頻寬(Bandwidth)是什麼?對通訊有什麼影響?

作者:Hightech   |   2018 / 11 / 06

文章來源:知識力   |   圖片來源:Koko


在電磁波通訊中我們經常聽到「頻寬(Bandwidth)」一詞,一般常用的解釋是:頻寬就好像高速公路,頻寬愈寬就好像高速公路愈寛(車道愈多),代表行車速度愈快,也就是通訊時資料傳輸率愈高,這樣的觀念是對的,但是這種解釋是不科學的,以下我們說明在「科學上」如何定義頻寬。

頻寬的定義

頻寬的定義為「可以傳遞訊號的頻率範圍」,單位與頻率相同為「赫茲(Hz)」。我們以下面兩個觀念來說明頻寬的意義,請大家注意,通訊一定有「傳送端」與「接收端」,所以一定是成對的,我們總不會用手機一個人自言自語吧!

➤每一對通訊使用者必須使用一個「頻率範圍」來通話:通訊時不能只使用一個「頻率」,必須使用一個「頻率範圍」,這個頻率範圍稱為「頻寬(Bandwidth)」。我們說話不可能只有一種頻率,而會有高音(高頻)與低音(低頻)的變化,因此我們說話其實是發出某一個頻率範圍(頻寬)的聲音(聲波)。同理,當我們以高頻電磁波來傳送語音訊號時,也必須使用某一個頻率範圍(頻寬)才行。

➤不同對的通訊使用者必須使用「不同的頻率範圍」來通話:假設甲和乙使用頻率 900~901MHz 的電磁波通話,則丙和丁使用頻率 901~902MHz 的電磁波通話。手機並不會分辨到底是誰和誰在通話,而是接收「某一個頻率範圍」,因此甲與乙的手機接收頻率 900~901MHz 的電磁波,而丙與丁的手機接收頻率 901~902MHz 的電磁波,換句話說,所有的通訊元件都是「只認頻率不認人」。如果甲的手機可以同時接收頻率 900~901MHz 與 901~902MHz 的電磁波,則他會同時聽到乙、丙、丁三個人的聲音。

第二代行動電話(GSM900)的頻寬

第二代行動電話 GSM900 系統使用數位訊號,頻譜分佈如<圖一>所示,總頻寬為 70MHz(890~960MHz),由於手機可以同時上傳(說)與下載(聽),因此必須將頻寬再切割成上傳 890~915MHz 與下載 935~960MHz 兩個部分:

➤上傳頻帶(Uplink):使用 890~915MHz 由手機傳送電磁波到基地台(說),其中每個語音通道的頻寬為0.2MHz(200KHz),頻道與頻道之間保留 1.6KHz 做為保護帶,總共分為 124 個語音通道,同時可以提供 124 個人使用(說)。

➤下載頻帶(Downlink):使用 935~960MHz 由基地台傳送電磁波到手機(聽),其中每個語音通道的頻寬為0.2MHz(200KHz),頻道與頻道之間保留 1.6KHz 做為保護帶,總共分為 124 個語音通道,同時可以提供 124 個人使用(聽)。

圖一、第二代行動電話GSM900系統的電磁波頻譜

當我們使用手機通話,必須同時佔用一個上傳語音通道與一個下載語音通道,每個語音通道的頻寬愈寬,則音質愈好,但是總通道數目愈少,代表愈少人可以同時使用;相反地,每個語音通道的頻寬愈窄,音質愈差,但是總通道數目愈多,代表愈多人可以同時使用,魚與熊掌不可兼得,目前 GSM 系統使用 0.2MHz(200KHz)的語音通道,音質和傳統的收音機(AM 或 FM)差不多,尚可接受。

有沒有人覺得好奇,前面的介紹看起來 GSM900 系統「同時」可以提供 124 個人使用(說與聽),但是如果超過 124 個人想打電話怎麼辦呢?你(妳)會聽到系統說:現在線路都在使用中,請您稍後再播。代表沒有多的語音通道可以使用,那麼 124 個語音通訊會不會太少了一點?隨便也會有超過 124 個人同時想打電話呀!怎麼辦呢?繼續看下去吧!

【注意】
➤全雙工(Full-duplex):讓使用者同時可以上傳與下載(說與聽)。
➤分頻雙工(FDD):使用不同的頻率範圍(頻寬)來上傳與下載(說與聽)。
➤分頻多工接取(FDMA):利用不同的頻率範圍(頻寬)給不同的使用者同時使用。有線電視的頻寬

早期有線電視為類比訊號,大部分的頻寬用來傳送類比有線電視頻道,頻譜分佈如<圖二>所示,總頻寬大約 750MHz,可以分為下列三個部分:

➤上傳頻帶(10MHz~42MHz):總頻寬為 32MHz(42MHz~10MHz)保留將訊號由用戶端上傳到電視台使用,但是這個頻率範圍的電磁波容易受到業餘無線電廣播的干擾而產生雜訊,因此使用上限制較多。

➤類比有線電視頻帶(54MHz~630MHz):總頻寬為 576MHz(630MHz~54MHz),用來傳送類比有線電視訊號,每個電視頻道的頻寬為 6MHz,頻道與頻道之間保留 0.2MHz 做為「保護帶(Guard band)」,以避免不同的頻道之間互相干擾,總共有 92 個頻道。例如:頻率 54~60MHz 傳送 HBO、頻率 60.2~66.2MHz 傳送 CNN 等,依此類推,當我們在電視機前面用搖控器選台,其實就是改變電視的接收頻率範圍而已,當電視接收 54~60MHz 的電磁波,則畫面就播放 HBO 的電影;當電視接收 60.2~66.2MHz 的電磁波,則畫面就播放 CNN 的新聞。

➤數位頻帶(630MHz~750MHz):總頻寬為 120MHz(750MHz-630MHz),用來傳送數位電視、纜線數據機(Cable modem)、互動加值電視等數位訊號,這個頻率範圍的電磁波是最穩定的。

圖二、有線電視的電磁波頻譜

其中類比有線電視每個頻道的頻寬愈寬畫質愈好,但是總頻道數目愈少(電視台數目愈少);相反地,每個電視台的頻寬愈窄畫質愈差,但是總頻道數目愈多(電視台數目愈多),魚與熊掌不可兼得,因此最後決定使用 6MHz 的頻寬,大約可以傳送 1 個解析度為 VGA(640×480)的類比影像,看起來畫質不好,而且類比訊號容易受到干擾,畫面看起來常常閃爍像在下雨一樣,實在很不舒服。此外,早期有線電視為類比訊號,大部分的頻寬用來傳送類比有線電視頻道,只有 630~750MHz 的頻寬用來傳送數位電視與纜線數據機。

隨著技術的發展未來有線電視全面數位化是必然的趨勢,由於原有的類比有線電視台仍在播送,因此只能慢慢將頻道收回來改為數位有線電視使用,此外,最新的技術可以使用同軸電纜傳送最高 860MHz,甚至 1GHz 的電磁波來增加頻寬,但是要再提高頻率則有困難,因為同軸電纜適合用來傳送 MHz 的電磁波,如果是 GHz 的電磁波必須改用波導做為介質才合適。

【實例】類比電視與數位電視
➤類比電視:早期有線電視為類比訊號,大部分的頻寬用來傳送類比有線電視頻道,由<圖一>的例子可以看出,類比有線電視每個頻道的頻寬為 6MHz,這樣的頻寬大約可以傳送 1 個解析度為 VGA(640×480)的類比影像,總頻寬有576MHz(54~630MHz)只能傳送 92 個解析度為 VGA(640×480)的類比影像。

➤數位電視:目前有線電視慢慢改為數位訊號,由<圖一>的例子可以看出,如果改用數位調變技術(256QAM)則 6MHz 的頻寬最多可以傳送大約 20 個解析度為 VGA(640×480)的數位影像,等於將頻寬增加 20 倍,總頻寬只有 55MHz(630~685MHz)就可以傳送大約 180 個解析度為 VGA 的數位影像,數位訊號真的比較厲害吧!到底是為什麼呢?我們將在後面詳細討論。

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