通信三本柱：通信模型大解密👆｜通信大解密📱｜第四部 通信的技術

首先，我們來講最基本的通信模型，想像一下，今天如果你和朋友在咖啡廳聊天，參與這場聊天過程的有誰？你說話，你是傳輸端（transmitter），朋友聽你說話，他是接收端（receiver），還有嗎？答案是有的，你朋友會聽到來自隔壁桌的情侶聊天，聽到咖啡廳的背景音樂，整個環境也參與通信過程，我們將這個整體環境統稱為通道（channel），基本的通信模型就是由 #傳輸端、#接收端、以及 #通道 組成。
第一位登場的是傳輸端，它負責想辦法快速、有品質地傳輸資料。前面我們提過，通信的資料基本單位是位元，就是0或1的二進位數字。但傳輸端要怎麼把0或1這個數字傳出去呢？可以想成手電筒，手電筒亮是1，不亮是0。利用「傳」跟「不傳」來表示位元1跟0，是一種「 #調變技術」。大家覺得，還有什麼調變的方式呢？數學上，我們最喜歡說「一般化」，就是舉一反三的推廣。傳或不傳，可以進一步推廣成「震幅零或一」。震幅是波形起伏的大小。或大家可以想具體一點，像是健身的戰繩，甩越大力，震幅越大，甩越小力，震幅越小。如果把傳與不傳想成震幅0或1，大家很容易想到，那可不可以有震幅0.1、0.2，0.3？或傳統手電筒不只有亮或不亮，但這會有甚麼好處呢？好處可大！比方說，傳與不傳相當於震幅分成兩個等級，所以能傳0跟1兩種位元。如果能分出四種不同等級的震幅，每種震幅就能對應到2個位元，00、01、10、11。這邊的數學意義是，如果能把震幅分成2的N次方種大小，就可以傳出N個位元，傳輸速率是陽春版本的N倍。傳輸速率N倍提升是很驚人的一件事，我們提過傳輸速率跟頻寬有關，或是跟天線數量有關係，頻寬變兩倍，傳輸速率變兩倍。但頻寬有限又很貴，所以這種加速代價很高。天線數量變4倍，傳輸速率只會提升接近4倍，但對應的信號處理會變得很複雜，接收端功率消耗很快，一下就沒電了。傳輸端只要把震幅分割得細一點，傳輸速率能直接增加，看起來超棒……但真的嗎？有沒有付出其他成本？答案是傳輸品質。如果只有傳或不傳，接收端很容易分辨。今天震幅在0到1之間，切割成1024個等級，雖然可傳10位元。但1/1024跟2/1024震幅超級接近，接收端很容易搞混判斷錯誤，導致傳輸品質變差。所以，透過調變傳越多位元，傳遞出去的信號，彼此間會長得越像，越容易發生傳輸錯誤。傳輸錯誤某種程度上，不僅跟你每次想傳幾個位元有關，也跟「通道品質」有關。
第二位主角，通道。某種程度上，通道在系統裡扮演壞人的角色，它會對信號帶來各式各樣傷害。這邊要強調，很多人開始學通信時，以為通道只代表電磁波在空氣中傳遞的這一段。不只這樣，電路、硬體本身還有一些非理想效應。比方，傳輸信號時，理想上接收端會跟傳輸端同步，知道甚麼時候信號會傳過來，開始收信號，將信號恢復成傳輸端送出來的樣貌，現實是接收端有時候會提早一點開始收信號，或是慢一拍開始收信號，等到信號收集後才發現「啊，時間沒對齊」，這現象叫做 #時間飄移（timing offset）。開始研究通信系統後，會發現有各式各樣的原本以為是怎樣，現實狀況是「非理想效應」。通道效應常見的問題是雜訊(noise)。雜訊有很多不同成因，各種成因跟各種雜訊加總起來，變成隨機干擾。大家可以想像，餐廳裡其他人的聲音集合起來形成的信號。通常雜訊會比信號小，但有時候也會遇到那種雜訊超大，像小巨蛋演唱會一樣的狀況。想想看，那個時候會怎麼辦？我們講話會自動放大音量，讓我們想講的話蓋過演唱會的歌聲。雖然對旁邊的聽眾來說我們的聲音是雜訊，歌手的聲音才是信號。這個比喻讓我們看到，與其關注雜訊的強度，更重視信號與雜訊的能量比，專業術語的說法是 #信號雜訊比（signal-to-noise ratio, SNR）或信噪比。通常傳輸端根據目前通道雜訊狀況，調整傳輸功率，如果通道品質很好，傳輸功率就會低一些，反之傳輸功率會高一些。
最後，介紹第三位主角，接收端。前面我們說通道是反派腳色，製造各種問題。那接收端就是「問題解決者」，必須把通道造成的問題一一解決。舉例，如果傳輸端用沒傳表示0，傳電磁波強度9表示1，理論上接收端很好判斷。可是如果通道雜訊讓信號變得髒髒的。雜訊會以相加的效果去影響接收信號，這個我們稱之為 #加成性高斯白雜訊（additive white Gaussian noise, AWGN)，接收端收到的可能是2，有一點雜訊的能量被收到了，接收端判斷，數線上2距離0比較近，距離9比較遠，所以傳輸端沒傳東西，2是雜訊；但如果今天接收端收到的是4，那就有一點尷尬，理論上還是距離0比較近，但也不能排除，有可能雜訊是強度-5的反向信號。如果今天把強度0到9分成四段，0、3、6、9。傳輸端傳這四種強度的振幅，分別對應代表00、01、10、11。今天接收端收到1.6，到底是可能性A：傳輸端傳0，雜訊1.6。可能性B：傳輸端傳3，雜訊-1.4呢？答案是AB都有可能，只是發生的機率不一樣。雜訊是常態分佈，強度越小，越有可能發生，B的雜訊絕對值只有1.4，比1.6小，就還是比較可能發生，我們判斷傳3。上面的思考過程，也可以想成0、3、6、9這四個數字點在數線上，標出兩兩間的中點。接收端就是根據這些中點，劃分出好幾個區域。只要接收信號落在那個區域裡，解出來的就是那個區域對應的傳輸信號。比方說只要是小於1.5的，就一律判斷為0，在1.5到4.5之間，一律判斷為3。這個技術稱為quantization或是slicing，要接收的無限種可能，重新拉回有限的幾種傳輸信號。從這邊大家可以看到前面說的，傳輸端如果想一次傳越多位元，把震幅切越細，會讓接收端越困擾，越容易收錯信號的原因。如果切越細，每個傳輸信號對應的判斷範圍就很小，很容易因為一點點雜訊就跑到別人的守備範圍去。到這邊，我們只講了接收端處理雜訊這件事。前面還有很多各式各樣的漂移都還沒講。大家就能想像接收端會有多複雜了。
#通信大解密 #生活中的通信 #通信三本柱 #傳輸端#接收端 #通道 #調變技術 #時間飄移 #信號雜訊比 #加成性高斯白雜訊

[@yin-chengli8189]

很開心可以在這裡看到自己的研究領域，身為研究SerDes的學生，很佩服老師能夠以一個淺顯易懂的方式傳播通信技術的概念，這部分講著講著真的很容易直接穿插學術名詞表達背後意思(感覺老師也快攔不住了XD，開啟講課模式)。而我最喜歡PAM4那段，簡要的說明了雜訊是如何干擾訊號震幅位準，進而影響接收機的判斷，接收機為了處理訊號與時脈恢復在設計上就吃足了苦頭，何況現在的data rate上升，各電路模組設計挑戰更高。

[@lanruosi999]

對非本科的蠻有幫助的，謝謝。