111 專技高考高等考試 電子工程技師 通訊系統 考古題詳解
第 一 題
考慮一個隨機程序(random process),其中 與 為獨立(independent)隨機變數(random variable), 是一個在 內均勻分布的隨機相位變數, 是一個固定頻率。
(一) 請計算並說明 為何是一個廣義穩態(WSS)的隨機程序。(7 分)
(二) 將 輸入一個線性非時變(LTI)系統,且此系統的脈衝響應(impulse response)為 ,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:
- 廣義穩態(Wide-Sense Stationary, WSS)隨機程序之定義: 隨機程序 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 無關:
- 自相關函數(Autocorrelation function)僅與兩觀測時間之時間差 有關,與起始時間無關:
- (輔助條件:平均功率為有限值,即 )
-
獨立隨機變數的期望值性質: 若隨機變數 與 互相獨立,則對任意函數 與 ,其聯合期望值具備可拆解性:
-
線性非時變系統(LTI System)對 WSS 輸入之響應: 當輸入訊號 通過脈衝響應為 的線性非時變系統時,輸出 。其輸出的期望值為: 其中 為系統在直流頻率()處的頻率響應。
解題方法
(一) 計算並說明 為何為廣義穩態(WSS)隨機程序
已知隨機相位 在 均勻分布,其機率密度函數(PDF)為: 且振幅 與相位 互相獨立。
步驟 1:計算期望值(均值函數)
利用獨立隨機變數期望值的乘積性質:
計算項 :
因此: 此期望值為固定常數(等於 0),與時間 無關。
步驟 2:計算自相關函數
取兩相異時間點 與 :
利用積化和差公式 :
- 角度差:
- 角度和:
因此:
第 二 題
有一類比調變(analog modulation)訊號 ,其中 代表訊息訊號(message signal), 代表載波訊號(carrier signal)。
此外, 是 之傅立葉轉換(Fourier transform), 是 之傅立葉轉換, 是 之希爾伯特轉換(Hilbert transform),且 是 之傅立葉轉換。
(一) 請利用 、 與 來表示 。(4 分)
(二) 如果 之傅立葉轉換為
請利用 與 來表示 ,同時請寫出 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:
- 雙旁波帶抑制載波調變(DSB-SC)與頻移性質: 訊號乘上載波 在時域為乘積,在頻域對應頻譜的線性位移與強度減半:
- 希爾伯特轉換(Hilbert Transform)的頻域關係: 理想 移相器在頻域的轉換函數為 。因此:
- 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: 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
已知訊號為 。
利用歐拉公式(Euler's formula)將載波展開為複數指數函數:
則時域乘積為:
根據傅立葉轉換之頻率位移性質(Frequency Shifting Property):,對上式取傅立葉轉換得:
(二) 推導 與判別調變名稱
題目給定 的頻譜為:
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:
將頻率位移變數分別代入:
- 當頻率位移為 時:
- 當頻率位移為 時:
步驟 2:改寫 將上述關係代入 第二項:
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:
-
第一部分反轉換:
-
第二部分反轉換: 由頻移性質可知: 因此:
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 的區間,接收訊號為
其中
是傳送符號振幅,且有相同的傳送機率; 代表時間長度為 且能量為 的傳送波形; 代表白高斯雜訊(white Gaussian noise)。
(一) 若 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 產生的符號錯誤機率為 ,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 元脈衝振幅調變(-ary PAM) 的核心理論,涵蓋三大基石:
- 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( 函數)頻譜零點(spectral nulls)分佈。
- 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)。
- 高斯雜訊通道下之符號錯誤機率(Symbol Error Probability, ):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 之振幅與零點到零點頻寬
- 振幅計算: 設時間長度為 之方波脈衝波形表示為:
其中 為方波振幅。依題目給定能量條件 :
解得振幅:
- 零點到零點頻寬(Null-to-Null Bandwidth)計算: 對 取傅立葉轉換(Fourier Transform),其頻譜為:
其振幅頻譜零點發生於 (),即:
主瓣(mainlobe)包含在第一個負零點 與第一個正零點 之間。因此「零點到零點頻寬(null-to-null bandwidth)」 定義為主瓣總寬度:
(註:若基頻系統僅取單邊正頻率之首零點頻寬,則為 ;通訊標準術語之 null-to-null 頻寬嚴格值為主瓣全寬 )。
(二) 計算此調變之平均訊號能量
發送訊號為 ,各符號能量為:
題目給定 8 個振幅點為:
由於 8 個符號為等機率傳送,即 ,平均訊號能量 為各符號能量之期望值:
利用星座點對稱性:
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(-QAM 與正交(orthogonal)同調(coherent)-FSK)至中心頻率為 的射頻通道。
(一) 若位元率(bit rate)為 ,當 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 的升餘弦濾波器(raised cosine filter)來傳送,若要達到位元率為 ,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:
-
符號率(Symbol Rate, )與符號時間(Symbol Duration, ): 其中 為位元率(bit rate), 為調變階數, 為每個符號所攜帶的位元數。
-
矩形脈衝之零點到零點頻寬(Null-to-Null Bandwidth): 時域為長度 的矩形脈衝 ,其基頻傅立葉轉換為 ,第一零點頻率位於 。
- -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 ,其零點到零點射頻頻寬為基頻主瓣寬度:
- 正交同調 -FSK:由 個不同的載波頻率構成,各載波相隔頻率間隔 。同調且維持正交的最小頻率間隔為 (若為任意相位正交條件則為 )。總零點到零點頻寬為最外側兩載波之第一零點間距:
- 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()」為基準:
- 正交訊號(如 -FSK):具備「以頻寬換取功率」特性。當階數 增加時,信號維度提高,在相同 下,符號與位元錯誤率均隨 增加而下降(效能越好),當 時趨向夏農極限(Shannon Limit: )。
- 格點/多階振幅相位訊號(如 -QAM):具備「以功率換取頻寬」特性。當階數 增加時,星座圖密度提高、歐氏距離縮小,在相同 下錯誤率隨 增加而上升(效能變差)。
- 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 的升餘弦濾波器之基頻頻寬為 。經載波調變至射頻後的傳輸頻寬(RF Bandwidth)為:
解題方法
(一) 計算 16-QAM 與正交同調 16-FSK 之零點到零點頻寬
- 基本參數計算:
- 位元率:
- 調變階數:
- 符號率:
- 符號時間:
-
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 的 函數。 因此,零點到零點頻寬為:
-
正交同調 16-FSK 之零點到零點頻寬: -FSK 具有 16 個獨立載波頻率 ,最高頻與最低頻之差為 。最外側頻率的單側第一零點寬度皆為 。
- 情況一(同調正交最小頻率間隔 ): 在同調檢測條件下,信號維持正交之理論最小間隔為 。
- 情況二(任意相位正交頻率間隔 ): 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 。
第 五 題
考慮自由空間傳播模型(free space propagation model):
其中 是與傳送端距離為 的接收功率, 是參考距離(reference distance), 是路徑損失指數(path loss exponent)。
此外,以 代表在距離為 的路徑損失(path loss), 代表在距離為 的平均路徑損失。
(一) 請推導出 (dB)與 (dB)的關係式。(5 分)
(二) (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:
- 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 的 次方呈反比衰減。路徑損失(Path Loss, )定義為傳送功率與接收功率的比值,取對數(dB)後呈現隨 線性遞增的關係。
- 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 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 (dB)與 (dB)的關係式
-
路徑損失(Path Loss)之定義: 在距離傳送端為 處,路徑損失 定義為傳送功率 與接收功率 之比值: 轉換為分貝(dB)單位表示為:
-
平均路徑損失 (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: 兩邊取以 10 為底之對數並乘以 10: 將此關係代入平均路徑損失定義式: 由於參考距離 處的路徑損失為 ,故得:
-
(dB)與 (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:
- 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 為平均路徑損失 加上由周遭環境遮蔽所引起的隨機擾動量 (dB): 其中 代表距離為 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
- 數學方程式: 若以接收功率(dBm)形式表示,則等價為:
第 六 題
下圖為一摺積編碼器(convolutional encoder),其中 為目前輸入位元, 為 modulo-2 加法,其狀態(state)由 表示,初始狀態為 ,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 ,請計算輸出位元。(5 分)
(三) 若接收位元為 ,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)
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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:
狀態以 表示。若目前狀態為 、輸入為 ,則下一狀態與輸出為
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 |
|---|---|---|
初始狀態為 。狀態圖中各狀態有兩條離開分支,分別對應輸入 與輸入 。
(二)輸入 的輸出
從初始狀態 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 |
|---|---|---|---|
| 1 | 00 | 11 | 10 |
| 1 | 10 | 10 | 11 |
| 0 | 11 | 10 | 01 |
| 1 | 01 | 00 | 10 |
| 0 | 10 | 01 | 01 |
| 0 | 01 | 11 | 00 |
依序串接各組輸出:
因此,輸出位元為
(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
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。
第 七 題
在一輛速度為 的車上,一個位元率為 的 BPSK 訊號被傳送至中心頻率為 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:
- 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, ):由收發端相對運動產生,公式為: 其中 為車速()、 為載波波長()、 為載波頻率()、 為光速。
- 同調時間(Coherence Time, ):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:
- 快衰減(Fast Fading)與慢衰減(Slow Fading)判定:
- 若符號傳輸週期 (或基頻訊號頻寬 ),通道在一個符號期間變化極慢,視為緩慢衰減(Slow Fading)。
- 若 (或 ),通道在一個符號期間內劇烈變化,視為快速衰減(Fast Fading)。
- 多路徑延遲擴展與頻率選擇性(Multipath Time Dispersion):
- 同調頻寬(Coherence Bandwidth, ):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, )成反比:
- 平坦衰減(Flat Fading):當訊號頻寬小於同調頻寬(),或符號週期遠大於延遲擴展()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)
- 單位換算與參數整理:
- 車速
- 載波中心頻率
- 光速
-
計算載波波長 :
-
代入公式求最大都普勒偏移 :
(二) 判斷為快速衰減(fast fading)還是緩慢衰減(slow fading)
- 計算訊號的符號週期(Symbol Duration, ):
- 對於 BPSK(Binary Phase Shift Keying),每個符號攜帶 ,因此符號率 等於位元率 :
- 符號傳輸週期 為: