基本通訊理論

Introduction to Communications

Watch Tower System

旗號

Comm. System Used by Alexander the Great

Mechanical Telegraph

Samophore of Chappe's Telegraph

Samophore Positions of Chappe's Telegraph

French Mechanical Telegraph

Mechanical Telegraph Used in Crimean War

Admiralty Shutter Telegraph

Admiralty Shutter Telegraph System in 1814

Watson's Telegraph

Electrical Telegraph

Electrical Telegraph Model

Charge of Electrical Telegraph in 1858

Morse Code and SOS

Electrical Telegraph Operators in 1892

Electrical Telegraph Operators in 1892

Can Phone

Antonio Meucci

Alexander Graham Bell

Telephone Network Components

Evolution of Phone Set

Telephone Pole

Telephone Pole

Telephone Pole

Switch Board

Evolution of Communication Technology

Transmission

Transmission Media

影響電子信號在導線中傳輸效率的因素

電阻

電磁干擾

寄生電容

傳輸媒介 - Twisted Pair Cable

雙絞線的線材等級

傳輸媒介 - Cable

傳輸媒介 - Fiber Optics

光纖優於電線的原因

傳輸線之傳輸特性

傳輸媒介 - Micro Wave

傳輸線之損耗

傳輸媒介 - Infrared, Laser

Comparison of Transmission Medias

電容電感及交流電路

寄生電容

Loading Coil

Signal

Sinusoidal Wave Signal

Voice Signal

Decibels (dB) and dBm

dBm Example

Gain and Attenuation

Signal-to-Noise Ratio

Noise, Interference, SNR

Bandwidth

電話系統品質的量度

Time Domain vs. Frequency Domain Voice Spectrum

What is Frequency Domain Spectrum?

Why use Frequency Domain Spectrum?

Fourier Series

Fourier Series - Explain

Fourier Series - Explain

Fourier Series - Square Pulse

Fourier Series - Square Wave

Fourier Series - Square Wave

諧波

Fourier Series - Square Wave

Fourier Series - Harmonic

Fourier Series - Harmonic

Fourier Series - Harmonic

Fourier Series - Harmonic

Fourier Series - Harmonic

Fourier Series - Harmonic

濾波器

訊號傳送

Signal Impairment

CrossTalk

Echo

Active Noice Cancellation

Echo

Echo Cancellation

訊號傳送技術

Noise

Effect of Noise

基頻與寬頻傳輸

數位，類比，基頻，寬頻

Amplitude and Frequency Modulation

Modulation (調變)

Modulation (調變)

Modulation (調變)

寬頻傳輸與長距離通訊

Eye Pattern

Acronyms 專有名詞對照表

Acronyms 專有名詞對照表

Acronyms 專有名詞對照表

Acronyms 專有名詞對照表

Acronyms 專有名詞對照表

頻寬

最大頻寬 - Shannon理論

Bandwidth Table

頻寬需求

（速度規格) 頻寬規格

頻寬與速度

頻寬與速度

頻寬與速度

大距離

小距離

多工 (Multiplexing)

多工 (Multiplexing)

Time Division Multiplexing

Time Division Multiplexing

Synchronous vs. Asynchronous

Spectrum

Spectrum Allocation - US

Spectrum Allocation - Singapo

電話聲音品質之量度

電話系統品質的量度

電話聲音之品質要求

使用者對 Delay 之容忍度

Voice Spectrum

Analog to Digital

Sampling Frequency

Sampling Frequency - Nyquist Theorem

Sampling of Telephone and CD

Quantization Error

PAM (Pulse Amplitude Modulation)

PCM (Pulse Code Modulation)

資料編碼技巧

Telecom Services

Network Management

Untitled Document
Introduction to Communications
What is communications?
 
Delivery of messages from sender to receiver

Communication Media

聲音 人聲，鼓聲，鑼聲，軍號
光 軍旗，旗語， 燈號， 烽火
電 電流， 無線電波
Examples of Communication Networks
烽火臺
驛站系統
Mechanical Telegraph
Electrical Telegraph
Telephone Network
Tue Jun 13 18:53:23 CST 2023 Untitled Document
Watch Tower System
Tue Jun 13 18:53:23 CST 2023 Untitled Document
旗號

Tue Jun 13 18:53:23 CST 2023 Untitled Document
Comm. System Used by Alexander the Great
Tue Jun 13 18:53:23 CST 2023 Untitled Document
Mechanical Telegraph
   
The first crude telegraph system was made without electricity. It was a system of semaphores, or tall poles with movable arms, and other signaling apparatus, set within physical sight of one another.
   
There was such a telegraph line between Dover and London at during the Battle of Waterloo; that related the news of the battle, which had come to Dover by ship, to an anxious London, when a fog set in (obscuring the line of sight) and the Londoners had to wait until a courier on horseback arrived.
Tue Jun 13 18:53:24 CST 2023 Untitled Document
Samophore of Chappe's Telegraph
Tue Jun 13 18:53:24 CST 2023 Untitled Document
Samophore Positions of Chappe's Telegraph
Tue Jun 13 18:53:24 CST 2023 Untitled Document
French Mechanical Telegraph
Tue Jun 13 18:53:24 CST 2023 Untitled Document
Mechanical Telegraph Used in Crimean War
Tue Jun 13 18:53:24 CST 2023 Untitled Document
Admiralty Shutter Telegraph
Tue Jun 13 18:53:24 CST 2023 Untitled Document
Admiralty Shutter Telegraph System in 1814
Tue Jun 13 18:53:24 CST 2023 Untitled Document
Watson's Telegraph
 
Watson's Samophore
 
Positions of Watson's Samaphore
Tue Jun 13 18:53:24 CST 2023 Untitled Document
Electrical Telegraph
Electrical Telegraph
   
The honor for this invention falls to Samuel Finley Breese Morse. Other inventors had discovered the principles of the telegraph, but Samuel Morse was the first to perceive the practical significance of those facts; and was the first to take steps to make a practical invention; which took him twelve long years of work.
 
Electrical Telegraph
Tue Jun 13 18:53:25 CST 2023 Untitled Document
Electrical Telegraph Model
Tue Jun 13 18:53:25 CST 2023 Untitled Document
Charge of Electrical Telegraph in 1858
Tue Jun 13 18:53:25 CST 2023 Untitled Document
Morse Code and SOS
International Morse Code
 
encode characters in dits and dashes
SOS
 
three dits, three dashes, the dits
Tue Jun 13 18:53:25 CST 2023 Untitled Document
Electrical Telegraph Operators in 1892
Tue Jun 13 18:53:25 CST 2023 Untitled Document
Electrical Telegraph Operators in 1892
Tue Jun 13 18:53:25 CST 2023 Untitled Document
Can Phone
Tue Jun 13 18:53:25 CST 2023 Untitled Document
Antonio Meucci
 
Real Telephone Inventor
   
A Theater stage technician born in Florence, Italy in 1808
   
File a patent caveat in 1871, but couldn't affort $10 annual renewal fee
  
On Sep. 25, 2001 the Unite State House of Representatives passed a resolution honoring him for his "work in the invention of the telephone," noting that. "Where as if Meucci had been able to pay the $10 fee to maintian the caveat after 1974, no patent could have been issued to Bell."
Tue Jun 13 18:53:25 CST 2023 Untitled Document
Alexander Graham Bell
Alexander Graham Bell
 
(3 March 1847 – 2 August 1922)
   
Own the first telephone patent
   
was an eminent scientist, inventor and innovator who is credited with the invention of the telephone.
Tue Jun 13 18:53:25 CST 2023 Untitled Document
Telephone Network Components
Terminal (Customer-Premises Equipment, CPE)
 
telephones, DSL modems, cable modems, set-top boxes, etc.
Transmission
 
將信號在 media 上傳送的又快又好
Switch
 
將通話各方terminal 連接起來
Tue Jun 13 18:53:26 CST 2023 Untitled Document
Evolution of Phone Set
 
Regular Telephone Set
 
Antique Telephone Set
 
Rotary Telephone Set
 
Telephone Set Internal
 
Cordless Telephone Set
 
Cordless Telephone Internal
 
Headset
 
Cellular Phone
 
Cellular Phone Internal
 
Bluetooth Headset
 
New Cellphone Design
Tue Jun 13 18:53:26 CST 2023 Untitled Document
Telephone Pole
Tue Jun 13 18:53:26 CST 2023 Untitled Document
Telephone Pole
Tue Jun 13 18:53:26 CST 2023 Untitled Document
Telephone Pole
 
Broadway and John Street, New York, 1890
Tue Jun 13 18:53:26 CST 2023 Untitled Document
Switch Board
Switch Board, London, 1926
Tue Jun 13 18:53:26 CST 2023 Untitled Document
Evolution of Communication Technology
Tue Jun 13 18:53:26 CST 2023 Untitled Document
Transmission 
Transmission
 
個人使用的 Media Player (MP3 Player) 的耳機線有多長?
   
< 100 cm
 
如果耳機線有數公里長，聲音的品質能保持嗎?
 
一對電話之間的距離，通常有數公里之遙，尚能保持清晰的通話品質， How to do it?
Tue Jun 13 18:53:26 CST 2023 Untitled Document
Transmission Media 
Transmission Media
 
Transmission Media 最常被關注的規格為 「頻寬」
   
超過某一Media之頻寬上限的信號在該媒體上傳輸， 接收端將得到品質低下的信號。
   
不能傳送超過頻寬上限的信號
   
信號的衰減隨著信號頻率的提高而增加
Tue Jun 13 18:53:26 CST 2023 Untitled Document
影響電子信號在導線中傳輸效率的因素
影響因素 效果
電阻 使信號強度（或信號能量)衰減
外界電磁干擾 產生噪音
寄生電容 使信號漏失(信號的漏失隨著信號頻率之增加而增加)
Tue Jun 13 18:53:27 CST 2023 Untitled Document
電阻
導電金屬 銀 > 銅 > 鋁 > Others
 
電阻與導線之長度成正比
 
電阻與導線之截面積成反比
   
導線越粗電阻越小
Tue Jun 13 18:53:27 CST 2023 Untitled Document
電磁干擾
 
外界電磁場的變化會在導線中產生干擾信號 -> 變成噪音
   
例如，喇叭線靠近大功率電源線時，可能會產生 60Hz 哼聲
   
飛機或汽車引擎火花會在低品質電視機產生雪花
   
行動電話手機來電時，電腦喇叭會傳出雜音
 
傳送信號的導線可用隔離線降低電磁干擾
 
電子設備均需通過電磁干擾測試不能發出過量電磁波才能發售。
Tue Jun 13 18:53:27 CST 2023 Untitled Document
寄生電容
電容器原理
寄生電容
Tue Jun 13 18:53:27 CST 2023 Untitled Document
傳輸媒介 - Twisted Pair Cable
雙絞線
   
雙絞線包含有二條絞在一起、互相絕緣的導線， 對絞的主要目的是 降低寄生電容 and EMI
   
雙絞線易受電磁波的干擾
   
以目前的技術，在100 公尺以內的雙絞線，可以達到10~100 Mbps 的傳輸速率
   
使用雙絞線的例子：Ethernet 10BaseT
  
雙絞線也可以使用在如 FDDI 的高速網路上，如：TPFDDI， 使用 UTP level 5 的雙絞線
Tue Jun 13 18:53:27 CST 2023 Untitled Document
雙絞線的線材等級
等級 傳輸速率 常見用途
Category 1 2 Mbps 語音通 訊
Category 2 4 Mbps 語音通訊、4Mbps記號環(Token Ring)網
Category 3 16 Mbps 10BaseT、16Mbps記號環網
Category 4 20Mbps 100BaseT4、16Mbps記號環網
Category 5 100 Mbps 100BaseTX
Category 5e 1000 Mbps 1000BaseT
Category 6 2400 Mbps 1000BaseT
Tue Jun 13 18:53:27 CST 2023 Untitled Document
傳輸媒介 - Cable
同軸電纜
   
同軸電纜包含內外兩層導體，中間則為絕緣的材料，
   
中間信號線直徑之粗細決定電阻大小
   
地線做成金屬網，可屏蔽電磁干擾
   
信號線與地線之間的隔離材質可降低寄生電容
 
區域網路使用的同軸電纜主要有兩種規格：
75 歐姆
  • 用來傳送 baseband 數位訊號，
  • 速率大約為 10Mbps，
  • 傳輸的範圍大約為數公里,
  • 可接100部以上電腦
50 歐姆
  • 用來傳送 broadband 類比訊號(與CATV同)，
  • 頻寬約為 300~400MHZ，
  • 平均每個頻道頻寬：6MHZ/channel，
  • 平均每個頻道傳輸速率：20Mbps/channel，
  • 傳輸的範圍大約為數公里，
  • 可接1000部以上電腦
Tue Jun 13 18:53:27 CST 2023 Untitled Document
傳輸媒介 - Fiber Optics
光纖
   
基本結構包含一條光纖以及絕緣保護等材料
   
常見的光源有兩種
發光二極體 (LED)   雷射二極體(Laser)
   
接收器將接收到的光波轉換成類比或數位訊號。 光纖的中心為一玻璃柱(core)，外層則外包玻璃層(折射率大 於core) 適於長距離、高速率(100 公里以上, 500 Mbps 以上) 的資料傳輸
 
光纖傳遞的是光訊號，因此沒有電磁波干擾的問題
 
訊號衰減率非常低
 
光纖的類型有單模光纖及多模光纖。
單模光纖 (Single Mode Fiber, SMF) 軸芯直徑較細，約 5 ~ 10 微米，適合長距離傳輸， 價格昂貴，散射率小，傳輸效能極佳。
多模式光纖 (Multi Mode Fiber, MMF) 軸芯直 徑 約 50 ~ 100 微米，適合短距離傳輸，價格較低，傳輸效率略差於單 模式光纖。
Tue Jun 13 18:53:27 CST 2023 Untitled Document
光纖優於電線的原因
優點
 
沒有電阻 - 直徑可大幅縮小
 
不受電磁干擾 - 低噪音
 
沒有寄生電容 - 可以大幅提高頻寬
缺點
 
不能纏繞
 
斷點接續困難，維修費用昂貴
Tue Jun 13 18:53:28 CST 2023 Untitled Document
傳輸線之傳輸特性
  雙絞線 Base Band
Coaxial Cable 		Broad Band
Coaxial Cable 		光纖
頻寬 1~1000M 10~100M 300~750M 20G以上
安全性 較低 中等 高於基頻帶 相當高
雜訊隔絕能力 非屏蔽式~低
屏蔽式~較佳 		高頻~高
低頻~低 		較基頻帶佳 相當高
維護與重新安排 容易 容易 中等至困難 困難
籌設難易度 易 易 中等至困難 困難
Tue Jun 13 18:53:28 CST 2023 Untitled Document
傳輸媒介 - Micro Wave
微波（Microwave）
   
使用無線電廣播更高的頻率來通訊。
   
頻率範圍在 1GHz∼40GHz 之間。
   
直線傳播，具有直接視線(line-of-sight)的特性，即傳送與接收 端之間不能存有障礙物體阻隔，才能收到良好訊號。
   
通常長途電話會使用微波並利用衛星來轉接。
   
微波常用於不適合鋪設電纜的情況，如：人煙稀少地區的電話服務， 或都市裏兩點之間的視訊、數據通信。
   
微波傳輸的衰減必須考慮所使用的傳輸頻帶、距離、氣候(下雨)、等 因
Tue Jun 13 18:53:28 CST 2023 Untitled Document
傳輸線之損耗
  Frequency Loss, dB/km
Open-wire pair (0.3 cm diameter) 1 KHz 0.05
Twisted-wire pair (16 gauge) 10 KHz
100 KHz
300 KHz 		2
3
6
Coaxial cable (1 cm diameter) 100 KHz
1 MHz
3 MHz 		1
2
4
Coaxial cable (15 cm diameter) 100 MHz 1.5
Rectangular waveguide (5×2.5cm) 10 GHz 5
Helical waveguide (5 cm diameter) 100 GHz 1.5
Fiber-optic cable 4 x 10^5 GHz 1
Tue Jun 13 18:53:28 CST 2023 Untitled Document
傳輸媒介 - Infrared, Laser
紅外線（Infrared）
   
遙控器即是使用紅外線來傳資料。目前印表機及手提電腦均有 內建紅外線通訊介面。
雷射（Laser）
   
除了光纖上傳送外，也可在空中傳送。通常利用固定在高處的 傳送／接收設備來進行通訊。
Tue Jun 13 18:53:28 CST 2023 Untitled Document
Comparison of Transmission Medias
媒介選擇
網路架構：broadcast vs. point-to-point
資料傳輸量
可靠度
鋪設環境
各媒介比較
Tue Jun 13 18:53:28 CST 2023 Untitled Document
電容電感及交流電路

電容

RC 電路

電感

RL 電路

直流電路與交流電路

RLC 電路

Tue Jun 13 18:53:28 CST 2023 Untitled Document
寄生電容
 
傳輸線上的寄生電容使得信號的傳輸大受影響
   
距離越遠，loss 越嚴重
   
頻率越高，loss 越嚴重
Tue Jun 13 18:53:28 CST 2023 Untitled Document
Loading Coil
 
改善 3 KHz 以下的頻率響應
   
unloaded line 的頻率響是 frequency dependent
   
loaded line (加上 inductor) 在 3 KHz 以下的頻率響是 frequency independent
Tue Jun 13 18:53:28 CST 2023 Untitled Document
Signal 
Signal
 
人類說話的聲音是空氣的震動，經過麥克風擷取後， 會成為具有強弱幅度變化的電壓信號(Signal)， 此訊號是一種連續的類比信號
Tue Jun 13 18:53:29 CST 2023 Untitled Document
Sinusoidal Wave Signal
Tue Jun 13 18:53:29 CST 2023 Untitled Document
Voice Signal

Tue Jun 13 18:53:29 CST 2023 Untitled Document
Decibels (dB) and dBm
 
Power ratio in decibels (dB) 

10 log  10   (P  out  /P  in  )
 
Example:
Input power 100W and output power 1W
power ratio is -20dB
 
Power in dB (reference to 1 Watt) 
Y dB = 10 log  10   (X Watt)
 
Power in dBm (reference to 1 mWatt) 
Y dBm = 10 log  10   (X mWatts)
 
Example: 
0 dB = 30 dBm = 1 Watt
Summary
 
P (dBW) = 10 log (P/1 Watt)
 
P (dBm) = 10 log (P/1 mWatt)
Tue Jun 13 18:53:29 CST 2023 Untitled Document
dBm Example
Specification of a WLAN AP
Wireless Transmit Power 20dBm(MAX)
Receiver Sensitivity
  • 270M: -65dBm@10% PER
  • 135M: -65dBm@10% PER
  • 54M: -68dBm@10% PER
  • 11M: -85dBm@8% PER
  • 6M: -88dBm@10% PER
  • 1M: -90dBm@8% PER
Tue Jun 13 18:53:29 CST 2023 Untitled Document
Gain and Attenuation
10 Log 10 (output power/input power)
Gain(dB) Pout(dB)-Pin(dB)
Gain(dB) Pout(dBm)-Pin(dBm)
 
Example:
Input power is 2dBm, system gain is 5dB
What's the output power? Ans: 7dBm
Gain outpur Power > input Power
Attenuation outpur Power < input Power
Tue Jun 13 18:53:29 CST 2023 Untitled Document
Signal-to-Noise Ratio
S/N
 
SNR= signal power(Watt)/noise power(Watt)
   
Signal-to-Noise power ratio
   
Relate to the performance of communications systems
   
Bit-error probability
   
Shannon capacity
SNR in dB
 
S/N(dB)= 10 log 10 (S/N power ratio)
 
10 log 10 (signal power(Watt)/noise power(Watt))
Tue Jun 13 18:53:29 CST 2023 Untitled Document
Noise, Interference, SNR
SNR (signal power)/(noise power)
 
Noise: thermal noise
SIR (Signal-to-Interference)
 
(signal power)/(interference power)
   
Sometimes known as C/I (carrier-to-interference ratio)
   
Interference: signals from other simultaneous communications
SINR ( Signal-to-Interference-Plus-Noise ratio)
 
(signal power)/(interference power+noise power)
Tue Jun 13 18:53:29 CST 2023 Untitled Document
Bandwidth
 
B=f upper - f lower
 
Carrier frequency: fc
 
Example: 802.11 2.4GHz ISM band (channel 1)
f upper 2434 KHz
f lower 2412 KHz
fc 2423 KHz
B 22KHz
Tue Jun 13 18:53:30 CST 2023 Untitled Document
電話系統品質的量度
 
Listening Quality
 
Conversational Quality
   
Mouth-to-Ear Delay : 300-400 ms
 
Transmission Quality
MOS (Mean Opinion Score)
MOS指標 使用者滿意度
5 很好 (Excellent)
4 好 (Good)
3 普通 (Fair)
2 差 (Poor)
1 極差 (Bad)
E-Model
電話聲音之品質之量度 (MOS)
Mean Opinion Score (MOS)
MOS Index User Satisfaction
5 Excellent
4 Good
3 Fair
2 Poor
1 Bad
Typical Representation of Call Quality Level
User Opinion MOS (ITU Scaled)
Very satisfied 4.3-5.0
Satisfied 4.0-4.3
Some User Satisfied 3.6-4.0
Many User Dissatisfied 3.1-3.6
Nearly All User Dissatisfied 2.6-3.1
Not Recommended 1.0-2.6
Tue Jun 13 18:53:38 CST 2023 Untitled Document
Time Domain vs. Frequency Domain Voice Spectrum
How to Analyze Signal?
 
分析 訊號 的重要參數 - 頻率
Time Domain Frequency Domain
Why use Frequency Domain Spectrum?
How to obtain Frequency Domain Spectrum?
時域信號的照妖鏡-傅立葉轉換 Tue Jun 13 18:53:30 CST 2023 Untitled Document
What is Frequency Domain Spectrum?
 
數學上常常使用 transform （轉換）的動作，將一個函數轉換成另一個函數以達到某 種方便性。

轉換 好處
對數 可將乘法變成加法
Taylor Series 可將很多函數變成多項式，便於人工計算
Fourier Transform 可將一個信號分解成 sinusoidal 成分的函數
Taylor Series (Wiki)
 
the Taylor series is a representation of a function as an infinite sum of terms calculated from the values of its derivatives at a single point.
 
Taylor Series definition in Wikipedia
Fourier Series (Wiki)
 
The series decomposes a periodic function into a sum of simple functions, which may be sines and cosines or may be complex exponentials. Introduced by Joseph Fourier (1768–1830) for the purpose of solving the heat equation in a metal plate,
 
Fourier Series definition in Wikipedia
Tue Jun 13 18:53:30 CST 2023 Untitled Document
Why use Frequency Domain Spectrum?
 
人耳對頻率敏感 （對於不同頻率的聲音有不同感受)
 
既有的語音知識都使用頻率作為分析工具
   
樂譜，樂器，合唱，高音，低音， etc.
 
容易使用電子電路處理頻率
   
固定頻率信號生成，濾波器，信號合成
   
二階微分方程式的解為 sinusoidal function
   
利用電阻、電感、電容三個元件即可構成二階微分電路 （亦即:其解必須符合此電路所代表的微分方程式)
Tue Jun 13 18:53:30 CST 2023 Untitled Document
Fourier Series
 
If a function , defined over an interval , is extended as a periodic function so that then may be expressed in terms of a Fourier series as

Tue Jun 13 18:53:30 CST 2023 Untitled Document
Fourier Series - Explain


Tue Jun 13 18:53:30 CST 2023 Untitled Document
Fourier Series - Explain


Tue Jun 13 18:53:30 CST 2023 Untitled Document
Fourier Series - Square Pulse
Tue Jun 13 18:53:30 CST 2023 Untitled Document
Fourier Series - Square Wave
Tue Jun 13 18:53:31 CST 2023 Untitled Document
Fourier Series - Square Wave
Tue Jun 13 18:53:31 CST 2023 Untitled Document
諧波
基頻
 
Fourial Series 中的 f
諧波
 
Fourial Series 中的 2f, 3f, 4f,..., etc.
Tue Jun 13 18:53:31 CST 2023 Untitled Document
Fourier Series - Square Wave
 
方形波的frequency domian 信號之頻率範圍相當寬廣，含有很多 高頻成分，不利於長距離高速傳輸
Tue Jun 13 18:53:31 CST 2023 Untitled Document
Fourier Series - Harmonic
 
為何不同樂器所發出的同音階聲音聽起來不同?
Tue Jun 13 18:53:31 CST 2023 Untitled Document
Fourier Series - Harmonic
 
為何不同樂器所發出的同音階聲音聽起來不同?
   
各樂器有各自的「音色」
   
各樂器所發出的聲音，除了基頻之外，還含有許多倍頻「諧波」，共同組成 各樂器的音色
Tue Jun 13 18:53:31 CST 2023 Untitled Document
Fourier Series - Harmonic
 
為何樂器所發出的聲音含有許多諧波?
 
樂器所發出的聲音除了基頻之倍頻諧波之外，有沒有其他頻率的聲音?
 
電子樂器所發出的樂音，有何特色?
   
如何分辨電子樂器與天然樂器所發出聲音之不同?
Tue Jun 13 18:53:31 CST 2023 Untitled Document
Fourier Series - Harmonic
 
為何樂器所發出的聲音含有許多諧波?
物理解釋
數學解釋
   
樂器的發聲機構（例如琴弦) 可以model 成二階微分方程式
   
二階微分方程式的解必為 sinusoidal function
   
基頻之所有倍頻 sinusoidal function 都是該方程式的解
Tue Jun 13 18:53:31 CST 2023 Untitled Document
Fourier Series - Harmonic
 
樂器所發出的聲音除了基頻之倍頻諧波之外，有沒有其他頻率的聲音?
   
理想的樂器，應該沒有其他頻率的聲音
   
但理想的樂器不存在，應該有其他頻率的聲音
Tue Jun 13 18:53:31 CST 2023 Untitled Document
Fourier Series - Harmonic
   
如何分辨電子樂器與天然樂器所發出聲音之不同?
 
電子樂器能利用許多具倍頻關係 sinusoidal wave 合成樂音
   
但因限於成本，無法納入所有倍頻，且無其他非倍頻的聲音， 因此，聽起來比天然樂音「純」
Tue Jun 13 18:53:32 CST 2023 Untitled Document
濾波器
High Pass Filter (HPF)
Low Pass Filter (LPF)
Band Pass Filter (BPF)
Band Stop Filter (BSF)
Tue Jun 13 18:53:32 CST 2023 Untitled Document
訊號傳送 
Transmission of Signal
 
目標是要將信號在 media 上傳送的又快又好
Tue Jun 13 18:53:32 CST 2023 Untitled Document
Signal Impairment
 
Signal Attenuation
 
Interference
   
CrossTalk
 
Noise
 
Distortion
 
Echo and Echo Avalanche
Tue Jun 13 18:53:32 CST 2023 Untitled Document
CrossTalk
Tue Jun 13 18:53:32 CST 2023 Untitled Document
Echo
 
為何浴室內唱歌比較好聽?
 
露天音樂廳舞台背後的回音壁之作用為何?
 
在何種情況下，回音變成惱人的聲音?
Tue Jun 13 18:53:32 CST 2023 Untitled Document
Active Noice Cancellation
 
Procedure
   
Use Mic to pick up noise
   
Reverse noise
   
send the reversed signal to the ear
 
Ear hear two identical but reversed voice streams that cancel each other
Tue Jun 13 18:53:32 CST 2023 Untitled Document
Echo
 
Echo is caused by the signal reflections of the speaker's voice from the far end telephone equipment back into the speaker's ear.
 
Echo becomes a significant problem when the round-trip delay becomes greater than 50 milliseconds.
   
Need to control echo and implement some means of echo cancellation
Tue Jun 13 18:53:32 CST 2023 Untitled Document
Echo Cancellation

Tue Jun 13 18:53:33 CST 2023 Untitled Document
訊號傳送技術
類比或數位
類比(Analog)
受雜訊影響較大，用放大器增加傳訊距離，但雜訊隨著放大器而增大， 不適合長途通訊
數位(Digital)
受雜訊影響較小，用 Repeater 增加傳訊距離，雜訊可過濾，適合長途通訊
多工 (Multiplexing) 當兩台以上的電腦在同一時間利用同一傳輸媒體傳送資料時，可以利用 多工（Multiplexing）技術來達成
雙工(Duplex)與
單工(Simplex)
全雙工(full duplex)
允許通訊的兩端在傳輸媒體上同時雙向傳送資料
半雙工(half duplex)
允許通訊的兩端雙方向的傳輸資料，但不可同時傳輸資料
單工 (simplex)
只允許單方向地傳輸資料
頻寬 (bandwidth) 通訊通道可承載的資訊量
基頻與寬頻傳輸
基頻傳輸 (Baseband)
將訊號以原來形式傳送(e.g. 1 高電位 0 低電位)
寬頻傳輸 (Broadband)
訊號經過調變（AM, FM, PM 等)後再傳送
同步與非同步傳輸 非同步傳輸是指送端與收端在傳送資料前不必事先溝通
技術上而言，非同步傳輸是指送端與收端間不需要針對每一傳送的位 元進行同步溝通（就是不會將彼此的脈衝(clock)調成完全同步）。
Tue Jun 13 18:53:33 CST 2023 Untitled Document
Noise
Tue Jun 13 18:53:33 CST 2023 Untitled Document
Effect of Noise
Tue Jun 13 18:53:33 CST 2023 Untitled Document
基頻與寬頻傳輸
基頻傳輸 (Baseband Transmission)
 
將訊號以原來形式傳送
   
(e.g. 1 高電位 0 低電位)
常見之媒介 50 歐姆同軸電纜, 最長可 達500公尺, 可用repeater 增長
寬頻傳輸 (Broadband Transmission)
 
訊號經過調變（AM, FM, PM 等)後再傳送

   
訊號收到後須解調
   
可支援 FDM 頻率劃分多工處理：
   
e.g. 75歐姆同軸電纜可有 300 ~ 400MHZ頻寬，可將此頻寬再切割成許多頻道
Tue Jun 13 18:53:33 CST 2023 Untitled Document
數位，類比，基頻，寬頻
  Baseband Broadband
類比 傳統電話 廣播電台
數位 Ethernet ADSL, Cable Modem

數據機 (Modem)
 
數據機（modem）包含了調變（數位轉成類比）及解調變（類比轉成數位）之功能。
Tue Jun 13 18:53:33 CST 2023 Untitled Document
Amplitude and Frequency Modulation

Tue Jun 13 18:53:33 CST 2023 Untitled Document
Modulation (調變)
Tue Jun 13 18:53:33 CST 2023 Untitled Document
Modulation (調變)
Tue Jun 13 18:53:33 CST 2023 Untitled Document
Modulation (調變)
 
AM, FM, PM 何者較易實作? 何者較難 ?
 
AM, FM, PM 何者較有效率?
Tue Jun 13 18:53:34 CST 2023 Untitled Document
寬頻傳輸與長距離通訊
   
方形波訊號因含有需多高頻信號，在傳輸媒體上傳送一段距離後，會因寄生電容 造成嚴重的訊號衰減。
   
而寬頻傳輸是將原始信號調制於正弦波上，少了許多高頻信號， 衰減情形較不嚴重，所以長距離通訊常以寬頻傳輸方式進行。
Tue Jun 13 18:53:34 CST 2023 Untitled Document
Eye Pattern
Input Signal Output Signal
Acture Output Signal Eye Analysis
Tue Jun 13 18:53:34 CST 2023 Untitled Document
Acronyms 專有名詞對照表
ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line 非對稱式數位用戶線路
ATM Asynchronous Transfer Mode 非同步傳輸模式
B-ISDN Broadband Integrated Service Digital Network 寬頻整合服務數位網路
CATV Cable Television 有線電視
CCS7 Common Channel Signaling System Number 7 七號共通道信號
CDMA Code Division Multiple Access 劃碼多工接取
CM Cable Modem 纜線數據機
CO Central Office 市話中心局
CODEC Coder/Decoder 編碼/解碼器
CPE Customer Premises Equipment 用戶端設備
DNS Domain Name Service 網域名稱服務
DQPSK Differential Quaternary Phase Shift Keying 差動四相位移鍵
DSL Digital Subscriber Line 數位式用戶線路
DWDM Dense Wavelength Division Multiplexer 高密度波長多工器
FDMA Frequency Division Multiple Access 劃頻多工接取
FN Fiber Node 光纖投落點
FR Frame Relay 訊框傳送
FTTB Fiber To The Building 光纖到大樓
FTTC Fiber To The Curb 光纖到社區
FTTH Fiber To The Home 光纖到家
FTTx (x = B,C) Fiber To-The-x 光纖到 x
Tue Jun 13 18:53:34 CST 2023 Untitled Document
Acronyms 專有名詞對照表
GPS Global Position Satellite 全球衛星定位系統
GSM Global System for Mobile Communication 全球行動通訊系統
HDLC High-level Data Link Control 高階數據鏈路控制
HDSL High-bit-rate Digital Subscriber Line 高速數位用戶線路
HFC Hybrid Fiber Coaxial 混合光纖同軸網路
HTTP Hyper Text Transfer Protocol 超媒體傳輸協定
IEEE Institute of Electronic Engineers 電機電子工程學會
IETF Internet Engineering Task Force 網際網路工程任務編組
IN Intelligent Network 智慧型網路
IP Internet Protocol 網際網路協定
I-Phone Internet Phone 網際網路電話
ISDN Integrated Service Digital Network 整合服務數位網路
ISO International Organization For Standardization 國際標準組織
ISP Internet Service Provider 網際網路服務提供者
ITU-T International Telecommunication Union – Telecommunication 國際電訊聯盟電訊小組
LMDS Local Multi-point Distributed Service 區域多點分散式服務
LNP Local Number Portability 號碼可攜性
MAC Media Access Control 媒體存取控制
MPEG Motion Picture Expert Group 動畫專家組織
MPLS Multi-Protocol Label Switching 多重協定標籤交換技術
MUX Multiplexer 多工器
Tue Jun 13 18:53:34 CST 2023 Untitled Document
Acronyms 專有名詞對照表
OMAP Operation & Maintenance Administration Part 營運管理部
OSS Operation Support System 營運支援系統
PBX Private Branch Exchange 用戶專用交換機
PCM Pulse Code Modulation 博碼調變
PIN Personal Identification Number 個人識別號碼
PN Personal Number 個人隨身碼
POI Point Of Interconnection 介接點
PoP Point of Presence 接續點
POTS Plain Old Telephone Service 傳統電話服務
PPP Point-to-Point Protocol 點對點傳輸協定
PRI Primary Rate Interface 主要傳輸速率介面
PSTN Public Switched Telephone Network 公眾電話網路
PVC Permanent Virtual Circuit 永久虛擬電路
PVP Permanent Virtual Path 永久虛擬路徑
QAM Quadrature Amplitude Modulation 正交調幅
QoS Quality of Service 服務品質
QPSK Quaternary Phase Shift Keying 四相位移鍵
Tue Jun 13 18:53:34 CST 2023 Untitled Document
Acronyms 專有名詞對照表
RF Radio Frequency 射頻
RFC Request For Comments 建議需求書
RSA Rivest, Salam, Adleman RSA安全協定
RSA Radio Section Adaptation 無線訊號區段調適器
RSVP Resource reSerVation Protocol 資源保留協定
RTCP RTP Control Protocol RTP控制協定
RTP Real Time Control Protocol 即時協定
SCE Service Creative Environment 服務創作環境
SCP Service Control Point 服務控制點
SDH Synchronous Digital Hierarchy 同步數位階層
SET Secure Electronics Transaction 安全電子交易標準
SIB Service Independent Building Block 服務建立方塊
SNMP Simple Network Management Protocol 簡單網管協定
SOHO Small Office Home Office 小型或家庭辦公室
SONET Synchronous Optic NETwork 同步光纖網路
SSP Service Switching Point 服務交換點
SS7 Signaling System Number 7 七號共通道信號
STB Set Top Box 選台器
STM Synchronous Transport Mode 同步傳輸模式
STP Signal Transfer Point 信號轉換點
SVC Switched Virtual Circuit 交換式虛擬電路
Tue Jun 13 18:53:34 CST 2023 Untitled Document
Acronyms 專有名詞對照表
TA Terminal Adaptor 終端配接器
TCAP Transaction Control Application Part 交易控制應用部分
TCP Transmission Control Protocol 傳輸控制協定
TDM Time Division Multiplex 劃時多工
TDMA Time Division Multiple Access 劃時多工接取
UDP User Datagram Protocol 使用者資料包協定
UHF Ultra-High Frequency 超高頻
VHF Very High Frequency 非常高頻
VOD Video On Demand 隨選視訊
VoIP Voice-over-IP IP網路電話
VPC Virtual Path Connection 虛擬路徑連結
VPN Virtual Private Network 虛擬企業網路
WLL Wireless Local Loop 無線區域迴路
Tue Jun 13 18:53:34 CST 2023 Untitled Document
頻寬
類比系統
  • Hz 每秒可傳送之 sin wave
數位系統
  • bps: 每秒可傳送之位元數
  • baud: 每秒可改變訊號之次數
Tue Jun 13 18:53:35 CST 2023 Untitled Document
最大頻寬 - Shannon理論
Media 可以承載的最大頻寬
 
Nyquist理論 (沒有雜訊)
   
D bps = 2 B log 2 K
 
Shannon理論 (考慮雜訊)
   
maximum number of bits/sec C = B log 2 (1 + S/N)
C capacity (bps) rate at which data can be communicated
B bandwidth (Hz) the bandwidth of the transmitted signal as constrained by the transmitter and the nature of the transmission medium
S/N Linear Signal-to-Noise Ratio
Evaluation of communication scheme performance
 
How close to Shannon bound?
 
Spectral efficiency (bit/s/Hz)
Tue Jun 13 18:53:35 CST 2023 Untitled Document
Bandwidth Table
有線媒介 頻寬
語音級 (voice grade) 電話線 3 KHz
寬頻 (wideband ) 電話線 48 KHz
同軸電纜 (cable ) Over 400 MHz
光纖 0.1 - 4 GHz

無線媒介 頻寬
AM 10 KHz
TV 6 MHz
衛星轉頻器 (Transponder) 36 MHz
Tue Jun 13 18:53:35 CST 2023 Untitled Document
頻寬需求
Tue Jun 13 18:53:35 CST 2023 Untitled Document
（速度規格) 頻寬規格
Speed Specification
SDH SONET Line Speed (Mbps)
  OC-1 51.84
STM-1 OC-3 155.52
  OC-9 466.56
STM-4 OC-12 622.08
  OC-18 933.12
STM-8 OC-24 1244.16
STM-12 OC-36 1866.24
STM-16 OC-48 2488.32

名稱 Line Speed (Mbps)
T1 1.544
DS1 1.544
E1 2
T3 45
DS3 45
FDDI 100

Speed Specification (Digital)

網路種類 Line Speed
X.25 9.6 - 64 Kbps
Frame Relay 64 Kbps - 2 Mbps
ATM 45 Mbps - 5 Gbps
Tue Jun 13 18:53:35 CST 2023 Untitled Document
頻寬與速度
何謂網路速度?
 
每秒可傳送的資訊 (bit)
Questions ?
 
一個 1000 bytes 封包從台灣送達美國，要花多長時間?
   
網路速度為 1 Mbps
 
當你上網感覺速度很慢時，可能的原因何在?
Tue Jun 13 18:53:35 CST 2023 Untitled Document
頻寬與速度
 
信號，封包等在網路中傳遞，延遲時間包括
Router/Switch Processing Time
網路各link 之queueing Time
Propagation Delay Time
   
信號，封包等在網路中傳遞，必須考慮 propagation delay time !!!
 
Propagation delay time 與網路速度(頻寬) 無關，而與電磁波傳遞速度有關
Tue Jun 13 18:53:35 CST 2023 Untitled Document
頻寬與速度
電磁波的傳遞速度 與 網路速度無關 !!!!
 
此速度非彼速度
電磁波在真空中以 光速 前進 300,000 km/s
 
每秒鐘可繞地球七圈半
電磁波在銅導線(Catagory 5)中以 接近光速 前進 231,000 km/s
Tue Jun 13 18:53:35 CST 2023 Untitled Document
大距離
  Distance Light Traveling Time
赤道長度 40,075 km 2/15 sec
Earth to Moon Avg 384,403 km (238,857 miles)
Min 363,104 km (225,622 miles)
Max 405,696 km (252,088 miles). 		Avg 1.28 sec
Min 1.21 sec
Max 1.35 sec
Earth to Sun 149,597,892 km (92,955,820.5 miles ) 498.66 sec (8.3 min)
Tue Jun 13 18:53:35 CST 2023 Untitled Document
小距離
光行走時間 距離
1 ms 300 km
1 ns 30 cm
1 ps 0.03 cm
Tue Jun 13 18:53:36 CST 2023 Untitled Document
多工 (Multiplexing)
 
當兩組以上的通訊設備同一時間利用同一傳輸媒體傳送資料時，可以利用 多工（Multiplexing）技術來達成。
Tue Jun 13 18:53:36 CST 2023 Untitled Document
多工 (Multiplexing)
分頻多工 （FDM - Frequency Division Multiplexing）
   
將頻譜分成多個邏輯頻道，每組設備可以使用其中的一個頻道。
   
e.g. 電視， Radio 廣播
WDM - Wavelength Division Multiplexing
 
把光波依波長分成多個邏輯頻道，每組設備可以使用其中的一個頻道。
分時多工（TDM - Time Division Multiplexing）
   
將時間切分成許多個小時段，各組設備輪流使用這些小時段。輪到某台電腦使用 時，整個媒體都可使用。
   
e.g. Time Sharing OS
Tue Jun 13 18:53:36 CST 2023 Untitled Document
Time Division Multiplexing
Tue Jun 13 18:53:36 CST 2023 Untitled Document
Time Division Multiplexing
Tue Jun 13 18:53:36 CST 2023 Untitled Document
Synchronous vs. Asynchronous
同步與非同步傳輸
   
一般而言，非同步傳輸是指送端與收端在傳送資料前不必事先溝通。
  
技術上而言，非同步傳輸是指送端與收端間不需要針對每一傳送的位 元進行同步溝通（就是不會將彼此的脈衝(clock)調成完全同步）。
Tue Jun 13 18:53:36 CST 2023 Untitled Document
Spectrum
Tue Jun 13 18:53:36 CST 2023 Untitled Document
Spectrum Allocation - US
Tue Jun 13 18:53:36 CST 2023 Untitled Document
Spectrum Allocation - Singapo
Tue Jun 13 18:53:36 CST 2023 Untitled Document
電話聲音品質之量度
Listening Quality How users rate what they "listen" during a call.
Conversational Quality How users rate the overall quality of a call based on listening quality and their ability to converse during a call. This includes any echo or delay related difficulties that may affect the conversation.
Transmission Quality The quality of the network connection used to carry the voice signal. This is a measure of network service quality as opposed to the specific call quality.
Tue Jun 13 18:53:37 CST 2023 Untitled Document
電話系統品質的量度
 
Listening Quality
 
Conversational Quality
   
Mouth-to-Ear Delay : 300-400 ms
 
Transmission Quality
MOS (Mean Opinion Score)
MOS指標 使用者滿意度
5 很好 (Excellent)
4 好 (Good)
3 普通 (Fair)
2 差 (Poor)
1 極差 (Bad)
E-Model
電話聲音之品質之量度 (MOS)
Mean Opinion Score (MOS)
MOS Index User Satisfaction
5 Excellent
4 Good
3 Fair
2 Poor
1 Bad
Typical Representation of Call Quality Level
User Opinion MOS (ITU Scaled)
Very satisfied 4.3-5.0
Satisfied 4.0-4.3
Some User Satisfied 3.6-4.0
Many User Dissatisfied 3.1-3.6
Nearly All User Dissatisfied 2.6-3.1
Not Recommended 1.0-2.6
Tue Jun 13 18:53:38 CST 2023 Untitled Document
電話聲音之品質要求
頻寬要求 64kbps
對 Delay 之容忍度 < (300-400)ms
對 Jitter 之容忍度 可容許某種程度之 jitter
<= 50ms
對 Loss 之容忍度 可容許某種程度之 loss
<= 3%
Tue Jun 13 18:53:38 CST 2023 Untitled Document
使用者對 Delay 之容忍度
Tue Jun 13 18:53:38 CST 2023 Untitled Document
Voice Spectrum
Tue Jun 13 18:53:38 CST 2023 Untitled Document
Analog to Digital
   
類比信號至數位信號之轉換稱為 Analog-To-Digital (A2D)
 
取樣 (Sampling)
   
將電壓訊號由0至最高電位根據編碼長度細切為許多等級 (即level，例如以8Bits編碼，則可細分為28=256個等級)， 並且根據取樣頻率(Sample Frequency)， 每隔固定時間抓取一次電壓訊號，判定其電壓等級， 並且以數位資料表示。
Sampling + Quantization
問題: Sampling Frequency 應該多高?
Tue Jun 13 18:53:39 CST 2023 Untitled Document
Sampling Frequency
Tue Jun 13 18:53:39 CST 2023 Untitled Document
Sampling Frequency - Nyquist Theorem
 
How many samples per second are needed?
 
Nyquist Theorem: Sampling Frequency >= 最高頻率的2倍
 
Voice Bandwidth - 300Hz to 3400 Hz
 
4K x 2 = 8k samples/sec
 
8K x 8 bit/sample = 64kbps
Tue Jun 13 18:53:39 CST 2023 Untitled Document
Sampling of Telephone and CD
音樂光碟 一般人耳朵可聽見的聲音頻率介於20 Hz∼20 kHz之間
CD 音樂是以44.1 kHz的取樣頻率取樣
電話 語音信號主要的頻率成分在300 Hz ∼4kHz。
故現行電話系統的取 樣頻率為8 kHz
Tue Jun 13 18:53:39 CST 2023 Untitled Document
Quantization Error
Tue Jun 13 18:53:39 CST 2023 Untitled Document
PAM (Pulse Amplitude Modulation)
Tue Jun 13 18:53:39 CST 2023 Untitled Document
PCM (Pulse Code Modulation)
Tue Jun 13 18:53:39 CST 2023 Untitled Document
資料編碼技巧
   
區域網路在使用基頻傳輸時，通常須用較複雜的編碼方式。
RS-232-C
  • 用於低速資料傳送，如 9600 bps 之 RS-232-C 標準。
  • 以一位元組 (5~8bits) 為單位傳送，前後 加 Start 及 Stop bits。
  • 負電壓代表 1，正電壓代表 0。
  • 使用非同步傳輸→平常不送資料時維持在負電壓，送資料之 前先送一個正電壓代表 start bit （非資料）。
  • 兩字元間最少要隔一個 stop bit （負電壓）。
Zero-Complemented 差動式編碼
  • 高效率線路控制程序使用， 如 IBM SDLC。
  • 在一位元時間內，電壓由正電位變負電 位代表0，無電位變 化代表 1。
曼徹斯特編碼
  • 為使電位變化有預期的規律性，讓每一 位元在傳送及接收時 ，可以達到同步的效果
  • 在一位元時間內，電壓由正電位變負電 位代表0，反之代表 1。
差動式曼徹斯特編碼
  • 在一位元時間的中段有電壓變化代表 1。
  • 在一位元時間的開始及中段有電壓變化 代表 0。
Tue Jun 13 18:53:39 CST 2023 Untitled Document
Telecom Services
Tue Jun 13 18:53:39 CST 2023 Untitled Document
Network Management
Tue Jun 13 18:53:40 CST 2023