Electronics _ Signals

							Chapter 4 電子和訊號
Andres, Wen-Yuan Liao
Department of Computer Science and Engineering De Lin Institute of Technology andres@dlit.edu.tw http://www.cse.dlit.edu.tw/~andres

Overview
電學基本概念 學到資料傳送過實體媒體的方式 學到影響資料傳輸的各種不同因素


交流電 (AC) 電源線雜訊

電學基本概念
氦原子 建立穩定的原子 靜電 電流 電的量度專用術語 電壓、電阻與電流的類似比擬 繪製 AC 交流電與 DC 直流電電壓的圖形 建構簡單的電子串聯電路 網路設備接地的目的

氦原子
核子


原子的核心，由質子和中子組成 帶正電的粒子，與中子一起組成核子 不帶電（中性）的粒子，和質子一起組成核子 帶負電的粒子，依軌道繞著核子轉

質子


中子


電子


氦原子
原子數為2


兩個質子和兩個電子

原子量為 4
將原子量 (4) 減掉原子數 (2)  得知氦有兩個中子


丹麥物理學家 Niels Bohr
假設這個原子的質子和中子大小有如足 球場中間的一個足球，唯一小於足球的 東西就是電子 電子的大小就如櫻桃，在足球場看台最 外圍的座位附近依循軌道繞轉 唯一大於足球的東西就是原子內部的空 間，與整個足球場大小相當

建立穩定的原子
庫倫電力定律
相反電荷之間的作用力會使其互相吸引  同性電荷之間的作用力會使其互相排斥


電子的自由流動
質子和中子是以一種強大的力量聚在一起 電子卻是以一種較弱的力量留在軌道上 有些原子的電子可以從原子拉開，開始流動。 這就是電流 - 一種「電子的自由流動」

靜電
停留在同一個地方的鬆散電子，既不移動且 帶負電荷，就稱為靜電

靜電釋放現象 (ESD, Electrostatic

discharge)
靜電子有機會跳到導體  靜電釋放通常對人體無害  若未正確處理，將對敏感的機器造成嚴重的損 壞


電流
電絕緣體 電導體 電半導體

電絕緣體
讓電流無法通過，或很不容易通過的物 質

電導體
可以輕易讓電流通過的物質 最外層的電子跟核子的連結不緊密，可 以輕易游離 加上電壓後就可以讓這些自由電子動起 來，形成電流

電半導體
所導引的電流量可以精確控制的物質

電壓、電阻與電流的類似比擬

建構簡單的電子串聯電路
電子只可以在完整封閉的迴路中流動 電池中的化學作用會導致電荷分離，造 成電壓，使電子流向各種設備

示波器
x-軸代表時間 y-軸代表電壓 Y-軸的電壓輸入常有兩個，以便同時觀 察測量兩條波

數位式萬用電錶
可以測量物體的電阻和連通性


歐姆 (Ω)

路徑的低電阻係非刻意為之，則稱之為

短路
DC/AC電壓

接地
連接家中到地表的接點稱為接地點  第三插頭接地


連接到設備上的安全接地線將擔任一個連接 到地表的低電阻路徑。安全接地線路徑能提 供比人體低的電阻

 接地參考點:

0 伏特

安全接地接頭
電子儀器設備中若有安全接地線，應該接到 儀器上暴露金屬的任何一點
電腦設備的主機板和計算機電路是以電路連接 到機座  機座同時也連接到安全接地線，用來以消除靜 電


萬一設備內部線路故障產生危險性電壓時， 接地可以防止此電壓供給這些金屬部分能量， 而造成意外

訊號與雜訊的基本概念
類比與數位訊號之比較 使用數位訊號來建立類比訊號 在實體媒體上代表一個位元 網路訊號傳播 網路衰減 網路反射 雜訊 分散、劇跳和延遲 碰撞 以位元為單位的訊息

訊號
電壓伏特、光波或模組化的電磁波 這些都可以輸送網路資料

類比訊號
呈波浪狀 電壓對時間圖形是連續變化的 常見於自然界物體 在通訊上的廣泛應用已超過 100 年

重要特徵
波幅 (A) -高和寬

週期 (T) -完成一個波形的時間長度
頻率 (f) - f = 1/T

數位訊號
電壓對時間圖形為間斷不連續的 科技中常見，而非自然形成 波幅雖固定，但脈衝、寬度、T 和頻率 都可以改變

在實體媒體上代表一個位元
將 0 伏特以二進位 0 來表示，二進位1表 示 +5 伏特

訊號參考接地
光纖訊號
二進位 0 :編碼成低弱或無光的強度 (黑暗)  二進位 1 :編碼成強度較大的光 (明亮)


無線訊號
二進位 0 :突然傳來的短波  二進位 1 :突然傳來的長波
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1 位元可能會發生的六種情形
傳播(傳輸時間) 衰減 反射 noise (雜訊) 時序/延遲問題 碰撞

雜訊
在電壓、光纖或電磁訊號之外，不想要 的訊號
將訊號-雜訊比 (S/N) 升至最高  雜訊太多時，可能會破壞位元將二進位 1 轉 變成二進位 0，也有可能將二進位 0 轉變成 二進位 1，而損毀 1 -位元訊息


NEXT-A 與 NEXT-B
串音 (NEXT, Near-end crosstalk)
當纜線某處電路訊號產生電子雜訊，干擾其 他纜線電路 當兩條線路彼此靠近且未扭絞，其中一條的 能量會跑到另一條上， 纜線兩端便會產生雜訊

溫度雜訊
溫度雜訊是因電子的自由碰撞而引起， 無法避免，但通常比我們的訊號小很多

交流電源/參考接地雜訊
較理想的情形是，訊號參考接地應該與電子接 地完全隔離 隔離可以防止 AC 電源漏電，並避免電壓破壞 訊號參考接地 電腦設備基座就可以作為訊號參考接地，也可 以作為 AC 電源線接地  訊號參考接地與電源接地之間如果連通，則 電源接地如果發生問題，就會對資料系統產 生干擾

EMI/RFI
電磁干擾 (EMI, Electromagnetic
interference) 射頻干擾 (RFI, Radio frequency interference) 外來電子脈衝可能影響纜線中電子訊號 的品質，如雷電、電動機和無線電系統 纜線中的電線都可以當作天線

不同媒體之雜訊
光纖不會有 NEXT 和 AC 電源 / 參考接 地雜訊 無線系統則特別容易受 EMI/RFI 干擾

Solution to NEXT
NEXT 的問題可以透過終端技術、嚴格 遵守終端處理程序，以及使用高品質的 雙絞線來解決

Solution to 溫度雜訊
溫度雜訊卻是無法解決的，除了給訊號 強大的振幅，讓雜訊沒有大礙以外，別 無良方

Solution to 交流電源/參考接 地雜訊
與電子包商及電力公司密切合作
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調查在您的 LAN 安裝區裝設單一專用變電器的 成本

縮短訊號接地長度

Solution to EMI/RFI - 1
遮蔽
有金屬線或箔片繞著每條電線或電線對  這層遮蔽會隔離干擾訊號  導體加大，用金屬線或箔片遮蔽就會增加纜 線的直徑，成本也會相對的提高


Solution to EMI/RFI - 2
消除 :較為普遍的技術
磁力線的方向是由電流流經電線的方向決定的。 若兩條電線同屬一個電路，電子會沿其中一條 電線由負電壓源流向目的地。然後電子會從該 處沿著另一條電線，流向正電壓源  當電路中兩條電線的位置彼此平行靠近，則其 磁場的方向會恰好相反  兩個磁場的作用會互相抵消  也會抵消外圍的任何磁場


扭絞纜線可以加強抵消效果

分散、劇跳和延遲
都會影響 1 位元的傳輸時間

分散
訊號隨時間而擴散


1 位元會開始與前後位元混淆，干擾下一個位元

Solution
纜線設計、限制纜線長度，及找到適當的阻抗等  光纖:



利用波長特殊的雷射光 利用傳輸的頻率減到最低



無線通訊:


劇跳 (Jitter)
來源主機上的時鐘未與目的地時鐘同步 化 位元會比預期的時間或早到或晚到 Solution


行一連串複雜的時鐘同步校正，包括軟硬體 或協定的同步化

延遲 (Latency, delay)
愛因斯坦的相對論主張：「沒有任何東西的 傳導速度會快過真空中的光速(3.0 x 108 m/s)。」


若要長距離行進，一位元至少要花少量的時間 才能到達目的地

當位元通過任何設備時，晶體和電子零件會 造成更多延遲 Solution
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慎選使用的網路設備、不同編碼方法、以及各 層協定

速度
真空中的光速: 3.0 x 108 m/s
銅線媒體上的網路訊號是在 1.9x108 m/s 到 2.4x108 m/s之間的速度行進

光纖上的網路訊號則是以大約 2.0x108 m/s 的速度行進

碰撞 (Collision)
兩台不同的通訊電腦，同時搶用共用的 媒體，同時發出位元時 兩個二進位訊號的電壓會相加，產生第 三電壓值 碰撞太頻繁會降低網路效能，或使網路 當機

Solution to 碰撞
先行偵測，然後訂定一組規則來處理發 生的碰撞 (Ethernet) 設法防止碰撞，在共用媒體環境上，一 次只允許一架電腦進行傳輸 (FDDI)
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Token

網路訊號編碼基本概念
過去的編碼範例 調變和編碼

編碼或調變
如何表達訊息 用何種方法來傳輸訊息(載波) 編碼


將二進位資料轉成可在實體通訊鏈結上傳輸 的形式 利用二進位資料來控制波

調變


調變和編碼
編碼表示將 1 和 0 轉換成具體真實的東 西 ，如：
電線上的電子脈衝  光纖上的光脈衝  送入太空中的電磁波脈衝


NRZ (Not Return Zero)/曼徹斯特編碼

編碼
曼徹斯特編碼比較複雜，但比較不怕雜 訊，且較能維持同步

調變
將一個波改變或調變成為能夠傳遞資訊 AM (振幅調變)


正弦載波的波幅調變或高度都可加以變化來 承載訊息。 載波的頻率或扭曲可加以變化來承載訊息。 載波在一個週期中的相位或起點與終點都可 加以變化來承載訊息。

FM (頻率調變)


PM (相位調變)


Summary
電學 訊號與雜訊 調變和編碼