《计算机网络（第7版）谢希仁 著》第二章 物理层 要点及习题总结

Posted 2020-11-24 yijiahao

1.物理层基本概念：物理层考虑的是怎样才能再连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体

2.物理层特性：机械特性，电气特性，功能特性，过程特性

3.数据通信系统：分为源系统（发送端）、传输系统（传输网络）、目的系统（接收端）三大部分，通信的目的是传送消息，数据是运送消息的实体，信号则是数据的电气或电磁的表现，通信系统必备的三大要素：信源，信道，信宿

4.信号：

　　（1）模拟信号（连续信号）

　　　　代表消息的参数的取值是连续的，连续变化的信号，用户家中的调制解调器到电话端局之间的用户线上传送的就是模拟信号。

　　　　

　　（2）数字信号（离散信号），代表消息的参数的取值是离散的。用户家中的计算机到调制解调器之间，或在电话网中继线上传送的就是数字信号。在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。 在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。（1码元可以携带的信息量不是固定的，而是由调制方式和编码方式决定的，1码元可以携带n bit的信息量，可以通过进制转换和多级电平）

　　　　

5.信道

　　（1）基本概念：信道一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。 

　　（2）通信双方的交互方式：

　　　　①单工通信（单向通信）：即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互，例如：无线电广播，有线电广播

　　　　②半双工通信（双向交替通信）：即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来。例如：对讲机

　　　　③全双工通信（双向同时通信）：即通信的双方可以同时发送和接收信息。例如：打电话

　　（3）调制和解调

　　　　原因：信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。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。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成 分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量，所以必须对基带信号进行调制

　　　　调制：

　　　　①基带调制：仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号，由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码。常用编码方式分为不归零编码，归零编码，曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码四种

　　　　②带通调制：使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道），基本的带通调制方法有调幅，调频，调相三种，为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如，正交振幅调制 QAM

　　　　调制解调器：将数字信号和模拟信号互相转换

　　（4）信道的极限容量

　　　　①信道能够通过的频率范围

　　　　　在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

　　　　　1924 年，奈奎斯特(Nyquist) 就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。

　　　　　码元的传输速率受奈氏准则的限制（模拟信号） 

　　　　　奈氏准则的推导可以在通信原理教科书中查阅

　　　　②信噪比

　　　　　信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为 SIN，并用分贝（dB）作为度量单位，即：

　　　　　　　信噪比（dB) = 10 log10(S/N) (dB) 

　　　　　例如，当 S/N= 10 时，信噪比为 10 dB，而当 S/N= 1000 时，信噪比为 30 dB。

　　　　　在 1948 年，信息论的创始人香农（Shannon）推导出了著名的香农公式。

　　　　　香农公式：

　　　　　信道的极限信息传输速率 C 是：

　　　　　　　C = W log2(l+S/N) (bit/s)

　　　　   W为信道的带宽（以 Hz 为单位）；s 为信道内所传信号的平均功率； N为信道内部的高斯噪声功率。

　　　　   香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高

　　　　　只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输

　　　　　信息传输速率受香农公式的限制（数字和模拟信号）

6.物理层下面的传输媒体

　　（1）导引型传输媒体：在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播

　　　　①双绞线：双绞线也称为双扭线，是最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。由于双绞线的价格便直且性能也不错，因此使用十分广泛。

　　　　　

　　 　　

 

 

　　　　②同轴电缆：同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体 屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区 中。同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。目前高质量的同轴电缆的带宽己接近 1 GHz。

　　　　　　　　

　　　　③光纤：光纤通信就是利用光导纤维（以下简称为光纤）传递光脉冲来进行通信。

　　　　　　

 

 　　　　　　单模光纤：若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射

　　　　　　 多模光纤：多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真。因此多模光纤只适合于近距离传输

　　　　　　

 

 　　（2）非导引型传输媒体：非导引型传 输媒体中电磁波的传输常称为无线传输

　　　　①短波通信（高频通信）：靠电离层的反射

　　　　②无线电微波通信：微波在空间主要是直线传播，分为地面微波接力通信和卫星通信

7.信道复用技术

　　集线器：信号放大和重发，扩大传输范围，是一个大的冲突域，带宽平分

　　（1）频分复用：用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带

　　　

　　（2）时分复用：时分复用的所有用户是在不同的时间占 用同样的频带宽度

　　　　

 

 　　（3）统计时分复用STDM：一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器常使用这种统计时分复用。统计时分复用使用 STDM 帧来传送复用的数据。但每一个 STDM 帧中的时隙数小于连 接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序 依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入 STDM 帧中。对没有数据的缓存就跳过去。 当一个帧的数据放满了，就发送出去。因此， STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态 地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率，统计复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用，每个时隙中还必须有用户的地址信息

　　　　

 

 　　（4）波分复用：一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号

　　　　

 

 　　（5）码分复用：人们更常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access）。每一个用户可以在同样的 时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间 不会造成干扰。CDMA 系统的一个重要特点就是这种体制给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交（orthogonal）。在实用的系统中是使用伪随机码序列。 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和 T 的 规格化内积（inner product）都是 0，即任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是 1，而一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1

　　　　

 

8.数字传输系统（电话网的传输技术）

　　PCM：脉冲编码调制　　

　　长途干线大都采用时分复用 PCM 的数字传输 方式

　　多路复用的速率体系：

　　①E1时分复用（欧洲）：8000*8*32=2.048 Mb/s

　　②T1（北美和日本）：24*64kbps+8kbps的控制信号

9.宽带接入技术

　　（1）ADSL：非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line）技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。ADSL 所能得到的最高数据传输速率还与实际的用户线上的信噪比密切相关。其中 25 个子信道用于上行信道，而249 个子信道用于下行信道，并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。

　　

　　人耳听到：300Hz

　　人耳识别：3400Hz

　　（2）光纤同轴混合网：光纤同轴混合网（HFC 网，HFC 是 Hybrid Fiber Coax 的缩写〉是在目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网，除可传送电视节目外，还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。

　　（3）FTTx：光纤入户

 

10.练习题

 

一、选择题

1.各种网络在物理层互联时要求（   ）

A.数据传输率和链路层协议相同 

B.数据传输率相同，链路层协议可不同

C.数据传输率可不同，链路层协议相同

D.数据传输率和链路层协议都可不同

 

2.物理层的主要功能是实现（  ）的正确的传输

A.位流

B.帧

C.分组

D.报文

 

3.在OSI参考模型的层次中，（  ）的数据传送单位是比特

A.物理层

B.数据链路层

C.网络层

D.传输层

 

4.当数字信号在模拟传输系统中传输时，在发送端和接收端分别需要（  ）

A.调制器和解调器

B.解调器和调制器

C.编码器和解码器

D.解码器和编码器

 

5.调制解调器（Modem）的功能是实现（）

A.数字信号的编码

B.数字信号的整形

C.模拟信号的放大

D.数字信号与模拟信号的转换

 

6.在计算机通信中，传输的是信号，把直接由计算机产生的数字信号进行传输的方式为（  ）传输

A.基带传输

B.宽带传输 

C.调制

D.解调

 

7.在同一时刻，通信双方可以同时发送数据的信道通信方式为（）

A.半双工通信

B.单工通信

C.数据报 

D.全双工通信

 

8.某信道的信号传输率为1000Baud，若想令其数据传输率达到4kb/s，则一个信号码元所取的有效离散值个数是（    ）（有效离散值个数是指有多少个组合） 

A.16

B.8

C.4

D.2

 

9.通信系统必须具备的三个基本要素是

A.终端、电缆、计算机

B.信号发生器、通信线路、信号接收设备

C.信源、信道、信宿

D.终端、通信设施、接收设备

 

10.在网络中，将语音与计算机产生的数字、文字、图形与图像同时传输，将语音信号数字化的技术是（   ）

A.差分Manchester编码  

B.PCM技术 

C.Manchester编码  

D.FSK方法

 

11.将物理信道的总频带宽分割成若干个子信道，每个子信道传输一路信号，这就是（  ）。 

A.同步时分多路复用

B.空分多路复用

C.异步时分多路复用

D.频分多路复用

 

12.通常所说的ADSL是指（   ）。

A.上网方式

B.电脑品牌

C.网络服务商

D.网页制作技术  

 

13.个人计算机通过电话线拨号方式接入因特网时，应使用的设备是（  ）。

A.交换机

B.调制解调器

C.电话机

D.浏览器软件

 

14.根据香农公式,在带宽为6000Hz，噪比为30dB的通信信道极限传输速率是多少Kbps？（  ）

A.20

B.30

C.50

D.60

 

15.能够说明“信噪比越大信息的极限传输速率越高”的是(    )

A.带宽 

B.傅里叶原理 

C.香农原理

D.奈奎斯特原理

 

二、判断题

 

（  ）1.传输媒体的接口电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压和电流的范围。

（  ）2.假设向量S表示站S的码片向量， T表示其他任何站的码片向量。则两个不同站的码片序列正交，指的是向量S和T的规格化内积都是0。

（  ）3.调制解调器的下行速率一般比上行速率高。

（  ）4.上行信道一般比下行信道的频谱宽。

（  ）5.ADSL调制解调器可以不用成对使用。

（  ）6.所谓信噪比就是信号的平均功率和总功率之比，常记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位。

（  ）7.香农公式的意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种方法来实现无差错的传输。

（  ）8.CDMA的一个重要特点是：每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交。

（  ）9.CDMA中的每个站都将被指派一个唯一的 m bit 码片序列。如果要发送比特 0，则发送自己的 m bit 码片序列。

（  ）10.在CDMA中，令向量 S 表示站S的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。则S与T的规格化内积为1。

 

 

 

 

 

 

 

参考答案：

1-5：AAAAD 6-10：ADACB 11-15：DABDC

1-5：×√√×× 6-10：×√√××