第二章、物理层
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物理层要解决什么问题？物理层协议的主要任务是什么？
物理层要解决的主要问题：
①. 物理层要尽可能屏蔽掉物理设备、传输媒体和通信手段的不同，使上面的数据链路层感觉不到这些差异的存在，而专注于完成本层的协议与服务。
②. 给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力。为此，物理层应解决物理连接的建立、维持和释放问题。
③. 在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路。
物理层协议的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的一些特性：
①. 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。常见的各种规格的电源接插件都有严格的标准化的规定。
②. 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
③. 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
④. 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 -
规程与协议有什么区别？
在数据通信的早期，对通信所使用的各种规则都称为“规程”（procedure），后来具有体系结构的计算机网络开始使用“协议”（protocol）这一名词，以前的“规程”其实就是“协议”，但由于习惯，对以前制定好的规程有时仍常用旧的名称“规程”。 -
物理层的接口有哪几个特性？各包含什么内容？
（1）机械特性：指明接口所用的接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
（2）电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
（3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何意。
（4）规程特性：说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 -
试给出数据通信系统的模型，并说明其主要组成构件的作用。
一个数据通信系统可划分为三大部分： 源系统（或发送端）、传输系统（或传输网络）、和目的系统（或接收端）。
源系统一般包括以下两个部分：
•源点：源点设备产生要传输的数据。例如正文输入到PC机，产生输出的数字比特流。
•发送器：通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。例如，调制解调器将PC机输出的数字比特流转换成能够在用户的电话线上传输的模拟信号。
•接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。例如，调制解调器接收来自传输线路上的模拟信号，并将其转换成数字比特流。
•终点：终点设备从接收器获取传送过来的信息。 -
请画出数据流的不归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的波形(从高电平开始)。
10000101111：
101100101：
10100011：
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“比特/秒”和“码元/秒”有何区别？
比特/秒是指信息传输速率，每秒钟传送的信息量；码元/秒是码元传输速率，每秒钟传送的码元个数。两者在二进制时相等。在多进制时，信息传输速率要乘以log以2为底的进制数等于码元传输速率。 -
假定某信道受奈氏准则限制的最高码元速率为20000码元/秒.如果采用幅移键控，把码元的振幅划分为16个不同等级来传送,那么可以获得多高的数据率(bit/s）？
C=R·Log2(16)=20000b/s*4=80000b/s
奈氏准则：理想状态下的最高码元传输速率为2w Baud.
理想带通信道的最高码元传输速率为1w Baud.
香农公式：信道的极限信息传输速率C可表示为：C=W·log2(1+S/N) b/s
W为信道带宽（Hz），S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部到高斯噪音功率.
信噪比为S/N ，表明信道的带宽或信道中的信噪比越大,则信道的极限传输速率就越大. -
假定要用3kHz带宽的电话信道传送64kbit/s 的数据（无差错传输），试问这个信道应该具有多高的信噪比（分别用比值和分贝来表示），这个结果说明什么问题？
S/N为信道的【信噪功率比】，【信道功率比】一般不简称为【信噪比】。
香农公式：C=W∗log2(1+SN)bit/sC = W*log_2(1+\frac{S}{N}) bit/sC=W∗log2(1+NS)bit/s
信噪比转换公式：信噪比 =10Log10(SN)=10Log_{10}(\frac{S}{N})=10Log10(NS)
C = 64 kbit/s = 64000 bit/s
W = 3 kHz = 3000 Hz
SN≈2642244.95\frac{S}{N} \approx 2642244.95NS≈2642244.95
db =10Log10(SN)=10Log10(2642244.95)≈64.2(db)=10Log_{10}(\frac{S}{N})=10Log_{10}(2642244.95) \approx 64.2(db)=10Log10(NS)=10Log10(2642244.95)≈64.2(db) ，是个信噪比很高的信道 -
试解释以下名词：数据、信号、模拟数据、模拟信号、基带信号、带通信号、数字数据、数字信号、码元、单工通信、半双工通信、全双工通信、串行传输、并行传输。
数据：是运送信息的实体。
信号：则是数据的电气的或电磁的表现。
模拟数据：运送信息的模拟信号。
模拟信号：连续变化的信号。
基带信号（即基本频带信号）：来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
带通信号：把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）
数字信号：取值为有限的几个离散值的信号。
数字数据：取值为不连续数值的数据。
码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形
单工通信：即只有一个方向的通信而没有反方向的交互。
半双工通信：即通信和双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间再反过来。
全双工通信：即通信的双方可以同时发送和接收信息。
串行传输：是指数据是从一个比特一个比特一次发送的，因此在发送端和接收端之间只需要一条传输线路即可。
并行传输：是指一次发送n个比特而不是一个比特，为此，在发送端和接收端之间需要有n条传输路线。 -
常用的传输媒体有哪几种？各有何特点？
常见的传输媒体有以下几种:
1.双绞线
双绞线分屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线。由两根相互绝缘的导线组成。可以传输模拟信号，也可以传输数字信号，有效带宽达250kHz，通常距离一般为几到十几公里。导线越粗其通信距离越远。在数字传输时，若传输速率为每秒几兆比特，则传输距离可达几公里。一般用作电话线传输声音信号。虽然双绞线容易受到外部高频电磁波的干扰，误码率高，但因为其价格便宜，且安装方便，既适于点到点连接，又可用于多点连接，故仍被广泛应用。
2.同轴电缆
同轴电缆分基带同轴电缆和宽带同轴电缆，其结构是在一个包有绝缘的实心导线外，再套上一层外面也有一层绝缘的空心圆形导线。由于其高带宽（高达300~400Hz）、低误码率、性能价格比高，所以用作LAN中。同轴电缆的最大传输距离随电缆型号和传输信号的不同而不同，由于易受低频干扰，在使用时多将信号调制在高频载波上。
3.光导纤维
光导纤维以光纤维载体，利用光的全反向原理传播光信号。其优点是直径小、质量轻：传播频带宽、通信容量大：抗雷电和电磁干扰性能好，五串音干扰、保密性好、误码率低。但光电接口的价格较昂贵。光纤被广泛用于电信系统铺设主干线。
4.无线电微波通信
无线电微波通信分为地面微波接力通信和卫星通信。其主要优点是频率高、频带范围宽、通信信道的容量大；信号所受工业干扰较小、传播质量高、通信比较稳定；不受地理环境的影响，建设投资少、见效快。缺点是地面微波接力通信在空间是直线传播，传输距离受到限制，一般只有50km，隐蔽性和保密性较差；卫星通信虽然通信距离远且通信费用与通信距离无关，但传播时延较大，技术较复杂，价格较贵。 -
为什么要使用信道复用技术？常用的信道复用技术有哪些？
信道复用的目的是让不同的计算机连接到相同的信道上，以共享信道资源。在一条传输介质上传输多个信号,提高线路的利用率，降低网络的成本。这种共享技术就是多路复用技术。常用的复用技术有频分复用、时分复用、统计时分复用、码分复用以及波分复用
频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）：所有用户在同样的时间占用不同的频带资源。
时分复用（TDM，Time Division Multiplexing）：所有用户在不同的时间占用相同的频带资源。
统计时分复用：通过集中器将数据集中起来发送
波分复用：光的频分复用。
码分复用（码分多址）：所有用户在同样的时间使用同样的频带通信，并且互不干扰。
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试写出下列英文缩写的全文，并进行简单的解释。 FDM，TDM，STDM，WDM，DWDM，CDMA，SONET，SDH，STM-1，OC-48。
FDM(frequency division multiplexing)频分复用，同一时间同时发送多路信号。所有的用户可以在同样的时间占用不同的带宽资源。
TDM(Time Division Multiplexing)时分复用，将一条物理信道按时间分成若干时间片轮流地给多个用户使用，每一个时间片由复用的一个用户占用，所有用户在不同时间占用同样的频率宽度。
STDM(Statistic Time Division Multiplexing)统计时分复用，一种改进的时分复用。不像时分复用那样采取固定方式分配时隙，而是按需动态地分配时时隙。
WDM(Wave Division Multiplexing)波分复用，在光信道上采用的一种频分多路复用的变种，即光的频分复用。不同光纤上的光波信号（常常是两种光波信号）复用到一根长距离传输的光纤上的复用方式。
DWDM(Dense Wave Division Multiplexing)密集波分复用，使用可见光频谱的宽带特征在单个光纤上同时传输多种光波信号的技术。DWDM 可以利用一根光纤同时传输多个波长，多路高速信号可以在光纤介质中同时传输，每路信号占用不同波长。
CDMA(Code Wave Division Multiplexing)码分多址，是采用扩频的码分多址技术。用户可以在同一时间、同一频段上根据不同的编码获得业务信道。
SONET(Synchronous Optical Network)同步光纤网,是以分级速率从155Mb到2.5Gb/s的光纤数字化传输的美国标准，它支持多媒体多路复用，允许声音、视频和数据格式与不同的传输协议一起在一条光纤线路上传输。
SDH(Synchronous Digital Hierarchy)同步数字系列指国际标准同步数字，SDH 简化了复用和分用技术,需要时可直接接入到低速支路,而不经过高速到低速的逐级分用，上下电路方便。
STM-1（Synchronous Transfer Module）第1级同步传递模块，SDH的基本速率，相当于SONET体系中的OC-3速率。
OC-48（Optical Carrier）第48级光载波，是SONET体系中的速率表示，对应于SDH的STM-16速率，常用近似值2.5Gb/s -
码分多址CDMA为什么可以使所有用户在同样的时间使用同样的频带进行通信而不会互相干扰？这种复用方法有何优缺点？
各用户使用经过特殊挑选的相互正交的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。占用较大的带宽。
优点是容量大，有很强的抗干扰能力，发送功率小。缺点是技术相对复杂。 -
共有4个用户进行码分多址CDMA通信。4个用户的码片序列为：
A：（－1－1－1＋1＋1－1＋1＋1） B：（－1－1＋1－1＋1＋1＋1－1）
C：（－1＋1－1＋1＋1＋1－1－1） D：（－1＋1－1－1－1－1＋1－1）
现收到这样的码片序列S：（－1＋1－3＋1－1－3＋1＋1）。问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的是0还是1？
S·A =（＋1－1＋3＋1－1＋3＋1＋1）／8 = 1， A发送1
S·B =（＋1－1－3－1－1－3＋1－1）／8 = -1， B发送0
S·C =（＋1＋1＋3＋1－1－3－1－1）／8 =0， C无发送
S·D =（＋1＋1＋3－1＋1＋3＋1－1）／8 =1， D发送1 -
试比较xDSL，HFC 以及FTTx接入技术的优缺点。
xDSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。成本低，易实现，但带宽和质量差异性大。
HFC 网的最大的优点具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。要将现有的 450MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750MHz 双向传输的 HFC 网需要相当的资金和时间。
FTTx（光纤到……）这里字母x可代表不同意思。可提供最好的带宽和质量、但现阶段线 路和工程成本太大。
ADSL最大的好处是利用现有电话网中的用户线，改造成本低，每户独占该用户线，并可以同时上网和打电话，但接入速率与用户线的质量和长度有很大关系。
HFC的优点是利用现有的有线电视系统，传输带宽高但是要将现有单向传输的有线电视电缆改造为双向通信的电缆，小区用户共享同一媒体。
FTTx带宽高，是解决宽带接入最理想的方案，但需要铺设大量光纤，投入的建设成本较高。 -
为什么ADSL 技术中，在不到1MHz 的带宽中却可以传递速率高达每秒几个兆比特？
靠先进的编码，使得每秒传送一个码元就相当于每秒传送多个比特。 -
判断一下正误。
（1）DSL和电话网拨号接入技术都要通过电话网经过电话交换机连接到ISP的路由器的。（×）
原因：拨号上网使用拨号调制解调器，利用电话网（电路交换）在用户计算机与ISP的路由器之间建立一条物理链路（话音信道），使用这条话音信道传输数据。而DSL仅使用用户线，利用频分复用技术将用户线划分了数据信道和话音信道分离，上网的数据并不通过电话网。
（2）通过ADSL上网的同时可以利用同一电话线打电话。（√）
原因：ADSL仅使用用户线，利用频分复用技术将用户线划分了数据信道和话音信道分离，上网的数据并不通过电话网，因此可以同时上网和打电话。
（3）双绞线由两个具有绝缘保护层的铜导线按一定密度互相绞在一起组成，这样不容易被拉断。（×）
原因：双绞线由两个具有绝缘保护层的铜导线按一定密度互相绞在一起组成，这样可以降低信号干扰的程度。
（4）信道复用技术可以将多路信号复用到同一条传输线路上进行传输，而不会混淆，因此能将该传输线路的带宽成倍增加。（×） -
请比较电话拨号上网和通过ADSL上网的区别。
拨号上网使用拨号调制解调器，利用电话网（电路交换）在用户计算机与ISP的路由器之间建立一条物理链路（话音信道），使用这条话音信道传输数据，因此不能同时打电话和上网。而ADSL仅使用用户线，利用频分复用将用户划分为了数据信道和话音信道，上网的数据并不通过电话网，因此可以同时上网和打电话，并且因为不受话音信道频带宽度的限制可以提供更高的数据带宽。
转载自 《计算机网络教程第五版|微课版》著者：谢钧、谢希仁
