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1.物理层

物理层

• 协议：RJ45、CLOCK、IEEE802.3 （中继器，集线器）
• 作用：通过媒介传输比特,确定机械及电气规范（比特Bit）

1.1 通信基础

• 数据 (data) —— 运送消息的实体。

• 信号 (signal) —— 数据的电气的或电磁的表现。

• 模拟信号 (analogous signal) —— 代表消息的参数的取值是连续的。

• 数字信号 (digital signal) —— 代表消息的参数的取值是离散的。

• 码元 (code) —— 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。

• 信道 —— 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。

• 单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

• 双向交替通信（半双工通信）——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)。

• 双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

• 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。

• 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。因此必须对基带信号进行调制 (modulation)。

1.2 奈奎斯特定理

通信领域：
带宽：信号最高频率与最低频率之差（通信线路允许通过的信号频率范围）。单位为Hz。

计算机网络中：
带宽：网络的通信线路所能传送数据的能力（单位时间内网络中两点之间所能通过的“最高数据率”）。单位为bit/s。

采样定理（奈奎斯特）：将模拟信号转换为数字信号时，假设原始信号中的最大频率为f，那么采样频率f采样必须大于或等于最大频率f的两倍，这样才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息。

在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

奈奎斯特定理公式：
无噪声最大传输速率Cmax = f_采样 * log₂N = 2f * log₂N（bit/s）

其中，f表示理想低通信达的带宽，N表示每个码元的离散电平的数目。

eg1：对一个无噪声的4KHz的信道进行采样，可达到的最大数据传输速率是 (无限大)。    
    原因：在4KHz的信道上，采样频率要达到8KHz（每秒进行8K次采样）。    
    如果每次采样可以取得16bit的数据，那么信道就可以发送128kbit/s的数据。
    如果每次采样可以取得1024bit的数据，那么信道就可以发送8Mbit/s的数据。
    所以，只要每个码元能够携带更多的比特，最高码元传输速率就可以是无限大的。

    用奈奎斯特定理公式解释就是：无噪声最大传输速率Cmax = 8K * log2N，其中N未知，所以最大传输速率可以无限大。（但是香农定理不允许最大传输速率为无限大）

1.3 香农定理

信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比。（常记为：S/N，单位为：dB分贝）
公式为： 信噪比（dB）= 10 log₁₀（S/N） （dB）

eg2：
    当 S/N = 10 时，信噪比为 10 dB
    当 S/N = 1000时，信噪比为 30 dB。

香农公式：
信道的极限信息传输速率 C 可表达为：
C = W log₂(1+S/N) (bit/s)

其中： 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，则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，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。

• 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。

• 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

奈奎斯特定理指出了码元传输的速率是受限的；
香农公式给出了信息传输速率的极限。

eg3：电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则该系统的最大数据传输率为 （30kbit/s）

    原因：信噪比公式：信噪比（dB）= 10 log<sub>10</sub>（S/N） （dB）
    10log<sub>10</sub>(S/N) = 30，即：log<sub>10</sub>(S/N) = 3。所以S/N = 1000

    香农公式：C = W log<sub>2</sub>(1+S/N)   (bit/s) 
    所以有C= 3000 log<sub>2</sub>（1001） ,即C=30000bit/s = 30kbit/s

1.4 传输介质

传输介质也称为传输媒体或传输媒介。
传输介质并不是物理层，传输介质是物理层下面的一层。

传输媒体可以分为导引型传输媒体（沿着固体媒体）和非导引型传输媒体（自由空间）。
导引型传输媒体分为：双绞线，同轴电缆，光纤
非导引型传输媒体分为：短波，微波，电磁波

1.5 物理层接口特性（机械，电气，功能，过程）

• 机械特性 ：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。

• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围（特性用来说明在接口电缆的哪条线上出现的电压应为什么范围，即什么样的电压表示1或0）。

• 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。

• 过程特性 ：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2. 计算机网络原理第二章作业

2.1 填空题

2.2 选择题

1. （C） 特性说明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。

   A. 机械
   B. 电气
   C. 功能
   D. 过程
   

   解析：出现“何种意义”，即为功能特性。

2. （B） 特性用来说明在接口电缆的哪条线上出现的电压应为什么范围，即什么样的电压表示1或0。

   A. 机械
   B. 电气
   C. 功能
   D. 过程
   

   解析：出现“电压的范围”，即为电气特性。

3. 物理层的（A） 特性是用来说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。

   A. 机械
   B. 电气
   C. 功能
   D. 过程
   

   解析：出现“形状和尺寸”，即为机械特性。

4. 假定某信道受奈氏准则限制的最高码元速率为30000码元/秒。如果采用振幅调制，把码元的振幅划分为8个不同等级来传送，那么可以获得的最高数据率为（D）

   A. 60000 b/s
   B. 70000 b/s
   C. 80000 b/s
   D. 90000 b/s
   

   解释：比特率（数据传输率） = 波特率（码元传输速率） * n，每个变化能够表示8种不同的信号，所以每种变化能够表示的比特数为n= log₂8 = 3。即比特率为90000bit/s。

5. 下列选项中，不属于计算机网络物理层的特性是 （D）。

   A. 机械特性
   B. 电气特性 
   C. 功能特性 
   D. 规程特性
   

   解析：物理层接口特性包含：机械特性，电气特性，功能特性，过程特性。

6. 下列传输介质中，（C）的典型传输速率最高。

   A. 双绞线
   B. 同轴电缆
   C. 光缆
   D. 无线介质
   

7. 在下列传输介质中，C 的抗电磁干扰性最好。

   A. 双绞线
   B. 同轴电缆
   C. 光缆
   D. 无线介质
   

   解析：导引型传输媒（双绞线，同轴电缆，光纤）和非导引型传输媒体（机械波，电磁波等无线介质）中，光纤通信容量最大，传输损耗最小，中继距离最长，抗电磁干扰能力最好，传输速率最高。

3. 计算机网络谢希仁第七版习题答案（第2章）

2-01 物理层要解决哪些问题？物理层的主要特点是什么？

答：
物理层要解决的主要问题：
（1）物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体，通信手段的不同，使数据链路层感觉不到这些差异，只考虑完成本层的协议和服务。
（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，物理层应该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

物理层的主要特点：
（1）由于在OSI之前，许多物理规程或协议已经制定出来了，而且在数据通信领域中，这些物理规程已被许多商品化的设备所采用，加之，物理层协议涉及的范围广泛，所以至今没有按OSI的抽象模型制定一套新的物理层协议，而是沿用已存在的物理规程，将物理层确定为描述与传输媒体接口的机械，电气，功能和规程特性。
（2）由于物理连接的方式很多，传输媒体的种类也很多，因此，具体的物理协议相当复杂。

2-02 归层与协议有什么区别？

答：规程专指物理层协议

2-03 试给出数据通信系统的模型并说明其主要组成构建的作用。

答：
源点：源点设备产生要传输的数据。源点又称为源站。
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。
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。
终点：终点设备从接收器获取传送过来的信息。终点又称为目的站
传输系统：信号物理通道

2-04 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。

答：
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。
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(code)：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。
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。
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）。

2-05 物理层的接口有哪几个方面的特性？个包含些什么内容？

答：
（1）机械特性 接口形状和尺寸、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。

2-06 数据在信道重的传输速率受哪些因素的限制？信噪比能否任意提高？香农公式在数据通信中的意义是什么？“比特/每秒”和“码元/每秒”有何区别？

答：
码元传输速率受奈氏准则的限制，信息传输速率受香农公式的限制
香农公式在数据通信中的意义是：只要信息传输速率低于信道的极限传信率，就可实现无差传输。
比特/s是信息传输速率的单位
码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。一个码元不一定对应于一个比特。

2-07 假定某信道受奈氏准则限制的最高码元速率为20000元/秒。如果采用振幅调制，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（b/s）?

答：C=RLog₂（16）=20000b/s4=80000b/s

2-08 假定要用3KHz带宽的电话信道传送64kb/s的数据（无差错传输），试问这个信道应具有多高的信噪比（分别用比值和分贝来表示？这个结果说明什么问题？）

答：
C=Wlog₂（1+S/N）(b/s)
W=3khz，C=64khz----àS/N=64.2dB 是个信噪比要求很高的信源

2-09 用香农公式计算，假定信道带宽为为3100Hz，最大信道传输速率为35Kb/ｓ，那么若想使最大信道传输速率增加60％，问信噪比Ｓ/Ｎ应增大到多少倍？如果在刚才计算出的基础上将信噪比Ｓ/Ｎ应增大到多少倍？如果在刚才计算出的基础上将信噪比Ｓ/Ｎ再增大到十倍，问最大信息速率能否再增加20％？

答：
C = W log₂(1+S/N)，所以有S/N=2C/W-1；
S/N1=2C1/W-1=2（35000/3100）-1=2503， S/N2=2C2/W-1=2（1.635000/3100）-1=273276；
所以SN2/SN1=108信噪比应增大到约100倍。
C3=Wlong₂（1+S/N3）=Wlog2（1+10S/N2）=66291 b/ｓ
速率增加=（C3-C2）/C2=18.5%

2-11假定有一种双绞线的衰减是0.7dB/km(在 1 kHz时)，若容许有20dB的衰减，试问使用这种双绞线的链路的工作距离有多长？如果要双绞线的工作距离增大到100公里，试应当使衰减降低到多少？

解：
使用这种双绞线的链路的工作距离为=20/0.7=28.6km
衰减应降低到20/100=0.2db

2-12 试计算工作在1200nm到1400nm之间以及工作在1400nm到1600nm之间的光波的频带宽度。假定光在光纤中的传播速率为2*10e/s.

解：
V=L*F-àF=V/L--àB=F2-F1=V/L1-V/L2
1200nm到1400nm：带宽=23.8THZ
1400nm到1600nm：带宽=17.86THZ

2-13 为什么要使用信道复用技术？常用的信道复用技术有哪些？

答：为了通过共享信道、最大限度提高信道利用率。 频分、时分、码分、波分。

2-15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？

答：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。

2-16 共有4个站进行码分多址通信。4个站的码片序列为
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？

解：
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

2-17 试比较xDSL、HFC以及FTTx接入技术的优缺点？

答：
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450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750 MHz 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。

2-18为什么在ASDL技术中，在不到1MHz的带宽中却可以传送速率高达每秒几个兆比？

答：
靠先进的DMT编码，频分多载波并行传输、使得每秒传送一个码元就相当于每秒传送多个比特

Network Principle Course Summary 001

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