本章主要介紹實體層(Physical layer) 之相關資訊，包括：傳輸媒介，資料傳送技術，以及資料編碼技巧。我們將在以下數節中分別介紹三種傳輸媒介，二種資料傳送技術，以及資料編碼的技巧：

雙絞線 (Twisted pair)

同軸電纜線 (Coaxial cable)

光纖 (Fiber-optic)

基頻傳送技術 (Baseband Transmission Technique)

寬頻傳送技術 (Broadband Transmission Technique)

資料編碼技巧 (Encoding Schemes)

　

顧名思義，雙絞線包含有二條絞在一起互相絕緣的導線，如圖2-1(a)所示。導線本身的材料可能為銅線或以銅包裹的鋼線。一條電纜 (cable) 可能含有許多對的雙絞線，如圖2-1(b) 所示。導線要絞在一起的主要目的是減少每對雙絞線之間的電磁波干擾。雙絞線是較便宜的傳輸媒介，不過其有較高的資料傳輸錯誤率 (data error rate) ，大約每傳送 10⁵ 個位元會錯一個位元。使用雙絞線傳送資料的速率大約為 1.5 Mbps。目前的技術可以在短距離內 (100公尺) 將傳送速率提高到 100 Mbps。

(a) 一對雙絞線

(b) 雙絞線電纜

圖2-1 雙絞線

雙絞線又可分為「遮蔽式雙絞線」(Shielded Twisted Pair, 簡稱 STP) 及「無遮蔽式雙絞線」(Unshielded Twisted Pair, 簡稱 UTP)。

同軸電纜包含內外二層導體，中間則為絕緣的材料，如圖2-2 所示。區域網路使用的同軸電纜主要有二種規格：

50 歐姆電纜

75 歐姆電纜

50 歐姆電纜用來傳送基頻數位訊號 (Baseband digital signaling)。資料傳送的速率大約為 10 Mbps，採用「曼徹斯特」 (Manchester) 編碼方式。在這種速率之下資料大約可傳送數公里遠。每一段電纜約可接上100 部電腦。

75 歐姆電纜也就是大家熟悉的有線電視電纜 (Community Antenna Tele-vision，簡稱 CATV) 所採用的電纜。通常利用「頻率分割多工技術」來傳送寬頻類比訊號 (Broadband Analog Signaling with Frequency Division Multiplexing)。其頻寬約為 300 到 400 MHz。在有線電視的環境下，每一個頻個使用 6MHz 頻寬。如果用來傳送資料則每一個頻道最多可有 20 Mbps 的傳送速率。75歐姆電纜也可以只使用單頻道 (single-channel) 寬頻方式來傳送高速率的數位或類比訊號，此時沒有採用頻率分割多工技術。傳送數位訊號的速率大約可達 50 Mbps。而傳送類比訊號在採用 Phase Shift Keying (PSK) 方式之下也可達 50 Mbps。75歐姆電纜可以連接較多的電腦設備（可達數仟部電腦，和資料傳送速率有關，訊號也可傳遞較遠（可達數十公里，也和資料傳送速率有關）。

(a) 同軸電纜

(b) 同軸電纜剖面圖

圖2-2 同軸電纜結構

光纖的基本結構包含有一條光纖以及絕緣保護等材料，如圖2-3 所示。光纖所傳遞的是光的訊號而不再是電的訊號，因此光纖傳送資料必須有光源。常用的光源有二種：發光二極體 (Light Emitting Diode，簡稱 LED)以及雷射二極體 (Laser diode)。光在光纖內是以不斷反射的方式由一端傳遞到另一端，如圖2-4 所示。由於光纖本身的反射率(refractive index)大於光纖外圍材料的反射率，因此射入光纖的光線必須以一定的入射角進入才能在光纖中傳遞。圖2-4 所示光纖可接受的入射角度為 2θ，其中光線 A 及 B 都在接受角度內，因此可在光纖中傳遞。而光線 C 則因為入射角過大，在進入光纖內碰到外圍材料後便折射出光纖無法在光纖中傳遞。

圖2-3 光纖結構

圖2-4 光線在光纖中傳遞

一條光纖纜線通常包含許多條光纖，如圖2-5(a) 所示。為了使光纖纜線具有更佳的彎曲度以符合實際舖設的需要，纜線中央會特別加入具有強彎曲度的材料，其剖面圖如圖2-5(b) 所示。

(a) 光纖纜線

(b) 光纖纜線剖面圖

圖2-5 光纖纜線結構

電子系統使用光纖來傳輸資料必須有光電轉換器，其結構如圖2-6 所示。「傳送器」(transmitter) 根據輸入的類比或數位訊號產生適當的光波傳入光纖中，而「接收器」(receiver)則將光波轉換成類比或數位訊號。光纖傳遞的是光波，因此沒有電磁波干擾的問題。在長距離的傳送中其衰減也較少，通常資料可傳送 6 到 8 公里而不需要訊號增益器。光纖的頻寬可達到數個 GHz，可大量而且高速率的傳送資料。除此之外，光纖本身體積小、重量輕也是其優點。一條光纖連接二個元件，因此較適合點對點的傳送方式而不適合用於廣播式傳送。由於光纖製造成本較高而且尚未被大量的使用，因此在價位上仍然偏高。

圖2-6 光纖傳輸系統

由於各種傳輸媒介各有其優點及缺點，因此在使用的選擇上有許多因素要考慮：

網路架構。匯流排架構或樹狀架構採用廣播式傳送，而環狀架構則採用點對點式傳送。因此光纖較不適用於匯流排或樹狀架構。

資料傳輸量。不同領域的應用會有不同的資料量，因此應該選擇具有足夠傳輸容量的媒介。

可靠度的需求。不同領域的應用也會有不同可靠度的要求，如軍事上重要文件資料或銀行商業資料都希望資料在傳送的過程中發生錯誤的機率越小越好。針對不同的可靠度要求可選擇適當的傳輸媒介。

網路舖設環境。這包括考慮網路的長度，訊號干擾的嚴重性等等因素。

表 2-1 所列的是不同的傳輸媒介用在環狀架構網路的情形。其中訊號增益器 (repeater) 是指電腦的介面板。因為環狀網路採用點對點傳送方式，因此每一片介面板在收到訊號之後可以將訊號重新還原然後將放大後的訊號按順序傳送給另外一段媒介，其具有訊號增益器的功能。例如無遮蔽式雙絞線(UTP) 的資料傳輸速率為 4 Mbps，但是每段的長度最多為 100 公尺，最多可使用 72段（連接 72 部電腦）。至於光纖的資料傳輸速率可達 100 Mbps，每段光纖可長達 2 公里，最多可連接 240 部電腦。網路的總長度幾乎將近 500 公里。

表 2-1 環狀架構網路使用之傳輸媒介

表 2-2 所列的則是不同的傳輸媒介用在匯流排或樹狀架構網路的情形。其中雙絞線的資料傳輸速率為 1-2 Mbps，距離小於 2 公里，而且每一段最多只能連接 10 部電腦。基頻同軸電纜的資料傳輸速率有 10 Mbps，在某些條件之下可高達 50 Mbps。寬頻同軸電纜的資料傳輸速率則高達 500Mbps，而每一頻道則可有 20 Mbps。至於光纖則因為不適用於廣播式傳送，其資料傳輸速率只有10 Mbps，且距離僅能達 1 公里，可連接的電腦個數也只有 10 部左右。

表 2-2 匯流排/樹狀架構網路使用之傳輸媒介

基頻傳送技術是將訊號以原來的形式傳送。因此在區域網路中，基頻傳送技術也意味著數位訊號傳送，其只有一個頻道。最典型的例子是 50 歐姆基頻同軸電纜，如圖2-7 所示，其主要特性為：

資料傳送採用曼徹斯特編碼，維持原來訊號之波形。

每一段同軸電纜最長為 500 公尺。

同軸電纜兩端各有一個電阻為 50 歐姆的「終端器」(terminator)。

任何二個連接栓 (tap) 之間的距離為 2.5 公尺的倍數（為了保證二個相鄰的連接栓間沒有訊號的反射現象）。

每一段同軸電纜最多可有 100 個連接栓。

圖2-7 50 歐姆基頻同軸電纜特性

寬頻傳送技術將75歐姆寬頻同軸電纜的 300MHz 頻寬分割成許多頻道。每一個頻道都可以根據其頻寬傳送適當的資料, 如圖2-8 所示。訊號在傳送之前必須先經過「調變」(Modulation) 的處理，而在收到之後做「解調」 (Demodulation) 的處理。也就是說，寬頻傳送技術採用類比訊號傳送。為了使電腦的數位訊號能夠在頻道上傳送，其應該有數據機 (MODEM) 的介面。

圖2-8 寬頻傳送技術之頻道分割

由於訊號在每一個頻道為單向傳送，因此寬頻傳輸系統有二種不同的結構：

單電纜系統

雙電纜系統

單電纜系統只有一條同軸電纜，因此必須將 300MHz 的頻寬切成二半，如圖2-9 所示其中 10-110 MHz 用來傳送資料（稱為傳送頻道），175-310 MHz 用來接收資料（稱為接收頻道），而中間的頻帶則做為緩衝隔離之用。在電纜的一端有一個頻率轉換設備 (Central Retransmission Facility，簡稱 CRF)，其負責將傳送頻道的訊號轉換到接收頻道。CRF 包含有訊號放大器、濾波器、以及訊號調變器等。在傳送資料時，電腦必須先將訊號送上傳送頻道，在經過 CRF 的轉換之後，其他電腦才可以在接收頻道接收訊號。因此任何二個電腦之間的通訊都必須先經過 CRF 而不能直接通訊。

圖2-9 單電纜寬頻系統

雙電纜系統則有二條電纜，這二條電纜用一個被動式的連接器連結起來。整個 300 MHz 的頻寬都可以用來傳送及接收訊號，其中一條電纜用來傳送資料而另一條則負責接收資料，因此沒有 CRF，如圖2-10 所示。雙電纜系統由於有二倍的電纜線及連接栓，因此其成本較高。

圖2-10 雙電纜寬頻系統

基頻傳送技術與寬頻傳送技術的優缺點比較可以用表 2-3 來說明。

表 2-3 基頻技術與寬頻技術的優缺點比較表

資料編碼 (Encoding) 是指如何在傳輸線上表示所欲傳送的二進位資料。簡單的說，何種訊號代表 "1"，何種訊號又代表 "0"。例如在某些電報系統中，傳輸線上出現一個「脈衝」(Pulse) 代表一個位元的 "1"，沒有出現脈衝則代表一個 "0"，如圖2-11 所示。

圖2-11

區域網路由於傳送的速度較快而且資料較長，因此需要較複雜的編碼技巧。最常用的二種是「曼徹斯特」(Manchester)編碼以及「差動式曼徹斯特」(Differential Manchester) 編碼。為了方便說明與比較，以下我們介紹四種較常見的編碼技巧：

RS-232-C編碼

Zero-complemented 差動式編碼

曼徹斯特編碼 (Manchester Encoding)

差動式曼徹斯特編碼 (Differential Manchester Encoding)

　

在較傳統的通訊線路上做低速資料傳送的技巧中最常用的是稱為 RS-232-C 的標準。RS-232-C 是由電子工業協會 (Electronics Industry Association，簡稱 EIA)，在 1969 年所發佈的。在 RS-232-C 的傳輸線上資料是以一個位元組 (byte) 為單位。每個位元組可有 5、6、7 或 8 個位元。傳輸線一個位元時間 (bit time) 的負電壓就代表 "1"，一個位元時間的正電壓就代表 "0"，如圖2-12 所示。

圖2-12 RS-232-C 編碼範例

許多具有較高效率的通訊協定，例如 IBM 的 Synchronous Data Link Control (SDLC)，常常使用一個較複雜的編碼技巧，即 Zero-complemented 差動式編碼。在此技巧中，一個位元時間內只要有電位的轉換，無論是正電位到負電位或負電位到正電位，都代表 "0" （因此稱為 Zero-complemented) 。而一個位元時間內無電位的轉換則代表 "1" ，如圖2-13 所示。

圖2-13 Zero-Complemented 差動式編碼範例

曼徹斯特編碼 (Manchester Encoding) 是許多區域網路採用的編碼技巧。其主要特性是無論資料是 0 或 1，在每一個位元時間的中央都有電位的轉換。由正電位到負電位代表 "0"，而由負電位到正電位則代表 "1"，如圖2-14 所示。

圖2-14 曼徹斯特編碼範例

此特性的主要目的是讓資料傳送端與接收端在資料傳送及接收時達到同步(synchronization) 的效果。由於區域網路上所傳送的資料較長（如IEEE 802.3 CSMA/CD 網路每一筆資料可長達 1518 位元組，IEEE 802.4 Token-bus 網路每一筆資料可長達 8191 位元組等等），當資料內容出現一長串相同的值時（如一連串的 "1" 或一連串的 "0"）常會造成接收端在接收資料的錯誤。假設資料編碼技巧為 Zero-complemented 差動式編碼，則對於一長串連續為 "1" 的資料來說，傳輸線上會出現好一陣子沒有變化的電位，其時間 t＝位元時間×位元個數。在接收端方面，通常使用自己的時序 (clock) 到傳輸線上以取樣 (sampling) 的方式讀取資炓，如圖2-15 所示。

圖2-15 接收端讀取資料時間

在傳送速率與接收速率完全相同時，接收端的取樣動作便不會發生問題。如果有一點差異，則容易造成在取樣時的時間差（或稱相位差），這種時間差會在每個位元時間中慢慢累積，最後可能導致取樣時發生錯誤。也就是說，如果傳輸線上無論其值為何而能一直有電位變化的話則可以給接收端一個參考的取樣時間，使其能達到「同步」取樣的功效。當傳輸速率越快時，每一個位元時間便越短，例如傳輸速率為 10 Mbps，則每一個位元時間為

1/10×10⁶ ＝ 10^-7 s ＝ 100ns。

IEEE 802.3 CSMA/CD 網路便採用了曼徹斯特編碼技術。

差動式曼徹斯特編碼 (Differential Manchester Encoding) 技巧的主要特色和曼徹斯特編碼相同。在每一個位元時間中間都有電位的轉換。不同的是，在差動式曼徹斯特編碼中，除了位元時間中間的電位轉換外，在位元時間一開始時也有電位轉換則代表 "0"，否則代表"1"。換句話說，如果資料值是"0" 則在位元時間的開始及中間都有電位的轉換。如果資料值是 "1" 則只在位元時間的中間有電位的轉換，如圖2-16 所示。由於資料值無論是 "0" 或 "1"，在位元時間的中間都有電位的轉換，因此整個位元時間沒有電位轉換的部份便可以拿來當控制碼使用，例如代表一筆資料的開始或結束等。

圖2-16 差動式曼徹斯特編碼範例

IEEE 802.4 Token-bus 網路及 IEEE 802.5 Token-ring 網路皆使用了差動式曼徹斯特編碼技巧。

習題

2.1 為什麼光纖較不適用於匯流排或樹狀架構 ?

2.2 基頻 (Baseband) 傳送技術的特性為何 ?

2.3 寬頻 (Broadband) 傳送技術的特性為何 ?

2.4 寬頻傳輸系統可有單電纜及雙電纜的結構。請說明每一種結構的運作原理。

2.5 何謂曼徹斯特編碼 (Manchester Encoding) ? 下列資料的曼徹斯特編碼為何? 假設原來訊號在高電位。

(a)10100110

(b)10011111

2.6 何謂差動式曼徹斯特編碼 (Differential Manchester Encoding) ? 下列資料的差動式曼徹斯特編碼為何 ? 假設原來訊號在高電位。

(a)10001000

(b)11110000

2.7 何謂 Zero-complemented 編碼 ? 下列資料的 Zero-complemented 編碼為何 ? 假設原來訊號在高電位。

(a)10101100

(b)10000111

2.8 為什麼 RS-232-C 編碼技巧及 Zero-complemented 編碼技巧不適用於區域網路環境 ?

2.9 何謂同步 (synchronization) 問題 ? 為什麼曼徹斯特編碼及差動式曼徹斯特編碼可以解決同步問題 ?