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物聯網之芯：感測器件與通信晶片設計

為了解決大大寬頻光纖的問題，作者曾凡太 這樣論述：

本書為“物聯網工程實戰叢書”第2卷。書中從物聯網工程的實際需求出發，闡述了感測器件與通信晶片的設計理念，從設計源頭告訴讀者我要設計什麼樣的晶片。積體電路設計是一門專業的技術，其設計方法和流程有專門著作介紹，不在本書講述範圍之內。 本書適合作為高等院校物聯網工程、通信工程、網路工程、電子資訊工程、微電子和積體電路等相關專業的教材，也適合感測器和晶片研發人員閱讀，另外也適合作為智慧城市建設等政府管理部門相關人員的參考讀物。 叢書序 序言 第1章 物聯網積體電路（IoT IC）晶片設計概述1 1.1 集成感測器件技術演進2 1.2 物聯網積體電路晶片分類3 1.3 物聯網積體

電路晶片設計要求4 1.3.1 物聯網積體電路晶片設計一般要求4 1.3.2 物聯網邊緣層設備IC晶片設計要求5 1.3.3 物聯網中間層設備IC晶片設計要求6 1.3.4 物聯網核心層設備IC晶片設計要求7 1.3.5 物聯網積體電路晶片安全性設計8 1.3.6 物聯網積體電路晶片低功耗設計9 1.4 物聯網積體電路晶片生態圈構建9 1.4.1 英特爾佈局雲端物聯網11 1.4.2 Marvell做業界最全晶片平臺解決方案11 1.4.4 TI建立協力廠商物聯網雲服務生態系統12 1.5 物聯網積體電路晶片定制化之變13 1.6 物聯網積體電路晶片產業化發展13 1.6.1 物聯網積體電路晶

片技術發展趨勢14 1.6.2 IC企業在物聯網領域的佈局23 1.6.3 感測器晶片和通信晶片是物聯網積體電路晶片產業的方向28 1.7 本章小結29 1.8 習題29 第2章 積體電路製造與設計基礎30 2.1 積體電路發展簡史30 2.2 積體電路產業變遷32 2.3 積體電路分類與命名規則35 2.3.1 按電路屬性、功能分類35 2.3.2 按集成規模分類37 2.3.3 按導電類型分類38 2.3.4 按用途分類38 2.3.5 按外形分類39 2.3.6 積體電路命名規則39 2.4 積體電路製造40 2.4.1 晶圓製造40 2.4.2 晶圓生產工藝流程44 2.4.3 積體

電路生產流程44 2.4.4 積體電路工藝46 2.4.5 CMOS工藝49 2.5 積體電路封裝49 2.5.1 積體電路封裝技術49 2.5.2 積體電路封裝形式枚舉52 2.6 積體電路微組裝工藝58 2.6.1 不同工藝晶片組裝58 2.6.2 積體電路組裝案例59 2.7 數位積體電路設計概要62 2.8 本章小結64 2.9 習題64 第3章 物聯網感測器件設計65 3.1 感測器件概述65 3.2 材料型感測器66 3.2.1 材料型感測器的基礎效應66 3.2.2 感測器半導體材料特性設計68 3.2.3 摻雜工藝改變半導體敏感特性69 3.2.4 設計材料成分，改變製造工藝

，調節敏感特性72 3.3 結構型感測器73 3.3.1 電阻敏感結構74 3.3.2 電感敏感結構75 3.3.3 電容敏感結構78 3.4 半導體敏感器件81 3.4.1 磁敏元件結構81 3.4.2 濕敏元件結構85 3.4.3 光敏元件結構88 3.4.4 氣敏元件結構93 3.5 生物敏感元件結構95 3.5.1 酶感測器結構95 3.5.2 葡萄糖感測器結構97 3.5.3 氧感測器結構99 3.6 圖像敏感元件結構101 3.6.1 CCD圖像感測器101 3.6.2 CMOS圖像感測器106 3.6.3 色敏三極管108 3.7 感測器介面技術109 3.7.1 感測器融合11

0 3.7.2 I3C匯流排協定111 3.8 幾種感測器設計實例116 3.8.1 MEMS感測器概述117 3.8.2 微機電系統（MEMS）壓力感測器118 3.8.3 微機電系統（MEMS）加速度感測器118 3.8.4 智慧壓力感測器119 3.8.5 智慧溫濕度感測器121 3.8.6 智慧液體渾濁度感測器121 3.9 本章小結122 3.10 習題123 第4章 物聯網通信積體電路設計124 4.1 通信電路概述124 4.1.1 物聯網常用通信方式124 4.1.2 物聯網通信電路進展128 4.2 物聯網有線通信電路設計130 4.2.1 RS232電路設計131 4.2

.2 用VHDL設計UART收發電路132 4.2.3 用Verilog HDL設計USART收發電路135 4.2.4 RS485電路設計141 4.2.5 光纖收發器電路142 4.2.6 USB 2.0介面電路設計143 4.2.7 USB 3.0晶片設計147 4.2.8 USB 3.0轉千兆乙太網單晶片設計148 4.3 物聯網無線通訊技術150 4.3.1 物聯網無線通訊技術概述150 4.3.2 物聯網無線通訊技術特性154 4.4 RFIC晶片設計155 4.4.1 RFIC 設計歷程156 4.4.2 RFIC設計流程156 4.4.3 RFIC設計行業的衰落160 4.4.

4 幾款射頻晶片性能一覽161 4.5 WiFi晶片設計163 4.5.1 WiFi晶片產業概況164 4.5.2 WiFi晶片設計171 4.5.3 WiFi無線收發基帶處理器設計174 4.5.4 WiFi晶片設計案列186 4.5.5 5G WiFi技術191 4.6 藍牙晶片設計193 4.6.1 TI CC2541藍牙晶片概述193 4.6.2 TI CC2541藍牙晶片RF片載系統195 4.6.3 TI CC2541藍牙晶片開發工具195 4.6.4 TI CC2541 藍牙低功耗解決方案196 4.7 本章小結197 4.8 習題197 第5章 窄帶物聯網（NB-IoT）19

8 5.1 NB-IoT概念198 5.2 NB-IoT商業模式199 5.3 NB-IoT技術標準200 5.4 NB-IoT實現高覆蓋、大連接、微功耗、低成本的技術路線201 5.4.1 NB-IoT提升無線覆蓋的方法201 5.4.2 NB-IoT實現大連接的關鍵技術203 5.4.3 NB-IoT實現低成本的技術路線204 5.4.4 NB-IoT實現低功耗的措施206 5.5 NB-IoT晶片設計208 5.5.1 NB-IoT晶片設計目標208 5.5.2 物聯網晶片生產廠商產品一覽209 5.5.3 NB-IoT終端晶片系統結構213 5.5.4 Rx架構的選擇216 5.5.5

Rx混頻器（Mixer）設計216 5.5.6 Rx直流偏移消除電路218 5.5.7 Tx中的模擬基帶219 5.6 NB-IoT業務範圍、應用場景及競爭挑戰221 5.6.1 NB-IoT主要業務範圍221 5.6.2 NB-IoT應用場景222 5.6.3 NB-IoT發展與挑戰223 5.7 本章小結223 5.8 習題224 第6章 “芯”隨“物”動，“物”依“芯”聯 物聯網晶片產業範疇 物聯網（IoT）被認為是世界產業技術革命的第三次浪潮，有著前所未有的大市場。隨著物聯網的普及，作為核心設備的晶片也迎來蓬勃發展，成為物聯網產業競爭的制高點。在千億連接和萬

億市場的吸引之下，運營商、通信設備商、IT廠商、軟體公司和互聯網企業等各方勢力，紛紛競逐這個潛力無窮的“風口”市場。 物聯網晶片產業主要包括RFID晶片、移動晶片、M2M晶片、微控制器晶片、無線感測器晶片、安全晶片、移動支付晶片、通信射頻晶片和身份識別類晶片等。囊括在物聯網這個術語中的器件有感測器、各種類型的處理器、越來越多的片上和片外記憶體、I/O介面和chipsets。封裝這些器件的不同方法也在不斷湧現，包括雲中定制ASIC、各種各樣的SoC、用於網路和伺服器的2.5D晶片，以及用於MEMS和感測器集群的fan-out晶圓級封裝技術。移動晶片作為連接物聯網的核心器件，也是整個網路資訊傳送

的樞紐。 物聯網晶片產業現狀 目前我國物聯網晶片的研發企業由於缺乏相關技術人才，創新服務能力不足，再加上晶片設計週期長、風險高等因素，導致了在晶片領域一直處於劣勢。我國晶片產業的產業基礎、產業結構、產業規模和創新能力與發達國家相比還有很大差距，技術空白點很多，骨幹企業規模和利潤都遠遠不及競爭對手。我國物聯網發展對晶片需求龐大，核心晶片主要依賴進口。以感測器為例，中高端感測器進口比例高達80%，傳感晶片進口比例高達90%，跨國公司在中國MEMS感測器市場占比高達60%。 全球產業正在整合，產業模式在變，中國積體電路產業只有靠創新的研發、創新的思維，才能找到正確路徑，避免掉入陷阱。物聯網產業

規模發展需要跨越三大壁壘：行業壁壘、技術壁壘和需求壁壘。如何突破物聯網晶片產業的核心關鍵技術，正成為我國晶片產業界要考慮的重點。 如何在IC層面推進物聯網技術的創新？從不同視角看物聯網會有不同的理解。 物聯網專家看物聯網：物聯網晶片要微功耗、低成本、多功能。晶片企業看物聯網：小晶片，大機會。投資機構看物聯網：只投物聯網晶片創業公司，這絕對是產業鏈的上游。 物聯網晶片創業挑戰 無論是做物聯網晶片、模組，還是做終端產品，創業的風險其實都很大。物聯網晶片的定位是位於整個產業鏈的上游，雖然投入非常大，門檻也很高，但進入後競爭者想要加入的難度會很高。物聯網市場的長尾效應，讓這些新加入的晶片公司能

夠在廣闊而分散的市場中找到自己的一席之地。晶片市場運營環境正在由運營商需求為主導向行業使用者需求為主導轉變，所以在這個階段，晶片初創企業與行業巨頭並不是競爭對手，而是開拓各自領域的行業夥伴。 物聯網晶片設計聽上去像是很簡單的主題，但深入一點就會發現，物聯網並不是單一的主題，肯定沒有什麼類型的晶片可以構成物聯網的廣泛應用和市場普適。 開發用於汽車、醫療設備和工業控制系統的晶片，還存在安全性的考量。這會帶來額外的複雜度和成本，另外還需要額外的時間來設計、驗證和調試這些設備。 在物聯網邊緣，這些設備盡可能地與設計目標相符。它們會將數以十億計的事物連接到互聯網。它們必須要廉價，必須出現在現場，必

須要能與物理世界進行交互，並且必須滿足低功耗要求。通過感測器和執行器與現實世界交互，涉及高電壓、物理學、MEMS和光子學這樣的領域。物聯網晶片設計需要更可靠、更安全，還需要滿足一些行業標準，比如汽車領域的ISO 26262或用於工業物聯網（IIoT）的OMAC和OPC工業標準。這些都會導致成本增長，也會拉長這些設備上市的時間。尤其是在移動電子產品領域，需要非常低的功耗以延長電池壽命，這需要複雜的電源管理，進一步增加了產品價格和設計複雜性。 “芯”隨“物”動：技能實力確定物聯網“江湖地位” 晶片的功能、性能和成本隨物聯網工程應用而動態變化。實現這些變化，要靠晶片設計企業的研發和技術實力。

（1）誰是霸主？群雄逐鹿核心戰場 萬物互聯離不開小小的晶片，包括華為、聯發科、英特爾和高通在內的行業巨頭紛紛發力物聯網晶片。晶片是物聯網時代的戰略制高點，誰能掌握核心技術，誰就能成為物聯網產業的霸主。 戰鼓擂響，深耕手機晶片市場多年的聯發科聚焦物聯網晶片，推出新一代客制化WiFi無線晶片平臺系列MT7686、MT7682和MT5932，這3款晶片具備了更多實用功能，功耗大大降低（約90%），喚醒時間小於0.1秒，開發者在開發新產品時能獲得周到的技術支援。 華為積極戰略佈局物聯網領域，高度集成的Boudica 120晶片將大規模發貨。預計全球將有20多個國家都部署NB-IoT（窄帶物聯網）

網路。華為已經與40多家合作夥伴展開合作，涉及20多個行業業態，在智慧停車和消防領域的應用處於領先地位。 風靡城市的共用單車是窄帶物聯網技術最大的應用市場之一。搭載物聯網晶片的單車將從一種出行方式擴展為一種生活方式。摩拜不僅牽手高通，在新款單車中加入高通的最新物聯網晶片，還與華為達成戰略合作，在窄帶物聯網應用及創新等領域開展深度合作。 物聯網成為推動世界高速發展的重要生產力，各國都在投入鉅資深入研究探索，我國也不例外。工信部發佈《關於實施深入推進提速降費、促進實體經濟發展2017專項行動的意見》，提出了NB-IoT商業化的具體方向，加快NB-IoT商用進程，包括拓展蜂窩物聯網在工業互聯網、

城市公共服務及管理等領域的應用，支援智慧工廠、智慧聯網汽車等創新業態發展。 （2）誰執牛耳？專利才是爭奪目標 物聯網萬億“蛋糕”雖然美味，但想要咬下去並不是那麼容易。在2G、3G甚至4G時代，中國企業並沒有佔據先發優勢，尤其是在核心技術方面，頻頻吃了專利的虧。例如，高通在CDMA領域擁有3 900多項專利，核心專利600多項，占CDMA所有專利的27%，壟斷了全球92%以上的CDMA市場。在中國，這一比例幾乎達到100%。吃過專利虧的中國企業在佈局物聯網時，更應該未雨綢繆，在專利上加大投入，儘早掌握行業的話語權。 根據諮詢公司LexInnova發佈的物聯網專利調查報告顯示，晶片廠商和網路

設備製造商在物聯網專利方面，晶片巨頭高通和英特爾排名前兩位，專利數量是第三名的兩倍。 物聯網發展還處在初級階段，變數還很多，但可以肯定的是，這將是一場激烈的專利戰。 （3）全面出擊？高通推出系列方案 高通公司第一個產品系列是移動SoC。它保留了高通為智慧手機打造的晶片性能；為了適應物聯網的需求，做了相應的軟硬體調整和改動，使其兼具強勁計算性能和聯網能力。 第二個產品系列是應用SoC。它由高通和穀歌聯手打造，集成Google Android Things軟體系統，支援觸控式螢幕、攝像頭及Google Assistant家居中樞產品的應用。家庭環境的物聯網產品只需要支援WiFi連接，不太需

要4G LTE的連接能力。通過減少對蜂窩技術的支援，優化應用SoC的成本。應用SoC可以用於智慧助手類產品、溫度調節器、安全類產品，甚至智慧冰箱。哈曼和聯想分別與高通合作，宣佈採用高通家居中樞平臺開發家居產品。 第三個產品系列是LTE SoC。它支援面向物聯網的4G LTE連接，譬如NB-IoT和e-MTC。LTE SoC系列除了支援LTE蜂窩連接外，還可利用其內置的ARM Cortex M系統微型控制器提供一定的計算性能。此系列非常適合智慧城市的相關應用。 第四個產品系列是連接SoC。這個系列僅內嵌了MCU，因此計算性能有限；在連接方面，僅支持WiFi、藍牙及802.15.4連接。 第五

個產品系列是藍牙SoC。它結構簡單，擁有微型控制器，僅支援藍牙無線連接。 高通還和亞馬遜、微軟合作，在晶片的M4微型控制器中集成了它們的雲平臺SDK。通過這兩款平臺，高通的客戶可以為家居打造成本較低，但仍然具備智慧特性的產品。 “物”依“芯”聯：設計新概念、新技術和新方法 萬物互聯，依賴物聯網晶片。聯網設備種類繁多，對物聯網晶片的功能和性能提出了更多要求。物聯網晶片涉及的新概念、新技術和新方法層出不窮。 （1）eMTC與NB-IoT，3GPP的新寵 隨著物聯網的進步和成長，許多行業都在期待有一個低成本、微功耗、更高節點密度的LTE晶片，為行業帶來革命性的改變。為了應對這些要求，國際化

組織3GPP宣佈了兩個全新的LTE規格，一個是Cat-M1（eMTC），另一個是Cat-NB1（NB-IoT）。eMTC與NB-IoT在運營商佈局LTE時，複用現有的FDD-LTE和TDD-LTE的網路基本設施。因此通過少量的設備投資，網路就可以實現對Cat-NB1和Cat-M1的雙模支持，從而更高效、快速地支持物聯網的演進與成長。晶片性能高達1.2Gbps的峰值速率，支援全網通、雙SIM卡、雙VoLTE和LAA，首批商用終端即將上市。 （2）軟硬體協同設計方法縮短設計週期 zGlue提供晶片與系統設計方案，將物聯網產品設計與製造相結合，具有高集成度、系統靈活、成本更低、風險更低和上市時間

更短等特點。zGlue提供了一個完整的產品設計解決方案，包括zCAD軟體、ZIP集成平臺、zGlueSmart FabricTM系統管理基片和zGlue ZipPlet StoreTM。研發人員可以訪問zGlue ZipPlet StoreTM，從供應商提供的晶片組中選擇並配置所需功能，自動在zGlueSmart FabricTM上生成滿足市場需求的晶片產品。zGlue Zip設計自動生成硬體和軟體發展環境，在設計平臺上立即開始功能驗證，所以從產品概念到批量生產的研發週期被縮短，上市時間也提前了。 （3）eSIM晶片應用普及 eSIM卡的概念就是將傳統的SIM卡直接集成在各種物聯網晶片之上

，而不是作為獨立的可移除零部件加入設備中，使用者無須插入物理SIM卡。 如果說SIM卡是移動互聯時代的物種，那麼eSIM就是專門為萬物互聯時代量身打造的嵌入式集成晶片。簡單概括，eSIM具備不占空間、低成本、高安全等特性，在技術上有著SIM卡無法比擬的優勢。eSIM將成為物聯網設備的中樞神經。 目前，eSIM已經應用到了車聯網、共用單車和消費級電子設備等眾多領域。摩拜單車最新的智慧鎖就是基於eSIM晶片設計，實現了更省電、終身免維護，且防盜能力強等特點。eSIM這顆“芯”已經成為萬物互聯的硬體載體和安全信任的根本。 物聯網技術在智慧公用領域的應用由來已久。應用在表具（燃氣表、水錶和電錶）

上的“GPRS無線遠傳方案”通過GPRS移動通信網路實現伺服器與表具資料的資訊交互。物聯網表在實際應用中存在維護成本高、改造成本大、功耗大，以及在實際應用中往往長時間暴露於外部環境，使得傳統實體SIM卡容易氧化而引起接觸不良和掉線等問題。eSIM晶片可以避免此類問題，有效提高應用的穩定性和可靠性，從而大大降低實際運營中的維護成本。 智慧醫療領域中物聯網技術的應用已經逐步深入。但是在複雜的應用場景中，當前智慧醫療設備往往受到干擾性強、攜帶不方便等因素的困擾，導致實際應用效果不盡如人意。 智慧醫療設備通過內置eSIM卡技術避免了實體SIM卡的空間限制，有效縮小了配件產品的體積，可以輔助實現多種

醫療設備便捷式設計的實現，從而拓寬使用場景，有效提高抗干擾性，提升資料傳輸的可靠性和穩定性。因此，內置eSIM卡技術的應用對於便捷式智慧醫療設備業務拓展和功能延展有著重要意義。中國聯通正式宣佈在6座城市率先啟動“eSIM一號雙終端”業務的辦理，這也意味著可穿戴設備可以和使用者手機共用號碼。 （4）SDR概念加速研發進程 在通用的硬體平臺上用軟體實現各種通信模組的SDR（Software Defined Radio，軟體定義無線電）概念，其實早在3G時代就已經出現了。物聯網晶片企業從技術分類上來看，其實只有兩大類：一類是用傳統ASIC（Application Specific Integra

ted Circuit，專用積體電路）方式；另一類就是以SDR做物聯網晶片前端設計的方式。 低頻次連接、傳輸速率低的物聯網的出現，恰恰使SDR功耗高的短板變得不再重要，而使得軟體屬性晶片（泛指通過軟體設計的晶片，如SDR（軟體定義無線電）和SDN（軟體定義網路）基於FPGA基片，通過軟體程式設計而開發的晶片）特有的反覆運算迅速、製作成本低、定制化開發快等技術優勢被放大。基於SDR的物聯網晶片解決方案支援NB-IoT和LORA技術的雙模產品，可應用于智慧城市、智慧消防、智慧健康和智慧三表等領域。 （5）用於神經網路計算的高性能晶片 麻省理工學院（MIT）的研究人員開發出了一種可用於神經網路

計算的高性能晶片。該晶片的處理速度可達其他處理器的7倍之多，而所需的功耗卻比其他晶片少94%~95%。未來這種晶片將有可能被使用在運行神經網路的移動設備或物聯網設備上。 處理器在進行計算的時候，會在記憶體中來回移動資料。由於機器學習演算法需要大量的運算，因此在來回移動資料的時候會消耗大量能源。這些計算可以被簡化成一種具體的操作，這種操作被稱為點積（dot product）。他們的想法是，是否可以將這個點積功能部署到記憶體中，從而不用再不斷地移動這些資料。 神經網路晶片會將節點的輸入值轉化為電壓，然後在進行儲存和進一步處理的時候將其轉換為數位形式。這種做法讓這塊晶片能夠在一個步驟中同時對16個

節點的點積進行計算，而且無須在記憶體和處理器之間移動資料。這種處理方法更加接近於人類大腦的工作方式。 （6）積體電路工藝和封裝技術 物聯網晶片設計流程和製造工藝都必須創新，其中包括功率管理、電路簡化和成本降低。晶片的工藝節點從55nm遷移到28nm會節省更多成本。隨著工藝的發展，成本還會繼續下降。 另外還有其他降低成本的方法，如將多個感測器封裝到一個集群中以實現規模經濟的方法。這種方法背後的思想是，即使並不是所有的感測器都會被使用，但生產集群感測器的成本還是比單獨生產單個感測器的成本更低。 （7）虹雲工程推動物聯網覆蓋範圍 中國正在積極推進網路演進，發展下一代網路技術。有報導稱，中國

的虹雲工程會在2018年底發射首顆技術驗證星，開展低軌寬頻通信演示驗證及應用示範。2022年，中國將部署和運營整個衛星系統，構建156顆衛星組成的天基寬頻互聯網，形成以低軌寬頻通信為主，兼顧導航和遙感的綜合資訊系統。屆時，無論我們身處沙漠、海洋或飛機上，都能享受與家裡一樣的上網速度和服務體驗。 美國太空探索技術公司SpaceX星鏈（Starlink）計畫將開展對地通信測試。該專案計畫在2024年前發射近1.2萬顆小衛星，向全世界推出高速互聯網服務，助力物聯網的普及和發展。 關於本書 本書是“物聯網工程實戰叢書”的第2卷——《物聯網之芯：感測器件與通信晶片設計》。本書基於物聯網工程的實際應

用，系統介紹了感測器件與通信晶片的設計理念與方法，從源頭告訴讀者需要設計什麼樣的晶片，以及如何去設計這樣的晶片。 僅以此文致敬那些為物聯網的發展做出貢獻的工程師們！同時感謝在本書寫作和出版過程中提供過幫助的各位朋友！本書參考了較多文獻，但因為所參考的文獻繁多，未能一一列出，非常感謝文獻作者對促進我國物聯網工程技術的繁榮和發展所做出的貢獻。 曾凡太 于山東大學 2018年10月

全彩圖解通信原理：每天都在用的網際網路、行動通信，你了解多少？

為了解決大大寬頻光纖的問題，作者井上伸雄 這樣論述：

二十一世紀人人都該具備的資訊科學常識 詳細易懂的文字解說＋全彩視覺化圖表 帶你從軟體到硬體、從裡到外、從過去到未來 全面理解現代全球通信系統的運作機制 　　高速寬頻網路、智慧行動通信、WiFi、光纖、雲端、4G LTE…… 　　這些構築全球現代通信系統的關鍵技術， 　　背後的原理是什麼？如何演變至今，未來又將如何發展？ 　　人類為了克服時間與距離聯絡彼此，從書信到電報、電話、一直到現今的網路時代，通信技術的演進讓許多的不可能變成了可能，大大改變了人類世界。到底現今讓智慧型手機、Google、Facebook、LINE得以存在的網際網路、行動通信，是以怎樣的機制在運作？人類的通信能力又

是怎麼從純文字、聲音進化到能傳輸大量多媒體的系統？ 　　本書是最適合初學者理解通信系統的入門書，使用全彩圖解及簡單清楚的文字說明，將技術解釋得淺顯易懂，讓讀者能夠全面了解通信系統運作的原理，包括傳統電話與網路的不同、網路採用的架構與技術、寬頻、光纖、WIFI等的原理、手機與智慧手機如何使用電波通信、重要性與日俱增的「WLAN」（無線區域網路）的架構與技術等。 　　不論你是希望獲得相關知識的學生，或是對此領域感到好奇想深入了解，本書從基礎知識的介紹到最新科技的演進，由淺入深，帶你全面了解現代全球通信系統運作的原理，快速而紮實地掌握全面脈絡！ 　　本書將告訴你── 　　人類社會是怎麼在兩百

年間從電報、電話一路進步到寬頻網路時代的？ 　　頻寬、位元、封包通訊、路由器、網址、IP、雲端……這些網路名詞代表的是怎樣的技術？ 　　Email是怎麼運作的？大災難發生時，為什麼應該發Email而不是先打電話？ 　　數位信號是怎麼透過「光」、「電」傳送的？光經過光纖的時候不會外洩嗎？ 　　從手機進化到智慧型手機，它們的運作原理是什麼？3G、3.5G、3.9G、4G……有什麼不同？ 　　無線區域網路／WiFi是怎麼在空氣中傳輸信號的？藍芽又是怎麼運作？ 　　…… 　　進入數位時代，這些知識不只專業人士需要知道，更是人人該有的常識。 　　本書是最好的入門，帶你進入肉眼看不見卻無所不在、廣闊又神

奇的通信世界！ 專業推薦 　　楊家驤　台灣大學電機工程學系副教授 作者簡介 井上伸雄 　　畢業於名古屋大學工學院電氣工學系，於電電公社（現為NTT）進行數位傳輸、數位網路研發工作，同時為多摩大學榮譽教授。主要著作眾多，有《通訊基礎》、《電波基礎》、《通訊技術總論》、《IP網路架構》、《通訊&網路基礎辭典》、《最新通訊常識》、《通訊架構》、《多媒體通訊》等。 譯者簡介 李漢庭 　　一九七九年生，畢業於國立海洋大學電機系，自學日文小成。二〇〇三年進入專利事務所開始從事翻譯工作，二〇〇六年底開始從事書本翻譯。領域從電機專利文件乃至於小常識、生活醫學、科技等等的中日對譯，樂於在工作中

吸收新知識。目前嚐試將觸角延伸到特殊造型與影像創作，有各方面之作品。往後仍希望能接觸更多領域，增加知識廣度，同時磨練文筆。作品有《這樣讀出你的最高分》《來自新世界》《台上台下都吸引人的說話整理術》等書。 審訂者簡介 賴以威 　　師大附中、台大電機博士，目前任教於長庚大學。《聯合報》〈閱讀數學〉、《國語日報》〈123數學真好玩〉、《潮人物》〈算式的日常〉專欄作家。作品亦散見於《泛科學》、《Cheers快樂工作人》、《今周刊》等各大媒體。信奉數學大師約翰．馮．諾伊曼的名言：「If people do not believe that mathematics is simple, it is

only because they do not realize how complicated life is.」著有《超展開數學教室》（臉譜出版）、散文集《再見，爸爸》（時報出版），譯有《平面國》。歡迎加入個人臉書，請搜尋「賴以威」。 前言 第1章 從電話到網際網路 1 各種資訊媒體 2 「位元」是什麼？ 3 數位信號如何傳輸？ 4 數位信號傳輸速度有多快？ 5 高速通信和寬頻通信意思相同？ 6 電話和資料通信哪裡不同？ 7 網際網路所使用的封包通信是什麼？ 8 電話網路與網際網路哪裡不同？ 9 封包通信的優點在哪裡？ 10 為什麼封包通信延遲時間比較長？ 11 沒傳送

到的封包怎麼了？ 12 電話也能使用封包傳輸？ 13 什麼是全力傳送（Best Effort）？ 14 網際網路連接小規模網路 15 怎麼用網際網路傳送電子郵件？ 16 網路搜尋的架構是什麼？ 17 為什麼發生災難的時候，電子郵件比電話更容易取得聯絡？ 18 雲端是什麼？ 19 網際網路和IP網路哪裡不同？ 20 往後電話將轉為IP電話 21 使用網際網路的Skype電話架構 22 加密通信的架構是什麼？ Column 國際漫遊是什麼？ 第2章 現在是寬頻通信時代 1 怎樣才算寬頻？ 2 為什麼要用光來通信？ 3 如何將電氣訊號轉為光？ 4 光經過光纖不會外洩嗎？ 5 光纖傳輸使用哪種顏色的

光？ 6 光的分波多工是什麼意思？ 7 LAN：辦公室裡的網路 8 MAC位址和IP位址哪裡不同？ 9 100BASE-TX代表什麼意思？ 10 如何在家中使用寬頻通信 11 ADSL為什麼只有下行比較快？ 12 CATV如何連接網際網路？ 13 FTTH：光纖到府 14 FTTH三合一是什麼意思？ 15 PLC：利用家用電力線的通信方式 Column 智慧型手機的免費通訊APP「LINE」 第3章 不斷進化的手機 1 手機使用電波 2 手機適用怎樣的電波頻率？ 3 手機使用哪些電波頻率？ 4 何謂白金頻帶？ 5 手機如何區分頻道？ 6 手機的通信範圍（cell）是什麼？ 7 通信範圍大概多

大？ 8 基地台的天線為什麼有三支？ 9 手機的3G、4G代表什麼？ 10 PHS和手機哪裡不同？ 11 手機與智慧型手機哪裡不同？ 12 智慧型手機使用的電波 13 智慧型手機同時具備電話與資料傳輸功能 14 為什麼手機到哪裡都能通？ 15 手機與智慧型手機的網路連結 16 手機如何傳送簡訊 17 如何確認目前位置？ 18 緊急地震快報如何傳輸？ 19 如何實現高速資料傳輸 20 MIMO：使用兩支以上的天線來加快速度 21 3G手機的W-CDMA與CDMA2000有何不同？ 22 3.5G手機：HSDPA與HSPA 23 以超高速通信為賣點的3.9G手機LTE 24 4G手機會是什麼樣子？

25 WiMAX與手機有何不同？ Column iPhone 5c/5s與LTE 第4章 WLAN（無線區域網路）的世界無限寬廣 1 何謂WLAN（無線區域網路） 2 WLAN與WiFi意思相同？ 3 WLAN如何傳輸信號？ 4 WLAN使用什麼頻率的電波？ 5 IEEE802.11代表什麼？ 6 從IEEE802.11g演變為更快速的11n 7 目前最快的WLAN是什麼？ 8 為什麼WLAN比手機更快？ 9 最大傳輸速度是什麼意思？ 10 智慧型手機和平板電腦為什麼要使用WLAN？ 11 行動WiFi路由器與網路分享 12 藍芽的架構 參考文獻 索引 前言 　　 　　人類組成社會，社

會生活除了食衣住行之外，溝通也不可或缺；人類可以使用口與耳或肢體動作來交流意見，但若雙方相隔甚遠，看不見也聽不到，就需要利用其他的溝通工具與方法。 　　 　　古人用過狼煙（視覺通訊）和鼓聲（聲音通訊）等手段，但它們的傳達距離較短，能傳送的資訊量也不多，其他還有快馬傳書、飛毛腿傳書的方法，不過花費時間較長，能傳遞訊息的距離也有限制。 　　 　　通信的歷史一路走來，就是在克服時間與距離，並且增加可傳輸的資訊量。 　　 　　如今人類發明利用電來傳輸資訊的方法，一眨眼就能將訊息傳遞到地球另一端，總算開拓了一條克服時間與距離的康莊大道；但就算使用電氣技術，可傳輸的資訊量依然受到技術與成本的限制。 　　

　　光通信，則打破了這層障礙，使用光來取代電，用光纖傳輸光信號，大大增加了資訊傳輸量。 　　 　　人類在十九世紀前葉開始利用電來通訊，剛開始的技術稱為電報，在海底鋪設電纜，即使相隔大洋，大陸之間依然能夠瞬間通訊，大英帝國就因為支配了海底電纜，才能支配七大洋。 　　 　　十九世紀是電報時代，二十世紀則是電話時代，由於對話是人類溝通的基礎，電話讓相隔兩地的兩人可以對話，稱得上是劃時代的發明；有了電話，全世界的人類都能互相交談，也大大拓展了人類的活動範圍。 　　 　　二十一世紀則是網路時代、行動通信時代，傳輸資訊也從純文字進展到聲音，現在甚至還加入資料、影像而成為多媒體訊息，這都多虧了通信系統的進步

。 　　 　　本書第一章主要將解釋傳統電話與網路的不同，說明為人類帶來方便的網路，究竟採用了哪些架構與技術。 　　 　　第二章說明近年來需求量大增的寬頻通信，是以何種方法實現。 　　 　　第三章說明近代人類生活不可或缺的手機、智慧型手機，是如何使用電波通信。 　　 　　最後，第四章將說明重要性與日俱增的無線網路，含有什麼樣的架構與技術。 　　 　　本書是通信相關知識的入門書，因此在寫作時，特別將複雜的技術和原理解釋得淺顯易懂。人們常說通信不好懂，但我希望大家都能理解這肉眼看不見的通信系統，因此避開了困難的技術細節，使用插圖與簡單清楚的文字來說明。 　　 　　若讀者能透過本書，對我們日常所使用的

通信設備及背後原理產生些許興趣，就是我莫大的榮幸。 　　 　　井上伸雄2013年10月 第1章 從電話到網際網路「位元」是什麼？現代通信幾乎都是數位通信，電腦信號一開始就是數位，而現在連電話網路都會把類比聲音轉換為數位信號來傳送，電視影像也一樣要轉成數位。　數位信號是由1 與0 兩種數字組合而成，以文字來說，英文字母「A」就是「1000001」，漢字的「東」是「0100010101101100」（圖1），每個1 或0 的數字就是一個位元（bit），位元就是資訊量的單位，所以字母「A」有7 位元，漢字「東」有16 位元的資訊量。日文有平假名、片假名、漢字，字數比英文字母和數字要多，所以用1

與0 來排列組合日文，需要比英文更多的1 與0，也就是更多位元。　影像的表現方法又比文字更複雜，比方說最近的數位相機動輒千萬像素，假設將整個畫面分成圖2（a）那樣的許多小點，那麼整個畫面裡就有一千萬個像素。彩色影像的每個像素被分為紅（R）、綠（G）、藍（B）三原色來記錄，每個顏色的亮度都以8 位元（28=256 階）來表示，所以一個像素就有3×8 位元＝ 24 位元，一千萬像素就有一千萬×24 位元＝ 2 億4000 萬位元，也就是240M 位元（M：Mega，代表百萬）。　像電視這種動態影片的資訊量就更大，高畫質電視（High De¬nition Television, HDTV）的畫面大

約有207萬像素，如果每個像素都有24 位元，單一畫面就有50M 位元，而且電視影像每秒要傳輸三十張靜態圖片才能展現動態（圖3），所以每秒的資訊量就達到1.5G 位元（G：Giga，代表十億）。　我們也可以用位元組（byte）來代替位元，一個位元組等於8 位元，通常以數位信號傳輸資訊的時候，會以八位元為單位來分割，所以位元組比位元好用。以前面的數位相機照片來說，240M 位元的資訊量等於30M 位元組，數位高畫質電視1.5G 的資訊量大約等於187M位元組，而電腦記憶體與硬碟等儲存媒體的容量，也通常使用位元組來表示。　資訊的位元（位元組）愈多，就要花愈多時間來傳輸，而且又需要更大容量（位元組）

的記憶體、硬碟、CD 或DVD 等記憶媒體來儲存，經濟效益不好，所以人類發明了數位壓縮，僅保留重要的部分，藉此減少資料量。數位壓縮對資訊量龐大的影像、聲音來說相當有效，以數位相機的照片來說，使用JPEG 壓縮法可以將資訊量壓縮到1M 位元組左右，而電視影像的資訊量更可以用視訊編碼標準程式（Moving Picture ExpertsGroup, MPEG）的壓縮技術壓縮到數十分之一，甚至數百分之一。

以演化式計算來實現矽光子的逆向設計

為了解決大大寬頻光纖的問題，作者楊勝全 這樣論述：

近幾年來，隨著科技發展的進步，人工智慧(AI)、物聯網(IoT)和5G等新興產業帶動了網路應用的成長，尤其網路資料量幾乎呈現倍數的發展，使數據中心的應用佔據極重要的角色，而高畫質影音的應用越來越普及，也導致網路頻寬需求的成長，從骨幹到終端，都將持續地擴充與升級，目前光纖網路已逐漸從100G升級到400G，未來預計將朝更高的頻寬發展。以網路頻寬的需求來看，高頻寬自然需要透過更高速的訊號處理來達成目標，過去我們以電子來傳送數位資料，而未來我們利用光子來處理和傳輸訊號才是高頻寬時代的走向。而目前有一個嶄新的科技來解決這個問題，我們稱呼他為：矽光子。他可以實現高速光電轉換、傳輸與光譜訊號處理的相關功

能，並具備大幅度縮減模組尺寸，降低功率消耗和成本，提高可靠度的優勢，相較於銅導線，光子電路提供高速低耗以及寬頻的通道，所以矽光子技術扮演重要的關鍵，這也推動著科技的進步，也因此矽光子技術應用將成為下一個高科技時代的超新星。在本論文中，我們證明利用基因演算法搭配矽光子技術可以預測出光纖元件的結構來達到出色的表現，相對傳統的結構，大大的縮小了尺寸，也減少人工調整參數的部分，降低不必要的成本。