通常在接收器部分不需要設置載波-它可以使用一個簡單的二極管檢測器進行解調。然而，它僅佔據一半的帶寬。功率效率非常差的。

單殘邊帶調變VSB-電視訊號調變方法 • To simplify sideband filter of SSB • To improve low-frequency response (can have DC response) • VSB filter : the skirt is symmetrical about cf

Low-passfilter

)2cos(2 tfcπ

)(ty

)( fY

fcfcf−Wfc −− Wfc +

振幅調變特性

• SSB僅需1/2DSB所需的頻寬

• 頻率使用效率好，多應用HF遠距離通訊

• SSB所發射的功率僅為DSB的1/2，為AM的1/3

• 選擇性衰弱(不同介質的衰減不同)影響較小

• SSB僅在調變時發射功率

• SSB與DSB均需同步的本地震盪器，電路較複雜

• 需同步的本地震盪器，私密性較高

角度調變(Angular Modulation)-FM & PM

頻率調變(Frequency Modulation FM): 載波信號的頻率f(t)隨著調變信號s(t)而呈線性變化

相位調變(Phase Modulation PM): 載波信號的角度θ(t)隨著調變信號s(t)呈線性變化

角度調變與振幅調變的比較 • 調變後的信號不再是固定頻率

• 角度調變載波包線是常數

• FM的雜訊消除能力較AM佳

• 傳送距離較遠

典型FM接收系統 鑑頻器(Discriminator)

鑑頻器即FM檢波器或FM解調器，一般常用鑑頻器的原理是將頻率變化信號轉換成振幅變化，即FM信號先轉成AM型態信號，再作AM信號檢波。

調變的方式─脈波調變 • 脈波調變

– 脈波參數調變

• 脈波振幅調變(Pulse Amplitude Modulation PAM)

• 脈波波寬調變(Pulse Width Modulation PWM)

• 脈波頻率調變(Pulse Frequency Modulation PFM)

• 脈波位置調變(Pulse Position Modulation PPM)

– 脈波編碼調變

• 脈波編碼調變(Pulse Code Modulation PCM)

• 差分脈波編碼調變(Differential Pulse Code Modulation DPCM)

脈波調變─脈波參數調變

脈波寬度調變

脈波調變─脈波編碼調變

經編碼後的數位訊號為：

101 110 010 100 101 010 100

時間

Q0

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Q6

Q7

101

110

111

011

100

010

001

000

取樣、量化與編碼

脈波調變─脈波編碼調變

脈波調變-ASK, FSK,

Amplitude shift keying:ASK

Frequency shift keying

Phase-shift keying

射頻系統方塊圖

巴倫與匹配

震盪晶體

天線

提升RF系統傳輸距離

增加輸出功率-外加PA

增加靈敏度-外加低雜訊放大器LNA

同時增加PA及LNA

使用高增益天線

外接射頻功率放大器

發射頻譜介紹

必須頻寬

不必要發射

混附發射

頻帶外發射 頻帶外發射

混附發射

數位傳輸的技術─多工系統 • 分時多工TDMA 分頻多工FDMA

Time

Freq. time slot 1 time slot 2 time slot 3 guard

time guard time

數位傳輸的技術─多工系統 • 分碼多工CDMA:

– 展頻技術:每個使用者擁有獨一無二的PN碼.

數位傳輸的技術─多工系統 • 跳頻技術

數位傳輸的技術─多工系統 • 空間多工 SDMA • 極化多工 PDMA

通訊媒介

• 雙絞線(Twisted-pair Cable)─電脈衝

• 同軸電纜(Coaxial Cable)─電脈衝

• 光纖(Fiber Optics)─光脈衝

• 微波系統

– 大氣層作媒介，以電磁波的形式將資料作傳送

• 通訊衛星

– 大氣層作媒介，以電磁波的形式將資料作傳送

通訊媒介─雙絞線

• 雙絞線

– 雙絞線常見於建築物的電話系統中。

– 支援資料傳輸速率到每秒一千萬個位元

• 有普遍用於乙太網路(Ethernet)的無護層雙絞線

• 以及專用於權杖環鈴(Token Ring)的護層雙絞線

通訊媒介─微波系統

• 微波系統

– 高頻的無線電訊號，以空氣作為傳輸媒介，經由陸地的微波塔台或通訊衛星將資料傳輸出去。

– 微波只能做直線傳輸，信號不能彎曲，所以傳送資料時，必須倚靠微波塔臺做點對點的廣播

– 塔臺的設置距離必須考慮地球表面曲度與建築物，一般在20至30哩之間。

– 需要架設塔臺，才可達到長距離的傳輸。

通訊媒介─同軸電纜

• 同軸電纜(Coaxial Cable)

– 同軸電纜因纜線內兩種導體共同一個中心軸而得名。它利用編織細密的銅網來保護中心的導體免受外部電流的干擾。

– 資料傳輸速率可達每秒一億位元。

• 海底電纜、地下電纜、或有線電視系統中，多使用同軸電纜。

• 區域網路中的乙太網路也選用為通訊媒介之一。

•

通訊媒介─光纖 • 光纖(Fiber Optics)

– 傳輸形式是光脈衝，藉由玻璃纖維來導引，免受外部電流的干擾

– 每一股玻璃纖維只能做 單工傳輸，所以纜線內有兩股纜線，以達到雙向的傳輸。

– 光纖的重量輕、體積小、資料錯誤率低、傳輸距離在同軸電纜的十倍以上，而傳輸速率每秒達數十億位元至數千億位元

– 光的傳輸介面昂貴，所以鋪設成本較高。

– 逐漸取代同軸電纜成為地下電纜或海底電纜的通訊媒介

– 區域網路(LAN)中，分散式光纖數據介面(FDDI,Fiber Distributed Data Interface)以光纖作為通訊媒介

通訊媒介─通訊衛星

• 通訊衛星

– 通訊衛星的造價很高，但是就以每秒十億位元的傳輸頻率來看，遠距離傳輸仍是最普遍與經濟的方法

– 通訊衛星安置在與地球同步的軌道上，距離地球表面約22,300哩的高度上。它可作為地面微波廣播站間的轉播站，並結合其他的通訊媒介來應用。

– 一個通訊衛星所能傳播的地域相當大；只要三個通訊衛星，就能涵蓋地球整個表面。

– 2GHz～40GHz之間 (1G=109)

通訊媒介─紅外線

• 紅外線

– 在無線光波通訊與控制中，以 LED發射之近紅外線 (880nm ～ 950nm) 最常用，因為它的電流反應率最高，且此種元件及材料製作成本低廉，技術相當成熟，紅外線也可以避免無線電波及聲波干擾，它的調變技術及光電介面容易製作。

– 由於數據準確率之要求日益提高，必須以調變方式來消除電路上或背景的雜訊，一般FSK、ASK、PSK等技術。

主要通訊媒介的特性

通訊的模式

• 通訊模式，是指同一時間內，所能提供的資料流向

– 單工傳輸

– 雙工傳輸

– 半雙工傳輸

通訊的模式─單工傳輸

• 單工傳輸(Simplex Transmission Mode)

– 在任何時刻，只能往一個預先設定的方向傳送資

– 收音機、電視機

– 單行道

通訊的模式─半雙工傳輸

• 半雙工傳輸(Half-duplex Transmission)

– 可以雙向資料傳輸，但同一時間內只能有一種方向

– 一般的無線電對講機─Walk Talky

– 調撥車道

通訊的模式─全雙工傳輸

• 全雙工傳輸(Full-duplex Transmission)

– 同時可做雙向資料傳輸

– 電腦通訊

– 雙向道，但同一時間內只能有一種方向

資料傳輸的方式

• 同步傳輸(Synchronous Transmission)

• 非同步傳輸(Asynchronous Transmission)

資料傳輸的方式─同步傳輸 • 同步傳輸

– 在一 系列字元的前後加入判別位元來告知收受者，保證每一系列字元能被完整無誤地送達。

– 判別位元包括了控制、錯誤偵測位元 – 控制位元與錯誤偵測位元出現的比例較非同步傳輸來得低，

所以資料傳輸率比較高 – 同步傳輸主要應用在大型電腦上高速的資料傳輸。

•

資料傳輸的方式─非同步傳輸 • 非同步傳輸

– 每一個字元的前後，加入判別位元告知收受者，保證每一個字元都能被完整無誤地送達

– 判別位元包括了控制、錯誤偵測位元 – 非同步傳輸應用於一般電腦資料傳輸，其資料傳輸率較同步

傳輸低。因為每個字元間都插入了與資料內容無關的控制位元與錯誤偵測位元。

•

射頻量測儀器

向量式網路分析儀

頻譜分析儀

訊號產生器

功率計

示波器

任意函數波形產生器

RF量測之環境-無反射室