連接模組
無線通訊的基本知識：無線機制 (1)
索引：無線機制 (1)
5.資料傳輸方向：雙工（全雙工和半雙工）和單工
6.什麼是通訊協定？
專欄：無線通訊的歷史與演進
毫不誇張的說，現代社會是由行動電話、Wi-Fi、收音機、交通 IC 卡、電視廣播等通訊技術所支撐起來的。我們這裡所指的通訊是使用電力的通訊--電信。自 250 多年前發明以來，電信已經歷了各種技術創新。時至今日，它仍在不斷進步，尤其是隨著包括 5G 和 IoT 在內的數位化發展。
因此，電信已經成為我們社會基礎設施的一部分。然而，由於電信的規格和應用範圍廣泛，要掌握電信的整體觀念並不容易。舉例來說，訊號形式（數位與類比）、訊號方向（雙工與單工）、傳輸路徑（有無纜線）等技術層面都有解釋，但全面涵蓋電信相關內容的卻相當罕見。
因此，我們希望在這篇文章中以無線通訊為重點，在介紹我們的通訊相關元件與模組的同時，也提供瞭解無線通訊的基本材料與技術層面。本文主要針對需要無線通訊知識的初學者，以及對通訊本身有興趣的人。希望這篇文章對想要廣泛認識和了解無線通訊知識的人有所幫助。
註： 本文嘗試提供無線通訊的概要說明。因此，我們並未完全解釋某些領域，也完全遺漏了其他領域。我們計劃在未來逐步涵蓋這些領域。
1.什麼是無線通訊？
簡單來說，無線通訊是使用電磁波（無線電波）、磁場和電場的無線電信，而光通訊則是使用光而不使用電線或電纜。在各種無線通訊方式中，使用無線電波的通訊方式可實現公里以上的長距離通訊，並可傳送大量資料（資訊）*1。因此，無線電波被用於大多數的無線通訊系統。在本系列中，我們將主要針對無線電波進行說明。
使用無線電波的無線通訊系統的配置是以空間作為傳輸路徑（或通訊通道），並以無線電波作為信號*1從發射器傳送資料至接收器（圖 1）。
*1: 我們在此將「資料」、「資訊」和「訊號」作如下考量。
資料：代表事實的符號和代碼的集合
資訊：資料：包括聲音、文字和影像等，可被人類解讀並用於判斷事物和採取行動的資料。
信號：訊號：在空間或電纜等傳輸路徑（通訊管道）上隨時間傳輸的資料或資訊。
為了方便起見，我們從此不再區分「資訊」和「資料」。除非另有說明，否則我們使用「資料」的表達方式。
2.無線通訊應用範例
表 1 總結了使用無線電波傳輸資料的無線通訊大致類別，以及各類通訊的典型應用。無線通訊應用於各個領域。無線通訊的應用範圍和種類也非常廣泛。
在此我們應該注意到，近年來無線通訊的發展也超越了這些類別的界限。例如，各國已開始衛星行動通訊服務，將衛星通訊融入行動通訊中（智慧型手機配備與衛星連線的功能）。
無線通訊的類別 | 典型應用 |
|---|---|
行動通訊 | 行動電話 |
航空通訊 | 無線電高度計、空中交通管制雷達 |
衛星通訊 | 衛星廣播、GPS、天氣觀測 |
船舶通訊 | LF 信標、MF/HF/VHF 無線通訊 |
廣播通訊 | AM/FM 無線電廣播（音訊）、電視廣播（視訊） |
固定通訊（微波通訊） | 長途電話呼叫繼電器、電視繼電器 |
無線網路通訊 | Bluetooth®、UWB、Wi-Fi、Wi-MAX、LPWA 等。 |
期限 | 說明 |
|---|---|
全球定位系統 (GPS) | 整個地球的衛星定位系統。 |
低頻 (LF) | 也稱為長波。 |
中頻 (MF) | 也稱為中波。 |
高頻 (HF) | 也稱為短波。 |
甚高頻 (VHF) | 也稱為超短波。 |
微波 | 也稱為超高頻 (SHF)。 |
調幅 (AM) | 一種通訊技術，可 |
頻率調變 (FM) | 一種類似 AM 的音訊通訊技術。 |
3.無線通訊系統的基本配置和要素
無線通訊系統（和有線通訊系統）的基本模型配置如圖 2 所示。我們在表 2 中描述了其組成元素。什麼是無線通訊？"中的圖 1 是此基本模式的更簡化說明。
我們稱透過傳輸路徑傳輸的資料為「訊號」。我們將對這些信號產生負面影響，使我們難以傳送想要傳送給接收者的資料的不必要元件稱為「雜訊」。實際上，雜訊可能同時出現在傳送器和接收器中，然後造成裝置運作的干擾和其他問題。換句話說，我們可以將完全不受這些雜訊影響的通訊系統，稱為理想的通訊系統。
組成元素 | 說明 |
|---|---|
寄件者 | 傳送資料的人 |
資料 | 音訊、文字、靜態影像、視訊等。 |
傳送器 | 將您想要傳送的資訊沿著 |
傳輸路徑（通訊通道） | 訊號從傳送器傳送到接收器的媒介 |
接收器 | 將沿傳輸路徑傳遞的訊號轉換為資料的裝置。 |
收件人 | 接收資料的人 |
4.無線通訊方法：調變與解調
圖 3 顯示描述調變和解調的配置，而調變和解調是無線通訊系統的基本功能。它以圖 2 中通訊系統的基本模型為基礎。
如果嘗試直接以無線電波的方式傳送資料，將無法傳送很遠的距離。基於這個原因和其他原因，無線通訊需要一種稱為 「調變 」的操作，在發射器中將資料轉換成方便的信號，使資料能夠長距離傳輸。另一方面，在接收器中需要進行稱為 「解調 」的操作，將調變後的信號還原為原始資料。
表 3 總結了典型的調變技術和採用範例。一般而言，許多術語並不熟悉。不過，我們希望您能將這些調變技術視為支援我們目前生活方式基礎建設的一部分，例如行動電話、廣播和電視廣播。我們計畫稍後在另一頁面解釋詳細內容。
典型的調變技術 | 領養範例 | |
|---|---|---|
類比 | ||
調幅 (AM) | 電台（中波廣播、 | |
頻率調變 (FM) | 電台（社區廣播） | |
數位 | ||
振幅偏移鍵控 (ASK) | 無線射頻識別 | |
頻移鍵控 (FSK) 調變 | 無線射頻識別 | |
相移鍵控 (PSK) 調變 | 地面數位廣播 | |
幅度相移鍵控 (APSK) 調變 | BS8K 廣播 | |
擴散頻譜 (SS) 調變 | 直接序列 (DS) | 第三代行動電話 |
跳頻 (FH) | 藍牙 | |
啁啾 | LoWaWAN (LPWA) | |
正交振幅調變 (QAM) | 地面數位廣播 | |
超寬頻 (UB) 調變 | 智慧型手機位置偵測 | |
正交頻分多工 (OFDM) 調變 | 地面數位廣播 | |
專欄：無線電波及其頻率
無線電波是一種能量形式，就像運動和熱能一樣。它們也被稱為電磁波。(事實上，光也是電磁波的一種。）在日本的無線電法和國際電信公約所附的無線電規範中，無線電波被定義為頻率在 3,000 GHz 或以下的電磁波。(我們稍後會解釋如何計算頻率）。
這些無線電波是由無線裝置所發出的。然而，要真正將其視覺化並不容易。因此，我們從正弦波交流電流通過金屬等導體棒時所產生的現象來解釋無線電波的發生和傳輸，使其更容易形象化。
圖 4 顯示當時無線電波的傳輸方式。事實上，無線電波是從三維方向延伸出來的。不過，我們在此著重於導體垂直方向時傳播的無線電波，以揭示無線電波是如何傳輸的。電場*2和磁場* 2保持直角（正交）。磁場的變化會產生電場。電場的變化又會產生磁場。重複此過程可讓無線電波以正弦振動的方式傳輸。以下是無線電波的主要特性。
[1] 無線電波是橫波。電場和磁場的振幅（強度）會垂直於傳播方向改變，電場和磁場隨後也會垂直於彼此傳送無線電波。
[2] 無線電波的傳輸速度與光的速度相同。
[3] 無線電波沒有傳輸媒介。(空氣會震動，並以波的形式傳送）。當這些波進入我們的耳朵時，我們就會感受到聲音。此時的空氣稱為傳輸媒介）。
3] 的特性遠離我們的日常感官。儘管如此，人們相信即使在真空（例如外太空）中傳輸的無線電波或電磁波，也會在電場（電力作用的空間）和磁場（磁力作用的空間）振動的同時傳播。
順便一提，我們在本專欄一開始就說明，無線電波是頻率在 3,000 GHz 或以下的電磁波。假設圖 4 中的無線電波長度 (m) 和光速 c (3 × 10)，我們可以使用 f = c/λ 的公式計算出這個頻率 (f) [赫茲]。8 m/s）。電磁波依其頻率和波長可分為多種類型 (圖 5)。
*2: 電場與磁場：電場是指有電力作用的空間。磁場是指磁力作用的空間。圖 6 是一張圖片，以箭頭線表示施加電壓所產生的電場範圍以及磁鐵周圍所產生的磁場範圍。
[進階補充資訊]
在初學者的無線電波解說中，我們常看到一幅無線電波傳輸的圖像，簡單地結合了磁場變化產生電場和電場變化產生磁場的現象（圖 7）。如果您想認真研究無線電波，例如與天線有關的無線電波，重要的不是這樣的圖像，而是圖 4 中用箭頭表示電場和磁場強度的向量--電場向量*3和磁場向量* 3的圖像。(圖 4 中的圖像來自於麥克斯韋方程*4。) 根據這個圖像，例如衛星廣播中使用的無線電波就可以解釋為圓極化無線電波，它以螺旋形狀傳播，而圖 4 中的磁場向量則向左或向右旋轉。
*3: 電場向量和磁場向量：
這兩個向量都是表示順時針旋轉和旋轉速度的向量。(這並不表示這兩個向量都像速度向量一樣，表示物體或其他東西移動的方向。
*4：麥克斯韋方程：這些是與電磁場有關的基本方程式，表達了電和磁之間的所有關係。初學電磁學的庫倫定律也可以從這些方程式中推導出來。
5.資料傳輸方向：雙工（全雙工和半雙工）和單工
5.1 雙工傳輸
5.2 單工傳輸
6.什麼是通訊協定？
專欄：無線通訊的歷史與演進
