全彩圖解通信原理：每天都在用的網際網路、...

名人推薦：楊家驤　台灣大學電機工程學系副教授

前言

人類組成社會，社會生活除了食衣住行之外，溝通也不可或缺；人類可以使用口與耳或肢體動作來交流意見，但若雙方相隔甚遠，看不見也聽不到，就需要利用其他的溝通工具與方法。
古人用過狼煙（視覺通訊）和鼓聲（聲音通訊）等手段，但它們的傳達距離較短，能傳送的資訊量也不多，其他還有快馬傳書、飛毛腿傳書的方法，不過花費時間較長，能傳遞訊息的距離也有限制。
通信的歷史一路走來，就是在克服時間與距離，並且增加可傳輸的資訊量。
如今人類發明利用電來傳輸資訊的方法，一眨眼就能將訊息傳遞到地球另一端，總算開拓了一條克服時間與距離的康莊大道；但就算使用電氣技術，可傳輸的資訊量依然受到技術與成本的限制。
光通信，則打破了這層障礙，使用光來取代電，用光纖傳輸光信號，大大增加了資訊傳輸量。

人類在十九世紀前葉開始利用電來通訊，剛開始的技術稱為電報，在海底鋪設電纜，即使相隔大洋，大陸之間依然能夠瞬間通訊，大英帝國就因為支配了海底電纜，才能支配七大洋。
十九世紀是電報時代，二十世紀則是電話時代，由於對話是人類溝通的基礎，電話讓相隔兩地的兩人可以對話，稱得上是劃時代的發明；有了電話，全世界的人類都能互相交談，也大大拓展了人類的活動範圍。
二十一世紀則是網路時代、行動通信時代，傳輸資訊也從純文字進展到聲音，現在甚至還加入資料、影像而成為多媒體訊息，這都多虧了通信系統的進步。

本書第一章主要將解釋傳統電話與網路的不同，說明為人類帶來方便的網路，究竟採用了哪些架構與技術。
第二章說明近年來需求量大增的寬頻通信，是以何種方法實現。
第三章說明近代人類生活不可或缺的手機、智慧型手機，是如何使用電波通信。
最後，第四章將說明重要性與日俱增的無線網路，含有什麼樣的架構與技術。

本書是通信相關知識的入門書，因此在寫作時，特別將複雜的技術和原理解釋得淺顯易懂。人們常說通信不好懂，但我希望大家都能理解這肉眼看不見的通信系統，因此避開了困難的技術細節，使用插圖與簡單清楚的文字來說明。
若讀者能透過本書，對我們日常所使用的通信設備及背後原理產生些許興趣，就是我莫大的榮幸。

井上伸雄 2013 年10 月

第1章 從電話到網際網路

 「位元」是什麼？

現代通信幾乎都是數位通信，電腦信號一開始就是數位，而現在連電話網路都會把類比聲音轉換為數位信號來傳送，電視影像也一樣要轉成數位。
數位信號是由1 與0 兩種數字組合而成，以文字來說，英文字母「A」就是「1000001」，漢字的「東」是「0100010101101100」（圖1），每個1 或0 的數字就是一個位元（bit），位元就是資訊量的單位，所以字母「A」有7 位元，漢字「東」有16 位元的資訊量。日文有平假名、片假名、漢字，字數比英文字母和數字要多，所以用1 與0 來排列組合日文，需要比英文更多的1 與0，也就是更多位元。
影像的表現方法又比文字更複雜，比方說最近的數位相機動輒千萬像素，假設將整個畫面分成圖2（a）那樣的許多小點，那麼整個畫面裡就有一千萬個像素。彩色影像的每個像素被分為紅（R）、綠（G）、藍（B）三原色來記錄，每個顏色的亮度都以8 位元（28=256 階）來表示，所以一個像素就有3×8 位元＝ 24 位元，一千萬像素就有一千萬×24 位元＝ 2 億4000 萬位元，也就是240M 位元（M：Mega，代表百萬）。
像電視這種動態影片的資訊量就更大，高畫質電視（High De¬nition Television, HDTV）的畫面大約有207萬像素，如果每個像素都有24 位元，單一畫面就有50M 位元，而且電視影像每秒要傳輸三十張靜態圖片才能展現動態（圖3），所以每秒的資訊量就達到1.5G 位元（G：Giga，代表十億）。
我們也可以用位元組（byte）來代替位元，一個位元組等於8 位元，通常以數位信號傳輸資訊的時候，會以八位元為單位來分割，所以位元組比位元好用。以前面的數位相機照片來說，240M 位元的資訊量等於30M 位元組，數位高畫質電視1.5G 的資訊量大約等於187M位元組，而電腦記憶體與硬碟等儲存媒體的容量，也通常使用位元組來表示。
資訊的位元（位元組）愈多，就要花愈多時間來傳輸，而且又需要更大容量（位元組）的記憶體、硬碟、CD 或DVD 等記憶媒體來儲存，經濟效益不好，所以人類發明了數位壓縮，僅保留重要的部分，藉此減少資料量。數位壓縮對資訊量龐大的影像、聲音來說相當有效，以數位相機的照片來說，使用JPEG 壓縮法可以將資訊量壓縮到1M 位元組左右，而電視影像的資訊量更可以用視訊編碼標準程式（Moving Picture ExpertsGroup, MPEG）的壓縮技術壓縮到數十分之一，甚至數百分之一。
位元和位元組的數字通常都很大，所以單位會加上K（kilo）、M（mega）、G（giga）、T（tera） 等等來避免數字位數太多。

 為什麼發生災難時，電子郵件比電話容易取得聯絡？

發生大地震之類的災難時，由於許多人同時打電話確認親友是否平安，導致電話線路壅塞而不容易接通，這時候電子郵件反而比電話更容易取得聯絡。
由於一條電話線路是由一組使用者獨占，當使用人數多過線路數量，電話就打不通，打不通的人又會不斷重撥，造成交換機來不及處理，塞爆線路。
為了避免這種情況，電信公司通常會規範重要的特定號碼，讓人優先撥通，但這麼一來普通電話就更不容易接通。
不過利用網際網路的電子郵件，在同一條線路中可以有甲的電子郵件封包，也可以夾雜乙的電子郵件封包，所以沒有電話網路那樣的限制。就算網路線路塞爆，只要等一下還是能夠收到封包，延遲的封包可以放在記憶體裡面待命，雖然要多花點時間等待，但電子郵件晚一點並不構成影響。
不過要是寄電子郵件的人太多，郵件還是有可能寄不到，只是電子郵件的文字資訊量比語音資訊量少，所以電子郵件的處理數量還是多於電話通話量。

第2章 現在是寬頻通信時代

 為什麼要用光來通信？

第20 頁提過高速數位傳輸使用很寬的頻寬，尤其網路裡面包含了多種使用者發出的高速數位信號，所以頻寬需求非常大。
長久以來，人類都是使用銅芯纜線（金屬纜線）來傳遞電氣信號進行通信，以銅線傳輸信號會受到電阻影響，信號不斷衰減。請看圖1，電氣信號的特色是頻率愈高衰減愈嚴重，如果信號要使用更高頻帶來傳輸，就不能使用銅線。其實銅線也有一種同軸纜線，可以用來傳輸寬頻信號，但傳輸頻率依然有極限，而且缺點是纜線粗重又昂貴。
近來人們開始用光纖纜線取代銅線，以光纖纜線傳輸光信號，信號衰減比圖1 的情況少，更重要的是，就算頻率拉高，衰減幅度也不會改變，所以光纖能夠進行大頻寬的高速傳輸，也就是超高速傳輸（圖2）。
人類從一九八○年代起才開始正式使用光纖，不過三十多年來，大部分網路都已經成為光纖網路，尤其中長距離傳輸幾乎都改為光纖傳輸，連接美日的海底纜線百分之百都是光纖纜線。而且最近愈來愈多民眾想利用寬頻通訊，所以光纖到府FTTH（參考第88 頁）也日漸普及。

 光經過光纖不會外洩嗎？

通信纜線所使用的光纖，材料是非常純淨且細如髮絲的石英玻璃纖維，最近還有塑膠做的光纖，但通信網路使用的光纖都是非常清透的玻璃光纖。
玻璃雖然透明，但厚度愈厚，光穿過玻璃就衰減愈多。一般玻璃只要15 公分厚就能讓光線衰減一半，相機或望遠鏡所使用的光學玻璃鏡片則需要4 公尺厚，但光纖所使用的石英玻璃得要15 公里厚才能達到這樣的衰減。這種極為清透的玻璃以矽（Si）為原料進行合成，矽的純度就像電晶體﹙Transistor﹚、積體
電路﹙Integrated Circuit, IC﹚、大型機體微電子電路﹙Large-Scale Integrated Microelectronic Circuit, LSI﹚等半導體材料一樣高。
光纖是直徑125μm（微米，1 微米等於千分之一mm）的玻璃絲，中央直徑不到10μm 的部分是芯（core），折射率比周圍的部分高，而周圍折射率較低的部分則稱為殼層（cladding）。因為玻璃本身容易折斷，所以外層要以紫外線硬化樹脂之類的包層來補強（見圖1）。
光線如果從高折射率的玻璃出發，碰到低折射率玻璃（或空氣）的界面，就會像A 一樣改變角度穿出去，但如果接觸時的角度很小，光線就無法穿透介面，而是像B 一樣在界面反射，再次回到高折射率玻璃中，這稱為光線的全反射，光纖就是運用這個原理的產物﹙見圖2﹚。由於殼層的折射率比芯部要低，當光線進入光纖的芯部，就會在芯部與殼層的界面發生全反射，而在芯部中無遠弗屆，即使光纖稍微彎曲，光線也不會洩漏到芯部外面，這就是光纖的傳輸原理（見圖3）。

 何謂區域網路LAN

區域網路（Local Area Network, LAN）是公司、工廠、學校等建築物內所使用的電腦通訊高速網路，而電話網路、網際網路涵蓋範圍大的網路則稱為廣域網路（Wide Area Network, WAN）。WAN 是由專門的電信公司架構而成，LAN 則限定在建築物內，任何人都能自由設置。
LAN 的格式五花八門，但是大部分都是採用乙太網路（Ethernet）格式，由於LAN 的傳輸距離較短，傳輸速度比WAN 更快，目前主流速度有100M 位元/ 秒與1G位元/ 秒兩種，甚至還出現了100G位元/ 秒以上的款式。
請看圖1，乙太網路是以集線器（HUB）為中心，用纜線連接個人電腦等各種終端機器，如果使用銅線，最大連接距離是100 公尺，由於距離較短，可以進行到1G 位元/ 秒的高速傳輸。LAN 所使用的纜線稱為LAN線，由兩條銅線搓成一對雙絞線，一條纜線裡有四對雙絞線，適合高速傳輸。如果使用光纖纜線，可以大幅拉長距離，又沒有傳輸速度限制，傳輸速度更快。
集線器是連接終端機器進行通訊的一種開關，也稱為LAN 開關，而用來指定傳輸位置的編號稱為媒體存取控制位址﹙ Media Access Control Address, MAC， 也稱實體位址﹚。乙太網路會把資料信號切開，裝入一定長度（位元數）的MAC 框架中進行傳輸，框架就含有MAC位址，所以LAN 開關可以將資料送達MAC 位址所指定的終端機器。如果想使用更大範圍的LAN，可以採用圖2 的方法，將HUB 連接在一起，而且傳輸速度不同的機器也可以合用相同的網路。

第3章 不斷進化的手機

 手機如何區分頻道？

電波會在空氣中廣泛傳輸，任何人只要拉起天線都能收到，隨時隨地都能使用，非常方便，但如果同時有許多人使用手機，相同電波可能會互相干擾，所以必須每個人分一個頻道。
通常區分頻道的方法有用頻率區分的分頻多工（Ferquency-Division Multiple Access, FDMA）和用時間區分的分時多工（Time-Division Multiple Access, TDMA），以及用編碼來區分的分碼多工（Code-Division Multiple Access, CDMA）等，其中FDMA 可用於類比信號與數位信號，TDMA 和CDMA 則僅限於數位信號。
見圖1，FDMA 是將各頻道的信號頻率互相錯開來進行傳輸，避免重疊（（a）），使用者以指定頻率來通信，一個人只能使用一個頻率，所以不會衝突。這個原理類似電視、廣播以頻率來區分頻道，不過廣播的頻道由電台決定，手機頻道則是在使用者撥打電話的時候，才被分配到一個閒置頻道。
TDMA 是按不同時間依序送出各個頻道的信號（b），使用者只能使用特定時間的信號來通信，該使用時間由網路指定。或許有人認為聲音信號片段傳輸聽起來會斷斷續續，但只要每秒快速切割四百次就聽不出來了。
CDMA 是對各頻道信號加上不同的特殊編碼（由1 和0 組合而成），進行處理之後再傳輸（c）。收訊端會收到其他頻道的編碼信號，但只要以發訊端指定的編碼進行處理，就只會還原該頻道的信號，其他頻道的信號由於編碼不同，無法還原，只會收到錯誤的雜訊。
圖2 是以道路來比喻上面三種方法，FDMA 是將寬廣的馬路切割成小車道，每條車道都有固定的通行目標（a）；TDMA 是汽車依序在一條路上通行，由行車順序決定目的地（b）；CDMA 則是汽車自由行駛在大馬路上，但每種顏色的車有不同目的地，根據車子顏色前往目標（c）。
於是我們知道FDMA 和TDMA 不是單一頻道頻寬較窄（馬路比較窄），就是傳輸信號的時間斷斷續續（每隔幾輛車送一次），傳輸速度（車輛數）受限；CDMA 則是使用大頻寬（大馬路）來傳輸信號（行駛車輛），傳輸速度沒有限制，而且用上整個頻寬（整條馬路）還可以進行高速傳輸（行駛大批車輛），並且同時傳輸各種速度的信號（行駛大小不同的車輛）。
CDMA 不僅可以用於電話，還可用於高速資料通信與多媒體通信，所以手機目前幾乎都採用CDMA。

 如何確認目前位置？

打開手機的地圖服務，是以自己目前所在地為中心來顯示地圖，因為該服務使用了GPS 功能。
GPS 是接收來自人造衛星的電波，藉以計算收訊位置的系統，電波每秒傳遞速度為30 萬公里（正確來說是299792.458 公里），只要測量衛星發射的電波過多久被收到，就能算出衛星與收訊點之間的距離。光靠一顆衛星的電波只能算出一定半徑的球面，無法知道確切的位置，如果同時接收三顆衛星的電波，就可以透過衛星的位置算出三個球面的交點，也就是地球上的某一點。這個點就是電波收訊點，也就是自己的位置。目前地球周圍環繞著二十四顆GPS 衛星，但如果人在高樓大廈中，缺乏必要數量的衛星資訊，算出來的位置就不精確。
執行這個方法的前提是正確測量收訊時間，就算時間只有百萬分之一秒的誤差，距離也會相差300 公尺（30萬公里的百萬分之一），所以GPS 系統要接收四顆衛星的電波，計算並修正時鐘的誤差。實際的系統運作是行動終端機收到資料，回傳位置資訊中心計算出位置，再根據明確的基地台位置資訊來修正，才能顯示正確的位置資訊（圖1）。這個過程稱為輔助全球衛星定位（Assisted GPS, A-GPS）。

第4章 無限寬廣的無線區域網路

 WLAN （無線區域網路）如何傳輸訊號？

WLAN 是存取點（AP）與終端機之間利用電波來收發信號的網路，通常是多個終端機共用一個無線頻道，但是一次只能有一台終端機發送信號，其他終端機必須等待頻道空出來，而且也無法同時傳輸上行與下行信號，
所以通信的順序比有線LAN 更複雜。
請看圖1，終端機 1 想要傳送資料，第一步是在傳送資料之前接收電波，檢查其他終端機有沒有在使用頻道。第二步，如果沒收到其他終端機發出的電波，就判定頻道閒置，開始對AP 發送要求發訊信號RTS。第三步，當AP 確認其他終端機沒有送來信號，就回送一個允許發訊信號CTS。第四步，終端機 1 收到CTS 才開始傳送資料。第五步，AP 收到資料之後回送一個確認收訊信號ACK，說明自己正常接收到資料。
要經過這樣的順序才能正確傳輸資料，其中第三步的CTS 會發給所有終端機，所以其他終端機會知道終端機1 正在通信中，暫時不送資料。
請看圖2，在第一步之中，如果其他終端機 3 正好在發送電波，但不巧被書架或屏風之類的障礙物擋住，終端機 1 就收不到電波，這種問題稱為隱藏終端機，終端機 1 會在不知情的狀況下發送資料。為了避免這個問題，才會有第二步之後的複雜手續。

 WLAN 使用什麼頻率的電波？

請看圖1，WLAN 所使用的電波頻率幾乎都是2.4GHz頻帶與5GHz 頻帶，目前大多數機種使用的是2.4GHz頻帶。近來5GHz 頻帶產品逐漸增加﹙參考第172 頁﹚，只要降低輸出功率，在日本就不受法規限制。
再看圖2，2.4GHz 頻帶共有2.40~2.497GHz 之間的十四個頻寬， 各20MHz（ 只有ch.14 的頻寬是26MHz），使用者從中挑選無人使用且雜訊較少的頻道來使用。從圖中可知雖然有十四個頻道，但頻率互相重疊，所以同一個時間地點只有二到四個頻道可以使用。
這個2.4GHz 頻帶稱為ISM* 頻帶，之前廣泛用於通信之外的頻率（例如微波爐），所以雜訊較多，俗稱「髒頻帶」；5GHz 頻帶則用於雷達之類，室外用途有部分限制，但是沒有用於ISM 機器，所以頻帶比2.4GHz 乾淨。
WLAN 分到的5GHz 頻帶包括5.15~5.35GHz（室內專用）及5.47~5.725GHz（室外可用）兩個頻寬﹙見圖3﹚。
2.4GHz 可用的頻寬約100MHz，但5GHz 頻帶可用的頻寬多達455MHz，總共可以分為十九個20MHz 的頻寬，而且頻道不像2.4GHz 那樣互相重疊，所有頻道都可以任意使用，因此愈來愈多超高速WLAN 使用5GHz頻帶。尤其最近WLAN 為了達成高超速傳輸，20MHz的頻寬已經不夠用，因而將兩個以上的頻道綁在一起以加大頻寬。所以使用5GHz 頻帶，更方便整合多個頻道。WLAN 準備了多個使用頻道﹙見圖2、圖3 ﹚，但要由母機（AP）決定使用哪個頻道，AP 會定期發射圖1所示的信標（beacon）電波，想使用WLAN的終端機（子機）要先接收信標，信標裡有AP 所使用的頻率與頻道編號，終端機才能配合這些資訊來發送電波。
AP 在通訊之前要監控多個頻道，自動選擇目前閒置的頻道， 這個方法稱為動態頻率選擇（Dynamic Frequency Selection, DFS）。當DFS 在網路使用途中檢測到其他無線發射器正在使用這個頻道，就可以自動轉換其他適當頻道。5GHz 頻帶與雷達之類的儀器共用頻率，為了避免WLAN 干擾雷達，才必須要配備DFS 功
能（見圖3）。

＊ ISM 頻帶：ISM 是Industry（工業）、Science（科學）、Medical（醫療）三個領域的縮寫，ISM 頻帶就是這三個領域所使用的頻帶。

前言

人類組成社會，社會生活除了食衣住行之外，溝通也不可或缺；人類可以使用口與耳或肢體動作來交流意見，但若雙方相隔甚遠，看不見也聽不到，就需要利用其他的溝通工具與方法。
古人用過狼煙（視覺通訊）和鼓聲（聲音通訊）等手段，但它們的傳達距離較短，能傳送的資訊量也不多，其他還有快馬傳書、飛毛腿傳書的方法，不過花費時間較長，能傳遞訊息的距離也有限制。
通信的歷史一路走來，就是在克服時間與距離，並且增加可傳輸的資訊量。
如今人類發明利用電來傳輸資訊的方法，一眨眼就能將訊息傳遞到地球另一端，總算開拓了一條...

前言

第1章 從電話到網際網路
1 各種資訊媒體
2 「位元」是什麼？
3 數位信號如何傳輸？
4 數位信號傳輸速度有多快？
5 高速通信和寬頻通信意思相同？
6 電話和資料通信哪裡不同？
7 網際網路所使用的封包通信是什麼？
8 電話網路與網際網路哪裡不同？
9 封包通信的優點在哪裡？
10 為什麼封包通信延遲時間比較長？
11 沒傳送到的封包怎麼了？
12 電話也能使用封包傳輸？
13 什麼是全力傳送（Best Effort）？
14 網際網路連接小規模網路
15 怎麼用網際網路傳送電子郵件？
16 網路搜尋的架構是什麼？
17 為什麼發生災難的時候，電子郵件比電話更容易取得聯絡？
18 雲端是什麼？
19 網際網路和IP網路哪裡不同？
20 往後電話將轉為IP電話
21 使用網際網路的Skype電話架構
22 加密通信的架構是什麼？
Column 國際漫遊是什麼？

第2章 現在是寬頻通信時代
1 怎樣才算寬頻？
2 為什麼要用光來通信？
3 如何將電氣訊號轉為光？
4 光經過光纖不會外洩嗎？
5 光纖傳輸使用哪種顏色的光？
6 光的分波多工是什麼意思？
7 LAN：辦公室裡的網路
8 MAC位址和IP位址哪裡不同？
9 100BASE-TX代表什麼意思？
10 如何在家中使用寬頻通信
11 ADSL為什麼只有下行比較快？
12 CATV如何連接網際網路？
13 FTTH：光纖到府
14 FTTH三合一是什麼意思？
15 PLC：利用家用電力線的通信方式
Column 智慧型手機的免費通訊APP「LINE」

第3章 不斷進化的手機
1 手機使用電波
2 手機適用怎樣的電波頻率？
3 手機使用哪些電波頻率？
4 何謂白金頻帶？
5 手機如何區分頻道？
6 手機的通信範圍（cell）是什麼？
7 通信範圍大概多大？
8 基地台的天線為什麼有三支？
9 手機的3G、4G代表什麼？
10 PHS和手機哪裡不同？
11 手機與智慧型手機哪裡不同？
12 智慧型手機使用的電波
13 智慧型手機同時具備電話與資料傳輸功能
14 為什麼手機到哪裡都能通？
15 手機與智慧型手機的網路連結
16 手機如何傳送簡訊
17 如何確認目前位置？
18 緊急地震快報如何傳輸？
19 如何實現高速資料傳輸
20 MIMO：使用兩支以上的天線來加快速度
21 3G手機的W-CDMA與CDMA2000有何不同？
22 3.5G手機：HSDPA與HSPA
23 以超高速通信為賣點的3.9G手機LTE
24 4G手機會是什麼樣子？
25 WiMAX與手機有何不同？
Column iPhone 5c/5s與LTE

第4章 WLAN（無線區域網路）的世界無限寬廣
1 何謂WLAN（無線區域網路）
2 WLAN與WiFi意思相同？
3 WLAN如何傳輸信號？
4 WLAN使用什麼頻率的電波？
5 IEEE802.11代表什麼？
6 從IEEE802.11g演變為更快速的11n
7 目前最快的WLAN是什麼？
8 為什麼WLAN比手機更快？
9 最大傳輸速度是什麼意思？
10 智慧型手機和平板電腦為什麼要使用WLAN？
11 行動WiFi路由器與網路分享
12 藍芽的架構

參考文獻
索引

前言

第1章 從電話到網際網路
1 各種資訊媒體
2 「位元」是什麼？
3 數位信號如何傳輸？
4 數位信號傳輸速度有多快？
5 高速通信和寬頻通信意思相同？
6 電話和資料通信哪裡不同？
7 網際網路所使用的封包通信是什麼？
8 電話網路與網際網路哪裡不同？
9 封包通信的優點在哪裡？
10 為什麼封包通信延遲時間比較長？
11 沒傳送到的封包怎麼了？
12 電話也能使用封包傳輸？
13 什麼是全力傳送（Best Effort）？
14 網際網路連接小規模網路
15 怎麼用網際網路傳送電子郵件？
16 網路搜尋的架構是什麼？
17 為什麼發生災難...