2026 年 04 月 28 日
CH2 — 通訊與傳輸
📋 大綱
1📡 通訊傳輸概論 — 訊號傳輸的基本概念
2📊 訊號三要素 — 振幅、頻率、相位
3📡 調變與解調變 — 數位/類比信號處理
4📡 類比調變：AM / FM / PM
5📡 常見頻道頻率範圍
6📡 PCM 脈碼調變 — 數位傳輸
7📡 常見數位編碼方式 — 4B/5B、8B/10B、8B6T
8📡 多工處理 — FDM/TDM/WDM
9📡 交換技術 — 迴路/封包/訊息交換
10📡 類比處理（Modem）
11📡 電信網路（Telephony）
12📡 xDSL 數位用戶線路
13📡 光纖到府（FTTx）
14📡 行動通訊演進
📡 1｜通訊傳輸概論
通訊（Communication）是訊號（Signal）在各種媒體（大氣、電纜線、光纖等）中傳輸（Transmission）處理的過程。
📡 傳輸方向分類
- 單工傳輸（Simplex） — 訊號只能單向傳送，如電視、廣播
- 半雙工傳輸（Half-Duplex） — 雙向但同一時間只能一方發送，如對講機
- 全雙工傳輸（Full-Duplex） — 雙向可同時傳送，如電話、視訊
📊 訊號類型
- 類比訊號（Analog） — 連續變化的波形，如聲音、光
- 數位訊號（Digital） — 離散的階梯波形，如 0/1 二進位
📊 2｜訊號三要素
所有訊號都可用以下三個參數描述：
- 大小（Magnitude） — 訊號的振幅
- 頻率（Frequency） — 訊號變化的速率，單位 Hz
- 相位（Phase） — 訊號在時間軸上的起始位置
數學公式：S(t) = m(t) · cos(2πf(t) + φ(t))
其中 m = 大小、f = 頻率、φ = 相位
其中 m = 大小、f = 頻率、φ = 相位
📐 波長與頻率關係
c = f × λ
- c：光速（約 3×10⁸ m/s）
- f：頻率（Hz）
- λ：波長（公尺）
頻率愈高，波長愈短。傳輸距離與訊號能量、環境適應性有關。
📡 3｜調變（Modulation）與解調變（Demodulation）
傳送端將訊號搬到一個不會與其他訊號衝突的頻率範圍，實現同一時間、同一地點對一個以上訊號進行傳送。接收端收到調變訊號後，經過處理將原來的訊號還原。
調變（Modulation）：將訊號調變到載波上
解調變（Demodulation）：從載波還原原始訊號
解調變（Demodulation）：從載波還原原始訊號
載波訊號
C(t) = Ac · cos(2πfct + φc)
Ac：振幅、fc：頻率、φc：相位 — 這三個參數都可用來攜帶原始訊號的資訊
📡 4｜類比調變：AM / FM / PM
| 調變方式 | 全名 | 調整參數 | 說明 |
|---|---|---|---|
| AM | Amplitude Modulation（調幅） | 振幅 | 維持原來載波的頻率與相位，振幅依原訊號大小變化 |
| FM | Frequency Modulation（調頻） | 頻率 | 保持載波原有的振幅與相位，只在頻率上變化 |
| PM | Phase Modulation（調相） | 相位 | 只改變載波訊號的相位，其他項目不變 |
📡 5｜常見頻道頻率範圍
| 頻道類型 | 頻率範圍 |
|---|---|
| AM 廣播網 | 526.5 ~ 1606.5 KHz |
| FM 廣播網 | 88 ~ 108 MHz |
| 類比無線電視台（已停播） | 76~88 / 174~216 MHz |
| 數位無線電視台 | 530 ~ 596 MHz |
| 第二代行動電話（2G） | 上行 895~915 MHz、下行 940~960 MHz |
| 第三代行動電話（3G） | 上行 1.92~1.98 GHz、下行 2.11~2.17 GHz |
| 第四代行動電話（4G） | 上行 703~748 / 1720~1780 / 1920~1980 MHz 下行 758~803 / 1805~1880 / 2110~2170 MHz |
| 第五代行動電話（5G） | 3.3~3.57 GHz、27.9~29.5 GHz |
| ISM（工業、科學、醫療） | 2.4~2.5 GHz、5.725~5.875 GHz |
📡 6｜PCM 脈碼調變（數位傳輸）
數位系統處理類比訊號的過程：取樣 → 量化 → 脈碼調變 → 編碼處理
📊 取樣（Sampling）— 奈奎斯特定理（Nyquist Theorem）
取樣率 fs > 2 × fmax
- 人類語音：4,000 Hz 以下 → 取樣 8,000 次/秒
- CD 音響（0~20 KHz）→ 取樣率 > 40 KHz → 標準 44.1 KHz
📊 量化（Quantization）
在振幅上進行分割，分割層級愈多還原品質愈好，但所需記憶體也愈大。
- 一般語音：256（2⁸）Levels → 8 bits/sample
- CD 音響：65,536（2¹⁶）Levels → 16 bits/sample
PCM（Pulse Code Modulation）
脈碼調變
- 一般語音：256 Levels → 8 bits/sample → 0 = 00000000、255 = 11111111
- CD 音響：65,536 Levels → 16 bits/sample
64 Kbps 通道的由來
8,000（取樣/秒）× 8（位元/取樣）= 64 Kbps
常用以作為語音通訊的基本單位，亦為數位傳輸 B 通道（Bearer Channel）的傳輸速率。
常用以作為語音通訊的基本單位，亦為數位傳輸 B 通道（Bearer Channel）的傳輸速率。
編碼處理還可降低訊號變化速率、平衡直流訊號量（DC Balance），並達到自我時序（Self-Clocking）—— 將時序（Clocking）訊息隱含在訊號中。
📡 7｜常見數位編碼方式
| 編碼方式 | 全名 | 應用場景 | 特性 |
|---|---|---|---|
| NRZ-L | Non-Return to Zero Level | RS-232 | 不使用零電位，簡單成本低 |
| NRZ-I | Non-Return to Zero, Invert on ones | FDDI | NRZ-L 變形，屬微分編碼，較高傳輸速率 |
| Manchester | Manchester 編碼 | Ethernet（乙太網路） | Self-Clocking，時序訊號內建於訊號中 |
| Differential Manchester | 微分曼徹斯特編碼 | Token-Ring | Manchester 微分變形，Self-Clocking |
| MLT-3 | — | 100BaseTx 乙太網路 | 資料 1：改變訊號輸出值 |
🔣 4B/5B 編碼
將 4 位元資料擴展為 5 位元傳輸，優點：
- 直流平衡（DC Balance） — 避免過多連續 1 或 0
- 不會有連續 3 個以上的 0 或連續 8 個以上的 1
- 應用：100BaseFx 光纖乙太網路
🔣 8B/10B 編碼
8 位元擴展為 10 位元，應用於超高速乙太網路（Gigabit Ethernet）。
🔣 8B6T 編碼
8 位元編碼為 6 個三進位訊號，應用於 100BaseT4。
📡 8｜多工處理（Multiplexing）
在同一傳輸媒介上同時傳送多個訊號，節省線路成本。
| 方式 | 全名 | 多工維度 | 應用實例 |
|---|---|---|---|
| FDM | Frequency Division Multiplexing 分頻多工 |
頻率 | 電視、收音機 |
| TDM | Time Division Multiplexing 分時多工 |
時間 | 數位電信線路 |
| CDM | Code Division Multiplexing 分碼多工 |
編碼 | 手機（CDMA） |
CDM（分碼多工）核心概念
- 把其他使用者訊號視為雜訊
- 相同空間可同時有多個訊號傳送而不相互干擾
- 各使用者將訊號 0/1 碼轉換成對應的長串具互不干擾特性的數碼
- 接收端解碼還原原訊號
📡 9｜交換技術
| 類型 | 說明 | 特性 | 應用 |
|---|---|---|---|
| 電路交換 | 建立專屬通訊電路後才開始傳輸 | 專線、延遲低 | 傳統電話（PSTN） |
| 分封交換 | 將資料切成封包個別轉送 | 共享線路、彈性高 | 網際網路 |
| 訊息交換 | 各交換節點先完整儲存訊息再往下傳（Store and Forward） | 不適合即時性應用 | 電子郵件 |
📡 10｜類比處理（Modem）
數位訊號不適合遠距離傳輸，因此傳輸時常將訊號轉換成類比訊號。
Modem（Modulation and Demodulation）
負責將數位訊號調變為類比訊號傳送，以及從類比訊號解調變回數位訊號。
範例：居家連線上網時，電腦至電話線間執行數位↔類比轉換。
負責將數位訊號調變為類比訊號傳送，以及從類比訊號解調變回數位訊號。
範例：居家連線上網時，電腦至電話線間執行數位↔類比轉換。
📡 11｜電信網路（Telephony）
📞 常見電信網路架構
- POTS（Plain Old Telephone Service）— 傳統電話服務
- PSTN（Public Switching Telephone Network）— 公眾交換電話網路
- DSL（Digital Subscriber Line）— 數位用戶線路
- T1 / E1（Leased Line）— 專線
📡 12｜xDSL 數位用戶線路
DSL 以原有低成本的雙絞銅線為基礎，架構高速網路傳輸技術。
- 4 KHz 以下頻率：語音傳送
- 4 KHz 以上頻率：數據資料傳輸
| 類型 | 全名 | 說明 |
|---|---|---|
| ADSL | Asymmetric Digital Subscriber Line 非對稱數位用戶線路 |
下行最高 12 Mbps，上行最高 1 Mbps 目前最普遍 |
| R-ADSL | Rate-Adaptive Digital Subscriber Line 可調速率數位用戶線路 |
速率可根據線路狀況動態調整 |
| HDSL | High bit-rate Digital Subscriber Line 高速率數位用戶線路 |
高速對稱傳輸 |
| SDSL | Single-line Digital Subscriber Line 單線數位用戶線路 |
單一線路 |
| VDSL | Very High bit-rate Digital Subscriber Line 超高速數位用戶線路 |
下行最高 52.8 Mbps，上行 3 Mbps |
| VDSL2 | VDSL2 | 下上行各達 100 Mbps |
| VDSL2-Vplus | VDSL2-Vplus | 下上行達 300 / 100 Mbps，傳送距離限制 250 公尺 |
ADSL 特性：非對稱（Asymmetrical）
上行（Uplink）與下行（Downlink）傳輸速率不同，下行 > 上行。傳送距離愈遠，有效速率愈低（4km 以上明顯衰減）。
上行（Uplink）與下行（Downlink）傳輸速率不同，下行 > 上行。傳送距離愈遠，有效速率愈低（4km 以上明顯衰減）。
📡 13｜光纖到府（FTTx）
為了解決傳輸距離問題，結合光纖通訊擴大覆蓋範圍。
| 架構 | 全名 | 說明 |
|---|---|---|
| FTTH | Fiber To The Home — 光纖到府 | 光纖直接到家，速度最快 |
| FTTB | Fiber To The Building — 光纖到大樓 | 光纖到建築物，再由大樓內部網路分送 |
| FTTC | Fiber To The Curb — 光纖到街角 | 光纖到路邊機房，再以 VDSL 接到用戶 |
| FTTN | Fiber To The Neighborhood — 光纖到鄰里 | 光纖到鄰近節點，覆蓋範圍最廣 |
FTTC + VDSL 結合：光纖到街角，最後一段用 VDSL 接到用戶，是兼顾速度與成本的常見方案。
📡 14｜行動通訊演進
| 世代 | 技術 | 速率 | 特性 |
|---|---|---|---|
| 1G | AMPS、TACS | — | 類比語音，純語音通訊 |
| 2G | GSM（Global System for Mobile Communications） | 9.6 Kbps | 數位化，開始有資料傳輸（SMS） |
| 2.5G | GPRS（General Packet Radio Service） | 56 ~ 114 Kbps | 整合封包式無線服務 |
| 3G | WCDMA、HSDPA/HSUPA | 384 Kbps ~ 2 Mbps（下行） | 寬頻化，APP 與社群軟體普及 |
| 3.75G | HSPA+ | 下行最高 42 Mbps | 速率再提升 |
| 4G | LTE（Long Term Evolution） | 下行 300 Mbps、上行 75 Mbps | 全 IP 網路，VoLTE 語音 |
| 5G | 5th Generation Mobile Networks | 下行 2 Gbps、上行 175 Mbps | 高速度、低延遲、巨量存取，支援物聯網 |
| 6G（預計 2030 年） | — | Tbps 等級 | 使用 THz 頻段，延遲極低 |
演進趨勢：第一代語音通訊佔 100%，現今語音只是其中一種應用，數據通訊已成為主角。未來語音將只是眾多 APP 中的其中一種功能。