最全33大系列1000+節【理科生必刷】Crash Course 10分鐘速成課 33大系列之工程學外教講解課 快速對工程相關學科有個深度瞭解 P43 - 工程學-42-油管存在之基-通信

這段影片非常特別 你現在聽到這些話 是在我說完幾個月 甚至幾年後 但每件事都仍然清晰 彷彿我們正坐在同一間房間裡 記錄和傳輸各種資訊的能力是現代工程的核心 也是我們所知世界的基 礎這就是為何有人說我們正處於資訊時代 無論你是在使用手機、打開收音機 還是彈奏你的電吉他 你一直在發送和接收信號 要讓所有這些資訊準確到達該去的地方 你將需要訊號處理 作為工程師 溝通不僅僅是在休息室裡閒 聊不論你是在觀看YouTube影片、使用衛星導航 還是只是打個電話 都存在著溝通 訊號是我們在進行此操作時所傳送資訊的表現形 式文字、聲音、圖片 甚至電腦檔案在傳送時都會轉換成訊號 溝通真正指的是將資訊從一個地方傳送到另一個地方 基本任務是將內容轉換為訊號 進行傳輸 然後在另一端再轉換回內容 這些步驟稱為訊號處理 訊號本身將是通過導線的電流或電磁波 例如無線電波或光 波不論你選擇如何傳遞它 整個過程基本上是相同的 遠端溝通的問題 工程评测早在數位電腦問世之前就已經面臨 Merci 我們在《電氣工程史》中看到過這樣的例子 其中包含了塞繆爾·莫爾斯於1837年發明的電報 Kerr 他在設計中 操作員壓下一個稱為「鍵」的桿桿 以完成電路並沿導線傳輸電流 在另一端 有一台稱為「記數器」的機器會接收電流並在紙上做記號 操作員透過按壓鍵鈕不同長短的時間 可以使收銀機畫出小點和短線 這些符號組成了一則訊息 莫爾斯電報機的關鍵和電碼都是所謂的轉換器的範例 傳感器將物理資訊 例如操作員推動桿的動作 轉換成信號 或者反過來 為了拍攝這段影片 例如 目前我所使用的麥克風和相機這類輸入換能器 這會測量環境中的聲音和光線並轉換成電信號 觀看影片涉及輸出換能alan 例如你的立體聲耳機和顯示器 然而 與莫斯電碼系統不同 信號在轉換器之間不會保持同一種形式 它可能最初是相機中的電流 然後轉換成記憶卡上的檔案 當我們將檔案傳送至電腦或上傳至網際網路時 它會再次以訊號形式傳送 並儲存在 YouTube 的伺服器上 在你要求將訊號以最終形式傳送給你 並轉換回光與聲音之前 至少會如此 莫爾斯電碼系統之所以受到歡迎 是因為它簡單且極易使用 開啟了我們今天所享受的即時通訊時代 巧妙之處在於找到一種方法 將人們所理解的普通字母和單字所代表的資訊 轉換成可以以電流傳輸的形式 編碼是訊號處理中的關鍵部分 訊號需要一種適合傳輸的資訊表示方式 一百年後 莫爾斯電報被更為複雜且便利的通訊方式 如電話和收音機所取代 但這些方法 以及至今為止的網 Swansea 仍然基於編碼 改變的是資訊的編碼方式以及傳輸方式 考慮無線電波 例如用來在手機和基地台之間傳輸信號的那種無線電波 正是無線電的波動特性 讓你的手機能編碼你需要撥打電話的資訊 工程師設計硬體來改變或調製該波的行為 以編碼關於麥克風附近空氣壓力的資訊 換句話說 就是聲音的物理效應 調幅和調頻是兩種最常見的方式 也就是AM和FM 這就是收音機調頻旋鈕上名稱的由來 調整波的振幅或強度 而另一個則改變波的頻率或相鄰峰之間的距離 電報信號一樣 傳輸的波會攜帶你想要的資訊 然後在另一端被解碼 類似的方法甚至可以表現聲音和圖像 這就是電視廣播的工作原理 但是這些方法有兩個相當大的限制 第一個是容量 電波的訊號可以被視為由其他較簡單的波疊加而成 具體來說 你可以將一個信號表示為不同頻率無線電波的總和 訊號能編碼的資訊量 以及同時傳送的數量 都受到頻寬的限制 而頻寬指的是你能表現的不同頻率範圍 將信號視為流體 無線電頻道視為管道 帶寬就像管道的大小 控制一次能流過多少流體 另一個問題是噪音 當無線電波穿越大氣層時 它們會互相干擾 並因路徑上的物體而產生扭曲 這都會導致訊號失真 因此 對方接收到的訊號通常會與你傳送的訊號有很大差異 噪音是指任何會以隨機方式改變訊號原始形式的東西 訊號越嘈雜 接收到的訊息就會越失真、越難辨 識這就是為什麼老式電視機有時會出現畫面雪花噪點的現象 若以管子為喻 噪音即為管子對流體造成的任何污染 改變其濃度 一條微小受污染的管子 很難有效地傳輸大量乾淨的水 因此 你可以想像得到 噪音大且頻寬低的通道並不適合傳送在接收端能夠可靠解碼的訊號 更糟糕的是 這兩個問題在有線通訊中也會發生 電流沿導線傳輸的信號也是一種波 其振幅由某一時間點電流的強度來表示 那就是我們如何調節電流來傳輸訊號 但這也意味著這些訊號同樣會受到雜訊和容量問題的影響 無線電和有線通訊在第二次世界大戰期間面臨這些問題 這引起了工程師兼數學家克勞德·香農的注意 1948年 他發表了《通訊的數學理論》 這本書徹底改變了工程師對資訊本質的看法 以及如何可靠地傳送資訊的觀念 香農的貢獻之一是提出了一個數學公式 用以確定在特定速率下傳送訊號所需的條件 請想像透過一條嘈雜的電線傳送摩斯電碼訊息 程式中的每個段落代表一個點或一個破折號 也就是了一会你可能會稱之為訊息的一個位元 位元代表二進位數字 因為我們訊息的每個部分只佔據兩種狀態中的一種 在論文中 香農提出了一個公式 用以計算在已知訊號功率、雜訊量及頻道頻寬的情況下 每秒可傳輸的位元數 也就是資料傳輸速率 當你的網路服務提供商宣稱速度為每秒50兆比特時 這就是夏農的訊號傳輸速率 他發現訊號功率與雜訊功率的比率才決定傳輸速率 因此 信號必須足夠強 或者頻寬必須足夠大 才能有這麼多頻率來代表信號 使得噪音無法同時影響所有頻率 除了這個方便的公式 香農還提出了許多計算可靠通訊所需精確條件的基礎工作 他同時也思考出你需要哪些訊號來表達你試圖傳達的資訊 當訊號處理進入數位時代時 這項工作將變得至關重要 數位信號使用一組有限的明確狀態來表示資訊 而不是波動的連續變化 與FM收音機不同 頻率的變化會直接轉換成聲音的變化 數位收音機則是將資料一塊傳送 所有資料都在接收端重新組合 由於信號的不同狀態更為明顯 因此它們較不易受到噪音的影響 即使訊號受到扭曲 較大的差異也比小的差異更容易區分 摩斯電碼 以其點、劃和空格 是一種早期的數位通訊系統 但直到電腦的出現 數位信號才真正開始興起 正是夏農的研究讓電腦科學家和電氣工程師能夠找到以1和0來編碼各種資訊的方法 我們現在稱之為二進位碼 數位信號已經成為運算的基礎 所有與之相關的資料至今仍在使用 當然 我們才剛剛接觸到表面 訊號處理與一些嚴峻的技術挑戰有所重疊 其中包括實際將各種資訊編碼為訊號 並建立如電話線路和無線網路路由器等傳輸渠道 而且還有建構能傳輸最終輸出的硬體的挑戰 例如電腦顯示器和耳機 但最終結果是 你可以在世界任何地方 輕按一下按鈕就能串流播放這樣的影片 我可能有點偏見 但我想那真的很酷 在這集裡 我們探討了訊號處理的基礎知識 我們看到需要將資訊表示為訊號以便傳輸 莫斯密碼就是其中一個例子 我們說明了有線和無線通訊可能面臨頻寬容量和雜訊的問題 以及克勞德·香農如何量化這個問題 使得工程師能夠繞過這些限制 進而帶來數位時代 下次我們將出海 探討如何利用船隻和海洋工程移動實體物體 工程速成課是由PBS數位工作室製作 該工作室也製作《聰明一點也沒關係》 一個關於我們奇妙宇宙以及讓其成為可能的科學節目 由喬·漢森博士主持 請查看描述中的連結 《 Crash Course 》是由 Complexly 製作的節目 本集是在辛尼博士工作室拍攝的 並得到了這些優秀人士的協助 我們精彩的圖形團隊是思維咖啡