111 專技高考高等考試 電子工程技師 通訊系統 考古題詳解

111 年・專技高考・高等考試・電子工程技師
試題代碼 通訊系統

第 一 題

考慮一個隨機程序(random process)x(t)=Acos⁡(2πf0t+Θ)x(t)=A\cos(2\pi f_0t+\Theta),其中 AA 與 Θ\Theta 為獨立(independent)隨機變數(random variable),Θ\Theta 是一個在 [0,2π][0,2\pi] 內均勻分布的隨機相位變數,f0f_0 是一個固定頻率。

(一) 請計算並說明 x(t)x(t) 為何是一個廣義穩態(WSS)的隨機程序。(7 分)

(二) 將 x(t)x(t) 輸入一個線性非時變(LTI)系統,且此系統的脈衝響應(impulse response)為 h(t)h(t),請計算輸出的期望值為何?(3 分)

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核心觀念

本題評量通訊系統與機率隨機程序的基礎核心觀念,主要包含以下三個面向:

  1. 廣義穩態(Wide-Sense Stationary, WSS)隨機程序之定義: 隨機程序 x(t)x(t) 若滿足下列兩項條件,即稱為廣義穩態:
  • 均值函數(Mean function)為常數,與時間 tt 無關: E[x(t)]=μxE[x(t)] = \mu_x
  • 自相關函數(Autocorrelation function)僅與兩觀測時間之時間差 τ=t1−t2\tau = t_1 - t_2 有關,與起始時間無關: Rxx(t1,t2)=E[x(t1)x(t2)]=Rxx(τ)R_{xx}(t_1, t_2) = E[x(t_1)x(t_2)] = R_{xx}(\tau)
  • (輔助條件:平均功率為有限值,即 Rxx(0)=E[x2(t)]<∞R_{xx}(0) = E[x^2(t)] < \infty)
  1. 獨立隨機變數的期望值性質: 若隨機變數 AA 與 Θ\Theta 互相獨立,則對任意函數 g(A)g(A) 與 k(Θ)k(\Theta),其聯合期望值具備可拆解性: E[g(A)k(Θ)]=E[g(A)]E[k(Θ)]E[g(A)k(\Theta)] = E[g(A)] E[k(\Theta)]

  2. 線性非時變系統(LTI System)對 WSS 輸入之響應: 當輸入訊號 x(t)x(t) 通過脈衝響應為 h(t)h(t) 的線性非時變系統時,輸出 y(t)=x(t)∗h(t)y(t) = x(t) * h(t)。其輸出的期望值為: μy=E[y(t)]=μx∫−∞∞h(τ)dτ=μxH(0)\mu_y = E[y(t)] = \mu_x \int_{-\infty}^{\infty} h(\tau) d\tau = \mu_x H(0) 其中 H(0)H(0) 為系統在直流頻率(f=0f=0)處的頻率響應。


解題方法

(一) 計算並說明 x(t)x(t) 為何為廣義穩態(WSS)隨機程序

已知隨機相位 Θ\Theta 在 [0,2π][0, 2\pi] 均勻分布,其機率密度函數(PDF)為: fΘ(θ)={12π,0≤θ≤2π0,其他f_\Theta(\theta) = \begin{cases} \dfrac{1}{2\pi}, & 0 \le \theta \le 2\pi \\ 0, & \text{其他} \end{cases} 且振幅 AA 與相位 Θ\Theta 互相獨立。

步驟 1:計算期望值(均值函數)E[x(t)]E[x(t)]

利用獨立隨機變數期望值的乘積性質: E[x(t)]=E[Acos⁡(2πf0t+Θ)]=E[A]⋅E[cos⁡(2πf0t+Θ)]E[x(t)] = E[A\cos(2\pi f_0 t + \Theta)] = E[A] \cdot E[\cos(2\pi f_0 t + \Theta)]

計算項 E[cos⁡(2πf0t+Θ)]E[\cos(2\pi f_0 t + \Theta)]: E[cos⁡(2πf0t+Θ)]=∫02πcos⁡(2πf0t+θ)⋅12πdθE[\cos(2\pi f_0 t + \Theta)] = \int_{0}^{2\pi} \cos(2\pi f_0 t + \theta) \cdot \frac{1}{2\pi} d\theta =12π[sin⁡(2πf0t+θ)]02π= \frac{1}{2\pi} \Big[ \sin(2\pi f_0 t + \theta) \Big]_0^{2\pi} =12π(sin⁡(2πf0t+2π)−sin⁡(2πf0t))=0= \frac{1}{2\pi} \Big( \sin(2\pi f_0 t + 2\pi) - \sin(2\pi f_0 t) \Big) = 0

因此: E[x(t)]=E[A]⋅0=0E[x(t)] = E[A] \cdot 0 = 0 此期望值為固定常數(等於 0),與時間 tt 無關。


步驟 2:計算自相關函數 Rxx(t+τ,t)R_{xx}(t+\tau, t)

取兩相異時間點 t1=t+τt_1 = t+\tau 與 t2=tt_2 = t: Rxx(t+τ,t)=E[x(t+τ)x(t)]R_{xx}(t+\tau, t) = E[x(t+\tau)x(t)] =E[(Acos⁡(2πf0(t+τ)+Θ))⋅(Acos⁡(2πf0t+Θ))]= E\Big[ \big(A\cos(2\pi f_0(t+\tau) + \Theta)\big) \cdot \big(A\cos(2\pi f_0 t + \Theta)\big) \Big] =E[A2]⋅E[cos⁡(2πf0(t+τ)+Θ)cos⁡(2πf0t+Θ)]= E[A^2] \cdot E\Big[ \cos(2\pi f_0(t+\tau) + \Theta)\cos(2\pi f_0 t + \Theta) \Big]

利用積化和差公式 cos⁡αcos⁡β=12[cos⁡(α−β)+cos⁡(α+β)]\cos \alpha \cos \beta = \dfrac{1}{2} [\cos(\alpha - \beta) + \cos(\alpha + \beta)]:

  • 角度差:(2πf0(t+τ)+Θ)−(2πf0t+Θ)=2πf0τ(2\pi f_0(t+\tau) + \Theta) - (2\pi f_0 t + \Theta) = 2\pi f_0 \tau
  • 角度和:(2πf0(t+τ)+Θ)+(2πf0t+Θ)=4πf0t+2πf0τ+2Θ(2\pi f_0(t+\tau) + \Theta) + (2\pi f_0 t + \Theta) = 4\pi f_0 t + 2\pi f_0 \tau + 2\Theta

因此: cos⁡(2πf0(t+τ)+Θ)cos⁡(2πf0t+Θ)=12cos⁡(2πf0τ)+12cos⁡(4πf0t+2πf0τ+2Θ)\cos(2\pi f_0(t+\tau) + \Theta)\cos(2\pi f_0 t + \Theta) = \frac{1}{2}\cos(2\pi f_0 \tau) + \frac{1}{2}\cos(4\pi f_0 t + 2\pi f_0 \tau + 2\Theta)

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第 二 題

有一類比調變(analog modulation)訊號 x(t)=m(t)c(t)x(t)=m(t)c(t),其中 m(t)m(t) 代表訊息訊號(message signal),c(t)=Accos⁡(2πfct)c(t)=A_c\cos(2\pi f_ct) 代表載波訊號(carrier signal)。

此外,M(f)M(f) 是 m(t)m(t) 之傅立葉轉換(Fourier transform),X(f)X(f) 是 x(t)x(t) 之傅立葉轉換,m^(t)\hat{m}(t) 是 m(t)m(t) 之希爾伯特轉換(Hilbert transform),且 M^(f)=M(f)(−j)sgn⁡(f)\hat{M}(f)=M(f)(-j)\operatorname{sgn}(f) 是 m^(t)\hat{m}(t) 之傅立葉轉換。

(一) 請利用 AcA_c、fcf_c 與 M(f)M(f) 來表示 X(f)X(f)。(4 分)

(二) 如果 s(t)s(t) 之傅立葉轉換為

14Ac[M(f+fc)+M(f−fc)]+14Ac[M(f+fc)sgn⁡(f+fc)−M(f−fc)sgn⁡(f−fc)],\frac{1}{4}A_c\left[M(f+f_c)+M(f-f_c)\right] +\frac{1}{4}A_c\left[M(f+f_c)\operatorname{sgn}(f+f_c)-M(f-f_c)\operatorname{sgn}(f-f_c)\right],

請利用 m(t)m(t) 與 m^(t)\hat{m}(t) 來表示 s(t)s(t),同時請寫出 s(t)s(t) 的調變名稱。(6 分)

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核心觀念

本題評量通訊系統中類比調變的頻域與時域轉換能力,主要涵蓋以下核心觀念:

  1. 雙旁波帶抑制載波調變(DSB-SC)與頻移性質: 訊號乘上載波 cos⁡(2πfct)\cos(2\pi f_c t) 在時域為乘積,在頻域對應頻譜的線性位移與強度減半: F{m(t)cos⁡(2πfct)}=12[M(f−fc)+M(f+fc)]\mathcal{F}\{m(t)\cos(2\pi f_c t)\} = \frac{1}{2}\left[M(f-f_c) + M(f+f_c)\right]
  2. 希爾伯特轉換(Hilbert Transform)的頻域關係: 理想 90∘90^\circ 移相器在頻域的轉換函數為 H(f)=−jsgn⁡(f)H(f) = -j\operatorname{sgn}(f)。因此: M^(f)=−jsgn⁡(f)M(f)  ⟺  M(f)sgn⁡(f)=jM^(f)\hat{M}(f) = -j\operatorname{sgn}(f)M(f) \iff M(f)\operatorname{sgn}(f) = j\hat{M}(f)
  3. 單旁波帶調變(SSB Modulation)之時域表示式: 單旁波帶訊號的標準時域通式為: sSSB(t)=Acm(t)cos⁡(2πfct)∓Acm^(t)sin⁡(2πfct)s_{\text{SSB}}(t) = A_c m(t)\cos(2\pi f_c t) \mp A_c \hat{m}(t)\sin(2\pi f_c t) 其中減號(−-)對應上旁波帶(USSB),加號(++)對應下旁波帶(LSSB)。

解題方法

(一) 推導 X(f)X(f)

已知訊號為 x(t)=m(t)c(t)=Acm(t)cos⁡(2πfct)x(t) = m(t)c(t) = A_c m(t)\cos(2\pi f_c t)。

利用歐拉公式(Euler's formula)將載波展開為複數指數函數: c(t)=Accos⁡(2πfct)=Ac2(ej2πfct+e−j2πfct)c(t) = A_c\cos(2\pi f_c t) = \frac{A_c}{2}\left(e^{j2\pi f_c t} + e^{-j2\pi f_c t}\right)

則時域乘積為: x(t)=Ac2m(t)ej2πfct+Ac2m(t)e−j2πfctx(t) = \frac{A_c}{2}m(t)e^{j2\pi f_c t} + \frac{A_c}{2}m(t)e^{-j2\pi f_c t}

根據傅立葉轉換之頻率位移性質(Frequency Shifting Property):F{m(t)e±j2πfct}=M(f∓fc)\mathcal{F}\{m(t)e^{\pm j2\pi f_c t}\} = M(f \mp f_c),對上式取傅立葉轉換得: X(f)=Ac2[M(f−fc)+M(f+fc)]X(f) = \frac{A_c}{2}\left[M(f-f_c) + M(f+f_c)\right]


(二) 推導 s(t)s(t) 與判別調變名稱

題目給定 s(t)s(t) 的頻譜為: S(f)=14Ac[M(f+fc)+M(f−fc)]+14Ac[M(f+fc)sgn⁡(f+fc)−M(f−fc)sgn⁡(f−fc)]S(f) = \frac{1}{4}A_c\left[M(f+f_c)+M(f-f_c)\right] + \frac{1}{4}A_c\left[M(f+f_c)\operatorname{sgn}(f+f_c)-M(f-f_c)\operatorname{sgn}(f-f_c)\right]

步驟 1:轉換符號函數項 根據題目給定之希爾伯特轉換關係式: M^(f)=M(f)(−j)sgn⁡(f)  ⟹  M(f)sgn⁡(f)=jM^(f)\hat{M}(f) = M(f)(-j)\operatorname{sgn}(f) \implies M(f)\operatorname{sgn}(f) = j\hat{M}(f)

將頻率位移變數分別代入:

  • 當頻率位移為 f+fcf+f_c 時:M(f+fc)sgn⁡(f+fc)=jM^(f+fc)M(f+f_c)\operatorname{sgn}(f+f_c) = j\hat{M}(f+f_c)
  • 當頻率位移為 f−fcf-f_c 時:M(f−fc)sgn⁡(f−fc)=jM^(f−fc)M(f-f_c)\operatorname{sgn}(f-f_c) = j\hat{M}(f-f_c)

步驟 2:改寫 S(f)S(f) 將上述關係代入 S(f)S(f) 第二項: S(f)=Ac4[M(f−fc)+M(f+fc)]+Ac4[jM^(f+fc)−jM^(f−fc)]S(f) = \frac{A_c}{4}\left[M(f-f_c) + M(f+f_c)\right] + \frac{A_c}{4}\left[j\hat{M}(f+f_c) - j\hat{M}(f-f_c)\right] S(f)=Ac4[M(f−fc)+M(f+fc)]−jAc4[M^(f−fc)−M^(f+fc)]S(f) = \frac{A_c}{4}\left[M(f-f_c) + M(f+f_c)\right] - \frac{jA_c}{4}\left[\hat{M}(f-f_c) - \hat{M}(f+f_c)\right]

步驟 3:取逆傅立葉轉換(Inverse Fourier Transform) 對頻譜的兩部分分別進行反轉換:

  1. 第一部分反轉換: F−1{Ac4[M(f−fc)+M(f+fc)]}=Ac2m(t)cos⁡(2πfct)\mathcal{F}^{-1}\left\{\frac{A_c}{4}\left[M(f-f_c) + M(f+f_c)\right]\right\} = \frac{A_c}{2}m(t)\cos(2\pi f_c t)

  2. 第二部分反轉換: 由頻移性質可知: F−1{M^(f−fc)}=m^(t)ej2πfct\mathcal{F}^{-1}\{\hat{M}(f-f_c)\} = \hat{m}(t)e^{j2\pi f_c t} F−1{M^(f+fc)}=m^(t)e−j2πfct\mathcal{F}^{-1}\{\hat{M}(f+f_c)\} = \hat{m}(t)e^{-j2\pi f_c t} 因此:

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第 三 題

考慮一個 8-ary 脈衝振幅調變(pulse amplitude modulation)。若在一個符號(symbol)時間為 TT 的區間,接收訊號為

y(t)=xp(t)+n(t),y(t)=xp(t)+n(t),

其中

x∈(−7d2,−5d2,−3d2,−d2,d2,3d2,5d2,7d2)x\in\left(-\frac{7d}{2},-\frac{5d}{2},-\frac{3d}{2},-\frac{d}{2},\frac{d}{2},\frac{3d}{2},\frac{5d}{2},\frac{7d}{2}\right)

是傳送符號振幅,且有相同的傳送機率;p(t)p(t) 代表時間長度為 TT 且能量為 11 的傳送波形;n(t)n(t) 代表白高斯雜訊(white Gaussian noise)。

(一) 若 p(t)p(t) 為方波(rectangular pulse),請計算其振幅與零點到零點頻寬(null-to-null bandwidth)。(5 分)

(二) 請計算此調變之平均訊號能量。(5 分)

(三) 若傳送 x=−7d2x=-\frac{7d}{2} 產生的符號錯誤機率為 hh,請計算平均符號錯誤機率。(10 分)

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核心觀念

本題評量基頻數位通訊中 MM 元脈衝振幅調變(MM-ary PAM) 的核心理論,涵蓋三大基石:

  1. 基頻脈衝成形與頻譜特性:有限時間方波(rectangular pulse)之能量積分計算,以及經傅立葉轉換後的正弦函數(sinc\text{sinc} 函數)頻譜零點(spectral nulls)分佈。
  2. 調變訊號平均能量(Average Signal Energy):利用離散隨機變數期望值定義,計算等機率星座點(constellation points)之二階動差(均方值)。
  3. 高斯雜訊通道下之符號錯誤機率(Symbol Error Probability, PeP_e):最佳接收機(匹配濾波器)架構下的最小距離判決區間。辨識「邊界點(boundary points)」與「內部點(interior points)」因判決邊界數量不同而產生之錯誤機率差異。

解題方法

(一) 計算方波脈衝 p(t)p(t) 之振幅與零點到零點頻寬

  1. 振幅計算: 設時間長度為 TT 之方波脈衝波形表示為:
p(t)={A,0≤t≤T0,其他p(t) = \begin{cases} A, & 0 \le t \le T \\ 0, & \text{其他} \end{cases}

其中 A>0A > 0 為方波振幅。依題目給定能量條件 Ep=1E_p = 1:

Ep=∫−∞∞∣p(t)∣2 dt=∫0TA2 dt=A2T=1E_p = \int_{-\infty}^{\infty} |p(t)|^2 \, dt = \int_{0}^{T} A^2 \, dt = A^2 T = 1

解得振幅:

A=1TA = \frac{1}{\sqrt{T}}
  1. 零點到零點頻寬(Null-to-Null Bandwidth)計算: 對 p(t)p(t) 取傅立葉轉換(Fourier Transform),其頻譜為:
P(f)=∫0T1Te−j2πft dt=T⋅sin⁡(πfT)πfTe−jπfT=T sinc(fT) e−jπfTP(f) = \int_{0}^{T} \frac{1}{\sqrt{T}} e^{-j 2\pi f t} \, dt = \sqrt{T} \cdot \frac{\sin(\pi f T)}{\pi f T} e^{-j \pi f T} = \sqrt{T} \, \text{sinc}(fT) \, e^{-j \pi f T}

其振幅頻譜零點發生於 πfT=kπ\pi f T = k\pi(k=±1,±2,…k = \pm 1, \pm 2, \dots),即:

fnull=kT,k∈{±1,±2,… }f_{\text{null}} = \frac{k}{T}, \quad k \in \{\pm 1, \pm 2, \dots\}

主瓣(mainlobe)包含在第一個負零點 f=−1Tf = -\frac{1}{T} 與第一個正零點 f=1Tf = \frac{1}{T} 之間。因此「零點到零點頻寬(null-to-null bandwidth)」BNNB_{\text{NN}} 定義為主瓣總寬度:

BNN=1T−(−1T)=2T HzB_{\text{NN}} = \frac{1}{T} - \left(-\frac{1}{T}\right) = \frac{2}{T} \text{ Hz}

(註:若基頻系統僅取單邊正頻率之首零點頻寬,則為 1T Hz\frac{1}{T}\text{ Hz};通訊標準術語之 null-to-null 頻寬嚴格值為主瓣全寬 2T Hz\frac{2}{T}\text{ Hz})。


(二) 計算此調變之平均訊號能量

發送訊號為 si(t)=xip(t)s_i(t) = x_i p(t),各符號能量為:

Ei=∫−∞∞∣si(t)∣2 dt=xi2∫−∞∞∣p(t)∣2 dt=xi2⋅1=xi2E_i = \int_{-\infty}^{\infty} |s_i(t)|^2 \, dt = x_i^2 \int_{-\infty}^{\infty} |p(t)|^2 \, dt = x_i^2 \cdot 1 = x_i^2

題目給定 8 個振幅點為:

xi∈{±d2,±3d2,±5d2,±7d2}x_i \in \left\{ \pm \frac{d}{2}, \pm \frac{3d}{2}, \pm \frac{5d}{2}, \pm \frac{7d}{2} \right\}

由於 8 個符號為等機率傳送,即 P(xi)=18P(x_i) = \frac{1}{8},平均訊號能量 EavgE_{\text{avg}} 為各符號能量之期望值:

Eavg=18∑i=18xi2E_{\text{avg}} = \frac{1}{8} \sum_{i=1}^{8} x_i^2

利用星座點對稱性:

∑i=18xi2=2[(d2)2+(3d2)2+(5d2)2+(7d2)2]\sum_{i=1}^{8} x_i^2 = 2 \left[ \left(\frac{d}{2}\right)^2 + \left(\frac{3d}{2}\right)^2 + \left(\frac{5d}{2}\right)^2 + \left(\frac{7d}{2}\right)^2 \right]
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第 四 題

若使用一個時間長度為符號時間長的方波來傳送兩種調變訊號(MM-QAM 與正交(orthogonal)同調(coherent)MM-FSK)至中心頻率為 600 MHz600\ \mathrm{MHz} 的射頻通道。

(一) 若位元率(bit rate)為 24 Mbps24\ \mathrm{Mbps},當 M=16M=16 時,請計算以上兩種調變需要的零點到零點頻寬。(7 分)

(二) 以在可加性白高斯雜訊(AWGN)通道之符號錯誤機率的表現來考量,請將 8-FSK、64-QAM 與 64-FSK 依序從最好到最差排列。(3 分)

(三) 若改採用一個衰減因子(roll-off factor)為 0.20.2 的升餘弦濾波器(raised cosine filter)來傳送,若要達到位元率為 24 Mbps24\ \mathrm{Mbps},請計算 16-QAM 需要的射頻通道頻寬。(5 分)

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核心觀念

本題評量數位通訊系統的核心理論,包含訊號頻寬計算、波形整形(Pulse Shaping)、調變技術之功率與頻譜效益權衡(Power-Bandwidth Tradeoff),以及在可加性白高斯雜訊(AWGN)通道下的錯誤率表現。涉及之核心觀念與公式如下:

  1. 符號率(Symbol Rate, RsR_s)與符號時間(Symbol Duration, TsT_s): Rs=Rbk=Rblog⁡2M,Ts=1RsR_s = \frac{R_b}{k} = \frac{R_b}{\log_2 M}, \quad T_s = \frac{1}{R_s} 其中 RbR_b 為位元率(bit rate),MM 為調變階數,k=log⁡2Mk = \log_2 M 為每個符號所攜帶的位元數。

  2. 矩形脈衝之零點到零點頻寬(Null-to-Null Bandwidth): 時域為長度 TsT_s 的矩形脈衝 g(t)=rect⁡(t/Ts)g(t) = \operatorname{rect}(t/T_s),其基頻傅立葉轉換為 sinc⁡(fTs)\operatorname{sinc}(f T_s),第一零點頻率位於 f=±1Ts=±Rsf = \pm \frac{1}{T_s} = \pm R_s。

  • MM-QAM:屬於雙邊帶(DSB)線性調變,射頻頻譜由基頻平移至載波頻率 fcf_c,其零點到零點射頻頻寬為基頻主瓣寬度: Bnull-to-null, QAM=2Rs=2TsB_{\text{null-to-null, QAM}} = 2 R_s = \frac{2}{T_s}
  • 正交同調 MM-FSK:由 MM 個不同的載波頻率構成,各載波相隔頻率間隔 Δf\Delta f。同調且維持正交的最小頻率間隔為 Δf=12Ts\Delta f = \frac{1}{2T_s}(若為任意相位正交條件則為 Δf=1Ts\Delta f = \frac{1}{T_s})。總零點到零點頻寬為最外側兩載波之第一零點間距: Bnull-to-null, FSK=(M−1)Δf+2RsB_{\text{null-to-null, FSK}} = (M - 1)\Delta f + 2 R_s
  1. AWGN 通道下調變技術之錯誤率表現(功率效率): 通訊系統評估調變效能以標準化之「每位元訊雜比(Eb/N0E_b/N_0)」為基準:
  • 正交訊號(如 MM-FSK):具備「以頻寬換取功率」特性。當階數 MM 增加時,信號維度提高,在相同 Eb/N0E_b/N_0 下,符號與位元錯誤率均隨 MM 增加而下降(效能越好),當 M→∞M \to \infty 時趨向夏農極限(Shannon Limit: Eb/N0=−1.59 dBE_b/N_0 = -1.59\ \mathrm{dB})。
  • 格點/多階振幅相位訊號(如 MM-QAM):具備「以功率換取頻寬」特性。當階數 MM 增加時,星座圖密度提高、歐氏距離縮小,在相同 Eb/N0E_b/N_0 下錯誤率隨 MM 增加而上升(效能變差)。
  1. 升餘弦濾波器(Raised Cosine Filter)頻寬: 無符號間干擾(ISI)條件下,具有衰減因子 α\alpha 的升餘弦濾波器之基頻頻寬為 Bbaseband=Rs2(1+α)B_{\text{baseband}} = \frac{R_s}{2}(1 + \alpha)。經載波調變至射頻後的傳輸頻寬(RF Bandwidth)為: BRF=2×Bbaseband=Rs(1+α)B_{\text{RF}} = 2 \times B_{\text{baseband}} = R_s(1 + \alpha)

解題方法

(一) 計算 16-QAM 與正交同調 16-FSK 之零點到零點頻寬

  1. 基本參數計算:
  • 位元率:Rb=24 MbpsR_b = 24\ \mathrm{Mbps}
  • 調變階數:M=16  ⟹  k=log⁡216=4 bits/symbolM = 16 \implies k = \log_2 16 = 4\ \mathrm{bits/symbol}
  • 符號率: Rs=Rbk=24 Mbps4=6 MspsR_s = \frac{R_b}{k} = \frac{24\ \mathrm{Mbps}}{4} = 6\ \mathrm{Msps}
  • 符號時間: Ts=1Rs=16×106 sT_s = \frac{1}{R_s} = \frac{1}{6 \times 10^6}\ \mathrm{s}
  1. 16-QAM 之零點到零點頻寬: 16-QAM 係將同相(I)與正交(Q)兩路基頻方波訊號分別調變至正交載波上,其頻譜為主瓣寬度為 2/Ts2/T_s 的 sinc⁡\operatorname{sinc} 函數。 因此,零點到零點頻寬為: Bnull-to-null, QAM=2Rs=2×6 MHz=12 MHzB_{\text{null-to-null, QAM}} = 2 R_s = 2 \times 6\ \mathrm{MHz} = 12\ \mathrm{MHz}

  2. 正交同調 16-FSK 之零點到零點頻寬: 1616-FSK 具有 16 個獨立載波頻率 f1,f2,…,f16f_1, f_2, \dots, f_{16},最高頻與最低頻之差為 (16−1)Δf(16 - 1)\Delta f。最外側頻率的單側第一零點寬度皆為 Rs=1/TsR_s = 1/T_s。

  • 情況一(同調正交最小頻率間隔 Δf=12Ts=Rs2\Delta f = \frac{1}{2T_s} = \frac{R_s}{2}): 在同調檢測條件下,信號維持正交之理論最小間隔為 Δf=Rs2=3 MHz\Delta f = \frac{R_s}{2} = 3\ \mathrm{MHz}。 Bnull-to-null, FSK=(M−1)Δf+2Rs=(16−1)×3 MHz+2×6 MHz=45 MHz+12 MHz=57 MHzB_{\text{null-to-null, FSK}} = (M - 1)\Delta f + 2 R_s = (16 - 1) \times 3\ \mathrm{MHz} + 2 \times 6\ \mathrm{MHz} = 45\ \mathrm{MHz} + 12\ \mathrm{MHz} = 57\ \mathrm{MHz}
  • 情況二(任意相位正交頻率間隔 Δf=1Ts=Rs\Delta f = \frac{1}{T_s} = R_s): 若載波初始相位為任意值(或部分通訊文獻採全週期正交之整數倍間距),正交間隔取 Δf=Rs=6 MHz\Delta f = R_s = 6\ \mathrm{MHz}。
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第 五 題

考慮自由空間傳播模型(free space propagation model):

Pr(d)=Pr(d0)(d0d)n,d≥d0,P_r(d)=P_r(d_0)\left(\frac{d_0}{d}\right)^n,\qquad d\geq d_0,

其中 Pr(d)P_r(d) 是與傳送端距離為 dd 的接收功率,d0d_0 是參考距離(reference distance),nn 是路徑損失指數(path loss exponent)。

此外,以 PL(d)PL(d) 代表在距離為 dd 的路徑損失(path loss),PL‾(d)\overline{PL}(d) 代表在距離為 dd 的平均路徑損失。

(一) 請推導出 PL(d)PL(d)(dB)與 PL‾(d)\overline{PL}(d)(dB)的關係式。(5 分)

(二) PL(d)PL(d)(dB)通常表示為對數常態陰影(log-normal shadowing)模型,請寫出此方程式並說明。(5 分)

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核心觀念

本題評量行動通訊與無線傳播通道中**大尺度傳播模型(Large-scale Propagation Models)**的基礎理論,主要涵蓋以下核心要點:

  1. 對數距離路徑損失模型(Log-distance Path Loss Model):電波在傳播過程中,接收信號功率隨傳送端與接收端之距離 dd 的 nn 次方呈反比衰減。路徑損失(Path Loss, PLPL)定義為傳送功率與接收功率的比值,取對數(dB)後呈現隨 log⁡10(d)\log_{10}(d) 線性遞增的關係。
  2. 對數常態陰影模型(Log-normal Shadowing Model):在實際無線傳播環境中,同一距離 dd 上的不同位置會受到建築物、地形等大型障礙物的阻擋(遮蔽效應,Shadowing),導致接收功率圍繞平均值上下隨機起伏。該起伏在對數尺度(dB)下服從零均值高斯(常態)分佈,在線性尺度下則服從對數常態分佈。

解題方法

(一) 推導 PL(d)PL(d)(dB)與 PL‾(d)\overline{PL}(d)(dB)的關係式

  1. 路徑損失(Path Loss)之定義: 在距離傳送端為 dd 處,路徑損失 PL(d)PL(d) 定義為傳送功率 PtP_t 與接收功率 Pr(d)P_r(d) 之比值: PL(d)=PtPr(d)PL(d) = \frac{P_t}{P_r(d)} 轉換為分貝(dB)單位表示為: PL(d) [dB]=10log⁡10(PtPr(d))=Pt [dBm]−Pr(d) [dBm]PL(d)\text{ [dB]} = 10\log_{10}\left(\frac{P_t}{P_r(d)}\right) = P_t\text{ [dBm]} - P_r(d)\text{ [dBm]}

  2. 平均路徑損失 PL‾(d)\overline{PL}(d)(dB)之推導: 題目給定之傳播模型描述了平均接收功率與距離的關係式: Pr(d)=Pr(d0)(d0d)n,d≥d0P_r(d) = P_r(d_0)\left(\frac{d_0}{d}\right)^n, \qquad d \geq d_0 兩邊取以 10 為底之對數並乘以 10: 10log⁡10Pr(d)=10log⁡10[Pr(d0)(d0d)n]=10log⁡10Pr(d0)−10nlog⁡10(dd0)10\log_{10} P_r(d) = 10\log_{10}\left[ P_r(d_0)\left(\frac{d_0}{d}\right)^n \right] = 10\log_{10} P_r(d_0) - 10n\log_{10}\left(\frac{d}{d_0}\right) 將此關係代入平均路徑損失定義式: PL‾(d) [dB]=10log⁡10(PtPr(d))=10log⁡10Pt−10log⁡10Pr(d)\overline{PL}(d)\text{ [dB]} = 10\log_{10}\left(\frac{P_t}{P_r(d)}\right) = 10\log_{10} P_t - 10\log_{10} P_r(d) =10log⁡10Pt−[10log⁡10Pr(d0)−10nlog⁡10(dd0)]= 10\log_{10} P_t - \left[ 10\log_{10} P_r(d_0) - 10n\log_{10}\left(\frac{d}{d_0}\right) \right] =10log⁡10(PtPr(d0))+10nlog⁡10(dd0)= 10\log_{10}\left(\frac{P_t}{P_r(d_0)}\right) + 10n\log_{10}\left(\frac{d}{d_0}\right) 由於參考距離 d0d_0 處的路徑損失為 PL‾(d0) [dB]=10log⁡10(PtPr(d0))\overline{PL}(d_0)\text{ [dB]} = 10\log_{10}\left(\frac{P_t}{P_r(d_0)}\right),故得: PL‾(d) [dB]=PL‾(d0) [dB]+10nlog⁡10(dd0)\overline{PL}(d)\text{ [dB]} = \overline{PL}(d_0)\text{ [dB]} + 10n\log_{10}\left(\frac{d}{d_0}\right)

  3. PL(d)PL(d)(dB)與 PL‾(d)\overline{PL}(d)(dB)的關係式:

  • 理想確定性環境(無陰影衰落): 實測路徑損失即等於平均路徑損失: PL(d) [dB]=PL‾(d) [dB]PL(d)\text{ [dB]} = \overline{PL}(d)\text{ [dB]}
  • 實際無線傳播環境(考慮陰影效應): 特定地點的瞬時路徑損失 PL(d)PL(d) 為平均路徑損失 PL‾(d)\overline{PL}(d) 加上由周遭環境遮蔽所引起的隨機擾動量 XσX_\sigma(dB): PL(d) [dB]=PL‾(d) [dB]+XσPL(d)\text{ [dB]} = \overline{PL}(d)\text{ [dB]} + X_\sigma 其中 PL‾(d) [dB]=E[PL(d) [dB]]\overline{PL}(d)\text{ [dB]} = \mathrm{E}[PL(d)\text{ [dB]}] 代表距離為 dd 時路徑損失的統計期望值(平均值)。

(二) 對數常態陰影模型方程式與說明

  1. 數學方程式: PL(d) [dB]=PL‾(d) [dB]+Xσ=PL‾(d0) [dB]+10nlog⁡10(dd0)+XσPL(d)\text{ [dB]} = \overline{PL}(d)\text{ [dB]} + X_\sigma = \overline{PL}(d_0)\text{ [dB]} + 10n\log_{10}\left(\frac{d}{d_0}\right) + X_\sigma 若以接收功率(dBm)形式表示,則等價為:
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第 六 題

下圖為一摺積編碼器(convolutional encoder),其中 mjm_j 為目前輸入位元,⊕\oplus 為 modulo-2 加法,其狀態(state)由 (mj−1,mj−2)(m_{j-1},m_{j-2}) 表示,初始狀態為 (0,0)(0,0),輸出位元依序先上後下來輸出。

(編碼器圖形未包含於文字擷取結果,請參考原卷。)

(一) 請繪出其狀態圖(state diagram)。(5 分)

(二) 若輸入位元為 (110100…)(110100\ldots),請計算輸出位元。(5 分)

(三) 若接收位元為 (111110010111…)(111110010111\ldots),請繪出格狀圖(trellis diagram),使用以漢明距離(Hamming distance)考量的維特比演算法(Viterbi algorithm),求出解碼後的輸入位元。(10 分)

🖼️ 本題原卷含圖表。基於試題來源之版權考量,本站不轉載原卷影像; 題目文字已完整轉錄,圖表請自行參閱考選部公告之試題原檔。

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核心觀念

摺積編碼器的輸出由目前輸入位元及移位暫存器中的位元,以 modulo-2 加法(即 XOR)組合而成。由圖可得:

v1,j=mj⊕mj−2,v2,j=mj⊕mj−1⊕mj−2.v_{1,j}=m_j\oplus m_{j-2},\qquad v_{2,j}=m_j\oplus m_{j-1}\oplus m_{j-2}.

狀態以 (mj−1,mj−2)(m_{j-1},m_{j-2}) 表示。若目前狀態為 (a,b)(a,b)、輸入為 uu,則下一狀態與輸出為

下一狀態=(u,a),(v1,v2)=(u⊕b, u⊕a⊕b).\text{下一狀態}=(u,a),\qquad (v_1,v_2)=(u\oplus b,\ u\oplus a\oplus b).

每次輸入產生兩個輸出位元,依題意先輸出上方位元,再輸出下方位元。

(一)狀態圖

以下以「輸入/輸出」標示每一條狀態轉移:

目前狀態輸入 0 的轉移輸入 1 的轉移
000000→0/000000\xrightarrow{0/00}0000→1/111000\xrightarrow{1/11}10
010101→0/110001\xrightarrow{0/11}0001→1/001001\xrightarrow{1/00}10
101010→0/010110\xrightarrow{0/01}0110→1/101110\xrightarrow{1/10}11
111111→0/100111\xrightarrow{0/10}0111→1/011111\xrightarrow{1/01}11

初始狀態為 0000。狀態圖中各狀態有兩條離開分支,分別對應輸入 00 與輸入 11。

(二)輸入 110100…110100\ldots 的輸出

從初始狀態 0000 開始,逐位依狀態圖查找:

輸入位元目前狀態輸出位元下一狀態
1001110
1101011
0111001
1010010
0100101
0011100

依序串接各組輸出:

11  10  10  00  01  1111\;10\;10\;00\;01\;11

因此,輸出位元為

111010000111…\boxed{111010000111\ldots}

(三)維特比解碼

解題方法

將接收序列每兩位分成一組,依序為

11, 11, 10, 01, 01, 11.11,\ 11,\ 10,\ 01,\ 01,\ 11.

每條分支的分支度量為該分支輸出與接收位元組之漢明距離;路徑度量為截至該時刻各分支度量的累加。對每個狀態,只保留度量最小的倖存路徑。題目未指定終止狀態,因此在六組接收位元處理完後,選取路徑度量最小的終端狀態。

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第 七 題

在一輛速度為 54 km/hr54\ \mathrm{km/hr} 的車上,一個位元率為 100 kbps100\ \mathrm{kbps} 的 BPSK 訊號被傳送至中心頻率為 6 GHz6\ \mathrm{GHz} 的射頻通道。

(一) 請計算最大都普勒偏移(Doppler shift)。(5 分)

(二) 請說明此為快速衰減(fast fading)還是緩慢衰減(slow fading)?(5 分)

(三) 請說明在何條件下會形成平坦衰減(flat fading)?(5 分)

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【核心觀念】

本題評量行動無線通訊中「時變多路徑衰減通道(Time-Varying Multipath Fading Channels)」的小尺度衰減(Small-scale fading)分類與特性分析。核心觀念涵蓋兩大面向:

  1. 都普勒擴展與時間變異性(Time Dispersion in Doppler / Frequency Dispersion):
  • 最大都普勒偏移(Maximum Doppler Shift, fmf_m):由收發端相對運動產生,公式為: fm=vλ=v⋅fccf_m = \frac{v}{\lambda} = \frac{v \cdot f_c}{c} 其中 vv 為車速(m/s\mathrm{m/s})、λ\lambda 為載波波長(m\mathrm{m})、fcf_c 為載波頻率(Hz\mathrm{Hz})、c≈3×108 m/sc \approx 3 \times 10^8\ \mathrm{m/s} 為光速。
  • 同調時間(Coherence Time, TcT_c):通道統計特性保持不變的時間區間,與都普勒頻散呈反比關係。常用經驗近似公式為: Tc≈1fm或Tc≈916πfm≈0.179fm或Tc≈916πfm2≈0.423fmT_c \approx \frac{1}{f_m} \quad \text{或} \quad T_c \approx \frac{9}{16\pi f_m} \approx \frac{0.179}{f_m} \quad \text{或} \quad T_c \approx \sqrt{\frac{9}{16\pi f_m^2}} \approx \frac{0.423}{f_m}
  • 快衰減(Fast Fading)與慢衰減(Slow Fading)判定:
  • 若符號傳輸週期 Ts≪TcT_s \ll T_c(或基頻訊號頻寬 Bs≫BD≈fmB_s \gg B_D \approx f_m),通道在一個符號期間變化極慢,視為緩慢衰減(Slow Fading)。
  • 若 Ts>TcT_s > T_c(或 Bs<BDB_s < B_D),通道在一個符號期間內劇烈變化,視為快速衰減(Fast Fading)。
  1. 多路徑延遲擴展與頻率選擇性(Multipath Time Dispersion):
  • 同調頻寬(Coherence Bandwidth, BcB_c):通道具平坦增益且線性相位的頻率範圍,與多路徑均方根延遲擴展(RMS Delay Spread, στ\sigma_\tau)成反比: Bc≈15στ(頻率相關係數 >0.5)B_c \approx \frac{1}{5\sigma_\tau} \quad (\text{頻率相關係數 } > 0.5)
  • 平坦衰減(Flat Fading):當訊號頻寬小於同調頻寬(Bs≪BcB_s \ll B_c),或符號週期遠大於延遲擴展(Ts≫στT_s \gg \sigma_\tau)時,通道所有頻率分量承受均勻衰減,不產生符號間干擾(ISI)。

【解題方法與詳細推導】

(一) 計算最大都普勒偏移(Doppler shift)

  1. 單位換算與參數整理:
  • 車速 v=54 km/hr=54×1000 m3600 s=15 m/sv = 54\ \mathrm{km/hr} = 54 \times \frac{1000\ \mathrm{m}}{3600\ \mathrm{s}} = 15\ \mathrm{m/s}
  • 載波中心頻率 fc=6 GHz=6×109 Hzf_c = 6\ \mathrm{GHz} = 6 \times 10^9\ \mathrm{Hz}
  • 光速 c=3×108 m/sc = 3 \times 10^8\ \mathrm{m/s}
  1. 計算載波波長 λ\lambda: λ=cfc=3×1086×109=0.05 m\lambda = \frac{c}{f_c} = \frac{3 \times 10^8}{6 \times 10^9} = 0.05\ \mathrm{m}

  2. 代入公式求最大都普勒偏移 fmf_m: fm=vλ=150.05=300 Hzf_m = \frac{v}{\lambda} = \frac{15}{0.05} = 300\ \mathrm{Hz}


(二) 判斷為快速衰減(fast fading)還是緩慢衰減(slow fading)

  1. 計算訊號的符號週期(Symbol Duration, TsT_s):
  • 對於 BPSK(Binary Phase Shift Keying),每個符號攜帶 1 bit1\ \mathrm{bit},因此符號率 RsR_s 等於位元率 RbR_b: Rs=Rb=100 kbps=105 symbols/sR_s = R_b = 100\ \mathrm{kbps} = 10^5\ \mathrm{symbols/s}
  • 符號傳輸週期 TsT_s 為:
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