數字通訊教程
數字通訊是由兩個不同的詞組合而成，即數字和通訊。這裡，“數字”指的是電子訊號或資訊訊號的離散時間版本表示，而“通訊”指的是兩個或多個裝置/實體之間交換資訊的過程。因此，“數字通訊”指的是以數字方式交換資訊的過程。
本數字通訊教程旨在幫助通訊工程領域的學生和專業人士。它涵蓋了所有提供關於訊號如何數字化、通訊以及通訊中為何需要數字化的概念。
完成本教程後，我們希望讀者能夠理解數字通訊中涉及的概念細節。
什麼是通訊？
通訊定義為透過特定介質（如電線或無線電波）在兩個或多個裝置之間交換資料和資訊的過程。良好的資訊通訊的特點是引數如高精度、減少噪聲和低訊號損耗。
在有效的通訊中，接收到的訊號與傳送的訊號保持一致，並傳達準確的資訊。在現代，通訊是一個雙向過程，允許雙向共享資訊。
典型的通訊具有以下三個主要組成部分：
- 傳送器 - 它是編碼和傳送資訊的裝置。
- 接收器 - 它是用於接收和解碼資訊的接收端裝置。
- 通訊介質 - 它可以是傳輸資訊從傳送器到接收器的電線或無線元件（如無線電波）。
普通通訊的問題
以下是與普通或模擬通訊相關的一些主要問題：
- 訊號失真
- 訊號傳輸延遲
- 對相鄰通訊介質的干擾或來自相鄰通訊介質的干擾
- 效率和準確性較低等。
什麼是數字通訊？
使用數字（離散時間）訊號在不同裝置之間交換資訊的過程稱為數字通訊。換句話說，數字通訊是在裝置之間以數字方式交換資訊。
數字通訊使用離散時間訊號來表示資料和資訊。它是構成網際網路技術和現代電信網路基礎的基石。
數字通訊是如何工作的？
數字通訊涉及以下三個主要工作流程：
- 編碼 - 編碼是將原始資訊訊號（如影像、音訊、影片等）轉換為數字格式的過程。編碼中涉及的關鍵過程稱為取樣。
- 傳輸 - 然後，使用各種通訊通道（如同軸電纜、光纖、無線電波等）傳輸編碼的資訊訊號。
- 解碼 - 在接收端，對訊號進行解碼以檢索原始資訊。解碼中涉及的過程稱為訊號重建。
數字通訊中的重要術語
下面給出數字通訊背景下的一些重要術語及其含義：
模擬到數字
它被定義為將模擬訊號轉換為數字訊號的過程。這涉及到對連續時間訊號進行取樣、量化和編碼以產生離散時間訊號。
脈衝編碼調製 (PCM)
PCM 是一種用於將模擬訊號表示為數字格式的調製技術。在此調製過程中，模擬訊號被取樣並量化為離散值，然後進行編碼以獲得數字訊號。
取樣
取樣 是以規則間隔測量模擬訊號幅度的過程，以獲得用於數字化的離散值序列。對模擬訊號進行取樣的間隔稱為取樣率。
量化
將模擬訊號的取樣值近似到最接近的預定義值以使樣本適合數字編碼的方法稱為量化。
差分脈衝編碼調製
差分脈衝編碼調製 (DPCM) 是一種用於數字通訊訊號編碼的調製技術。它是將模擬訊號轉換為數字訊號的過程。它使用連續樣本之間的差異，而不是絕對樣本值，以降低位元率。
增量調製 (DM)
增量調製 是差分 PCM 的簡化版本。它是一種用於將模擬訊號轉換為數字訊號的訊號編碼過程。在這種技術中，每個樣本只傳輸 1 位。這種調製技術用於語音資訊等質量不是首要考慮因素的地方。
線路碼
線路碼 定義為用於表示透過通訊通道傳輸或寫入儲存裝置的數字資料的訊號模式。
資料編碼技術
資料編碼技術 僅僅是將模擬訊號格式化為適合透過通訊介質傳輸的數字訊號的方法。
脈衝整形
改變傳輸訊號波形特性以對其進行最佳化的過程稱為脈衝整形。它主要用於減少頻寬利用率和最大程度地減少干擾。
數字調製技術
將數字訊息訊號與載波訊號調製以有效地透過通訊介質傳輸的技術稱為數字調製技術。
數字調製技術的示例包括 ASK（幅移鍵控）、FSK（頻移鍵控）、PSK（相移鍵控）和 QAM（正交幅度調製）。
幅移鍵控 (ASK)
ASK 是一種數字調製技術，其中載波訊號的幅度根據數字資料變化。
頻移鍵控 (FSK)
FSK 是另一種數字調製技術，其中載波訊號的頻率與數字資料成比例地變化。
相移鍵控 (PSK)
在PSK中，載波訊號的相位根據數字資料改變。
正交相移鍵控 (QPSK)
QPSK 是調製技術 PSK 的高階版本。它在載波訊號中使用四種可能的相移（0°、90°、180° 或 270°）一次調製 2 位。這種調製技術允許同時傳輸多個數據位。與 PSK 相比，此技術提供雙倍的資料速率。
差分相移鍵控 (DPSK)
它是 PSK 技術的另一個版本。在這種方法中，資訊是透過使用連續樣本的相位差而不是絕對值來編碼的。
在DPSK中，調製訊號的相位相對於前一個訊號元素髮生偏移。
M 進位制編碼
它是一種用於資料傳輸的數字調製技術，其中要一次以單個訊號的形式傳輸一位、兩位或更多位。在M 進位制中，符號 M 表示每個訊號的多個位。這種調製技術減少了通道頻寬並提高了資料傳輸效率。
資訊理論
資訊理論 定義為一個數學框架，用於研究資訊的量化、儲存和通訊。資訊理論的主要目的是在通訊系統中提供資料壓縮、錯誤檢測和效率改進。
信源編碼定理
信源編碼定理 是資訊理論中的一個原理，它定義了其信源是獨立同分布隨機變數的資料的無失真壓縮的統計限制。
通道編碼定理
通道編碼定理 也稱為夏農定理或夏農限。它是資訊理論中的一個原理，它確定了在嘈雜的通訊通道上傳輸離散資料幾乎無錯誤的最大資料速率。
差錯控制編碼
差錯控制編碼 定義為數字通訊中一種控制在嘈雜的通訊通道上傳輸資料時出現的錯誤的技術。
擴頻調製
擴頻調製 是一種在廣泛的頻率範圍內傳輸數字訊號的方法。這種調製技術將訊號擴充套件到比有效傳輸訊號所需的最小頻率範圍更寬的頻率範圍內。此技術用於提高安全性並增強抗干擾能力。
數字通訊的優點
數字通訊的主要優點如下：
- 與傳統的模擬通訊相比，數字通訊更加準確和可靠。
- 數字通訊提供了一種更快的方式來在非常遠的距離上傳遞資訊。
- 數字通訊還提供了簡單的錯誤檢測和糾正方法。
- 數字通訊對噪聲和干擾更具抵抗力。
- 從長遠來看，數字通訊提供了一種廉價的資訊交換方式。
- 數字通訊允許以各種格式傳送資訊，如語音、影片、影像等。
數字通訊的缺點
除了優點之外，數字通訊也存在一些缺點和侷限性，如下所示：
- 數字通訊涉及互連裝置的複雜結構，並消耗更多功率。
- 數字通訊需要更寬的頻寬才能提供高速資料傳輸。
- 由於大量硬體元件和高速資料處理，數字通訊容易出現高功率損耗。
數字通訊的應用
數字通訊被廣泛應用於以數字訊號形式交換資訊。
以下是數字通訊的一些常見應用示例：
- 數字訊號、影像和影片處理
- 資料壓縮
- 語音和音訊訊號處理
- 衛星通訊
- 數字音訊傳輸
- 視訊會議
- 行動電話通訊等。
學習數字通訊的先決條件
本教程面向絕對初學者。但是，對電子原理、訊號與系統基礎知識以及數學基礎的瞭解將有助於您更好地理解教程中解釋的概念。
誰應該學習數字通訊？
本教程是關於數字通訊的初學者友好資源。它專為對數字通訊基礎知識感興趣並渴望獲得與數字通訊系統相關的知識的絕對初學者而設計。
本教程可供本科大學生以及在職工程師作為參考。
數字通訊常見問題
在本節中，我們收集了一組關於數字通訊的常見問題 (FAQ) 及其答案 -
數字通訊不過是一種電子通訊系統，它允許以數字訊號和工具的形式交換資料和資訊。
數字通訊的主要目標是有效地傳輸大量資料和資訊，並跨越長距離，同時減少噪聲和干擾。這種通訊方法旨在提供一種高效、準確和可靠的資訊交換方法。
數字通訊的一些主要風險如下 -
- 未經授權訪問敏感資訊。
- 容易受到網路威脅和隱私問題的侵害。
- 意外訪問敏感資訊。
- 竊取和操縱訊息和資訊。
- 非法活動，如傳送欺詐連結或訊息等。
以下是五個非常流行的數字通訊示例 -
- 即時通訊，如 WhatsApp 或 Messenger。
- 視訊會議和遠端會議，如 Zoom 或 Google Meet。
- 社交媒體互動，如 Facebook、Instagram、Twitter 等。
- 部落格，如釋出線上文章。
- 聊天機器人，如客戶服務機器人或 ChatGPT。
數字通訊的四種主要型別包括 (a) 電子郵件，(b) 社交媒體，(c) 即時通訊和 (d) 視訊會議。電子郵件被認為是最早且最流行的數字通訊工具之一。
數字通訊的三個主要要素如下 -
- 傳送器 - 它是數字訊息的傳送者。
- 傳輸通道 - 它是數字訊息到達目的地的媒介。
- 接收器 - 它是訊息的接收者。
下面列出了一些數字通訊的關鍵特徵 -
- 它提供點對點資料傳輸。
- 它提供跨越長距離的高效資料傳輸。
- 它支援高速和即時的資料傳輸和接收。
- 數字通訊支援即時互動。
- 它允許共享多媒體內容。
安全問題，如資料洩露、駭客攻擊或其他網路威脅，是與數字通訊相關的重大問題。敏感資訊的盜竊是數字通訊的主要負面影響之一。