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
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