第三章 類比與數位訊號
3.1 介紹
‧資料用邏輯呈現方式，是看你要用類比還是數位訊號。
3.2 數位編碼格式
‧NRZ(NonReturn to Zero)編碼：
0：高電壓
1：低電壓
NRZI(NRZ inverted)：
0：維持電壓
1：改變電壓
傳輸同步問題：NRZ或NRZI不準確(假如是連續的0)
‧MANCHESTER編碼(曼起斯特編碼，又稱「自我同步碼」)：
到週期中間，電壓都會改變
0：高→低
1：低→高
缺點是需要兩倍頻寬
Differential Manchester encoding (差動式曼起斯特編碼)(必考!!)
在週期中間改變
週期開始的時候：
0：改變
1：不改變
3.3 類比訊號
‧調變(MOdulation)：數位(電腦)轉換成類比(電話線)
解調變(DEModulation)：類比轉換成數位
‧類比訊號三特徵：
1. 頻率：單位時間內週期的數量
2. 振幅：波峰(最高)-波谷(最低)
3. 相位差：角度改變
3.4 資料傳輸率(Bit Rate 位元率)
‧位元率：描述媒介資料的容量，單位是bps(每秒幾位元)
鲍率：類比信號改變的頻率，每個能送出的位元率
n：每個頻率能夾帶的資料量(位元數目)
位元率=鮑率╳夾帶量
送方頻率為F，收方只要2F重建訊號
‧有雜訊的頻道：信號變化越多，他們之間的差異就越少→承受雜訊的能力降低；頻道易受雜訊干擾
信號 S
── 比例 = ─
雜訊 N
再對數化：B = log10 (S/N) bels
decibel(dB)：1dB = 0.1 bel
理論上 最大位元率 = 頻寬 ╳ log2(1 + S/N) bps (重要!!)
但撥接56Kbps > 理論35Kbps？
1. 壓縮
2. 直接連線到ISP (收方不需要解調變)
3.5 數位到類比轉換
‧頻率調變(FSK = FM)
‧振幅調變(ASK = AM)：4種振幅=2個位元
‧相位差調變(PSK = PM)
‧(必考!!)轉相差振幅調變(Quadrature Amplitude Modulation)：
用2種振幅與4種相位差=3個位元
3.6 類比到數位轉換
‧脈波調變PAM：在一定區間內取樣
‧(重要!!)脈碼調變PCM：
取樣並編碼，精確度取自(1)取樣頻率、(2)振幅數量。與檔案大小成正比。
應用：
1. 長途電話數位化：8k sps取樣頻率、8 bps振幅數量。接近64Kbps。
2. CD：取樣頻率44.1 kHz、數位到類比(D-A)轉換：16-bit 線性
3.7 Cable Modem
‧電纜數據機 Cable Modems：透過CATV(有線電視)訊號
電纜頻率範圍：750 MHz。用6-MHz範圍分割，其中一個範圍提供上網之用。
調變與解調變技術：QPSK(Quaternary phase shift keying)與QAM64
3.8 DSL
‧透過電話線
‧最後一哩(local loop or last mile)：地區電信中心到客戶電話之間的距離。
‧頻寬限制：電信中心設備老舊，不全是最後一哩路線的問題。
‧ADSL：
(1)分離器(splitter)與濾波器(filter)
低波濾器：< 4kHz→電話
高波濾器：> 4kHz→ADSL modem
(2)ADSL modem(ADSL Transmission Unit-Remote, ATU-R)：使用離散多通道(discrete multitone)技術
‧分割0Hz~1.104MHz為256個頻道，各頻寬皆為4.3125kHz
‧最低五個頻道做為電話(POTS)之用
‧有些頻道下載、有些上傳
‧檔案分割至各頻道
‧應用QAM
訊號隨距離衰減，不可超過3.5英里(5公里)
與Cable Modem的差別：
ADSL→專線
CATV→共享
‧ADSL Lite：普遍家庭使用；信號分割是由地區電信中心，電話/電腦會自動忽略不需要的頻率
‧光纖網路單位(optical network unit)：引進高速光纖網路線路，縮短Last Mile，提高速度。
第四章 網路連接
4.2 通訊載體與設備
‧電話系統：將聲音轉換為電子信號。
打電話：播打者每個按鈕會送一個碼給當地的電信交換中心，用來決定路徑。假如路徑可以通且電話不在忙碌，則中心會送出兩個信號：一個送到目的地讓電話響；另一個送到來源告訴播打者電話正在響
播打電話兩種方式：
tone dialing：用聲音播號
pulse dialiing：轉盤
‧私用交換機PBX(總機、分機系統)：
用在公司或組織裡，可以完全控制聲音以及資料通訊功能，而不依靠電信公司。
與區域網路很像，但區網有廣播能力，PBX只提供點對點
‧行動電話
Cells：基地台分割區域
MTSO(mobile telephone switching office)：控制cells與連接的電話系統
行動電話是一種雙向電波，可以與「塔」進行通訊，但是範圍不易界定。
行動電話與塔之間不斷交換訊息，以決定最接近的塔及最強的訊號。
當要播打電話時，手機會與最近的塔通訊。
為了得知手機的位置，MTSO會用那個號碼跟所有手機廣播，如果有回應則完成連接。
handoff(接手)：訊號過弱時，MTSO自動轉換cell
‧傳真機：1980盛行
文件→(掃描)圖檔→(轉換)像素(二元檔)
傳輸時使用run-length編碼壓縮
4.3 傳輸模式
‧並列：在一條線上同時傳輸一組位元，通常距離不長。
串列：只傳送一個位元，要決定從高位元還是從低位元先送。
‧非同步傳輸：用在低速設備上，有相當多的額外支出，約25%。
同步傳輸：大量資料傳送，通常稱為資料框(data frame或是frame)
‧(必考!!)資料框組成
[同步字元(SYN)]：確保接收者取樣頻率與保持資料到達速度
[控制字元]：來源位置、收方位置、資料總數、流水號、資料框型態
[資料]
[錯誤偵測]
[結束字元]
‧同步與非同步比較：
1. 同步比較快
2. 額外頻寬比較低
‧等速傳輸(isochronous)
1. 以固定速率
2. 不使用偵錯機制→忽略錯誤
‧單工(廣播電視)、半雙工(無線電對講機)、全雙工(電話)
4.4 介面標準
DCE(資料電路終端設備)與DTE(資料終端設備)的介面──DTE-DCE介面
ex:MODEM←→電腦
‧(重要!!)EIA-232介面：25連接線，傳輸順序如下
[DTE 電腦] [DCE MODEM]
DTR 資料終點準備
DSR 資料已準備
RTS 要求傳輸
CTS 清空傳輸通道
TD 傳輸資料
DCD 資料載體偵測
RD 接收資料
‧EIA-232 Subsets：節省成本，不用到25pin，受速度限制
‧虛無數據機：訊號跨接→兩台電腦互連
‧X.21介面：
特色：
1. 數位信號介面
2. 將控制訊號隱藏在路線之中
1. 用在歐洲
2. 15-pin
3. pin與線路分開
a. 平衡X.27(雙線)
b. 不平衡 X.26 (單線) → 可降低電氣干擾的抵抗
‧USB
透過HUB連接，最多127台
線路：
綠、白交錯：資料(平衡線路)
紅：電源
白：電源
編碼：0保持電壓、1改變電壓
速度：USB1.1-12Mbps USB2.0-480Mbps
資料傳輸方式：主從架構
傳輸單位：frame (1ms)←靠frame同步
傳輸模式：
1. 控制傳輸：USB熱插拔→決定設備與傳輸速率→指定位址
2. 大量傳輸：傳輸大量資料，包含在封包裡面，偵錯機制
3. 中斷傳輸：輪詢式─由主機詢問設備是否要傳輸資料
4. 等速傳輸：每個frame保留固定空間
USB封包種類： token data handshake封包
SYN：同步訊息
PID：封包編號
‧火線 IEEE1394
與USB相同之處：熱切換、隨插即用、串列傳輸、標準設備、低成本
菊鏈：可持續連接，不能為迴圈
六條線路：雙絞線TPA、TPB，及電源地線
TPA：NRZ(0低電壓、1高電壓)
TPB：strobe signal與TPA相反；TPA改變時、TPB不改變，反之亦然
連接方式：P2P；1394橋接器
同步傳輸
1. 送出封包
2. 等待回應
3. 確認訊號，表示封包到達
4. 負確認訊號，再次傳送
非同步傳輸
1. 前16bit：裝置位置
2. 後48bit：主記憶體位置
4.5 多工器
┌→慢速
快速←多工器→慢速
└→慢速
‧分頻多工FDM：使用在類比訊號上
‧分時多工TDM：數位訊號，將慢速訊號儲存在緩衝空間，然後再一起送出
byte multiplexer位元組多工器：固定每個串流為8bit
block multiplexer區塊多工器：固定為許多位元組(區塊)
‧統計式多工器
1. 掃描緩衝區
2. 抓資料
3. 不固定frame → overhead
‧波長多工器：用在光纖
4.6 數位載體
AT&T 聲音
1. 分時多工
2. 193bits -> 24 slots
T1 1.544Mbps
‧SONET(同步光纖網路)
4.7 碰撞協定
多點進入共同通道
‧(必考!!)阿囉哈協定
1. 各站向中央站傳資料
2. 各站使用相同頻率
3. 中央站使用與各站的不同頻率
4. 兩站同時傳送，會導致信號毀損
5. 站台可隨時傳送
碰撞偵測→有無確認訊號
如果碰撞，則隨機等待一定時間再傳送
(必考!!)優點：
1. 簡單低成本
2. 適合少量資料
slotted Aloha協定：限定一個個時段，只能在時段開頭傳送
‧CSMA
1. 載波偵測：監聽線路動作
2. 假如有動作則傳送；反之等待
p-persistent：傳送的機率為p%
nonpresisten：如果可以傳送，則無條件再等一個slot
‧(重要!!)碰撞偵測 CSMA/CD
1. 載波偵測
2. 多重存取
3. 碰撞偵測
影響：
1. 頁框大小
2. 傳輸距離
‧權杖傳遞
如果取得權杖：
1. 不送資料：將權杖移交鄰居
2. 送資料：改變權杖資料框 (目的地、控制位元)
只有送者才能回收資料況
第五章 資料壓縮
5.2 頻率相關編碼
‧(必考!!)霍夫曼編碼的編碼法
無字首特性
1. 以頻率為權值
2. 選拳術最小的兩個合併，合併後的新的節點，權值為兩者權值的和
3. 重複步驟二，直到形成單一的樹
‧算數壓縮(略)
5.3(必考!!)行程長度編碼法(省略，詳情請看課本)
‧傳真壓縮：T.4 T.6
5.4 相對編碼法(用在影片上)
比較差異之處：送出差異處而已，將差異處放在前一張影像上，完成壓縮
5.5 LEMPEL-ZIV壓縮
以編碼代替重複字串
UNIX、V.42bis、GIF皆用此法
1. 任何檔案可轉換成一串ASCII code
2. Code Book 編碼對照表
由電腦自動判斷對照表
5.6 影像壓縮
類別
1. 靜畫 JPEG
2. 動畫 MPEG
資料呈現：Pixels
1. 黑白影像(1)(0)
2. 灰階8-bit(=256)
3. RGB True Color: 16M種顏色
‧JPEG壓縮
失真壓縮：差異過小人眼不易察覺
1. 將圖片以8*8像素分區，各區轉成三個二維陣列
2. 空間頻率 spatial frequency
P陣列→T陣列
如果P矩陣變化規律，則T會有大量的0
3. 量化：將數值除與某數(量化矩陣U)，再整數化→因此無法還原
T/U = Q
4. 編碼：用對角循環的方式(請參考課本p.244)
‧GIF
將顏色降至256色
5.7 多媒體壓縮
‧MPEG
MPEG-1：VCD
MPEG-2：DVD
‧MP3：壓縮率12:1
省略
1. 接近頻率
2. 過小聲音(聲音遮罩)
壓縮
1. 省略不必要的聲音zzz 2. 數位化
3. 壓縮
