2.2数据通信基础知识
2.2.2有关信道的几个基本概念
常用编码方式
不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
曼彻斯特编码：周期中心向上跳代表1，向下跳代表0，也可以反过来。
差分曼彻斯特编码：每一位的中心始终都有跳变。位边界开始有跳变代表0，无代表1。
2.2.3信道的极限容量
奈氏准则：
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）称为不可能。
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。
例如，当S/N=10时，信噪比为10dB，而S/N=1000时，信噪比30dB。
香农公式
香农公式指出：信道的极限信息传输速率C是
2.3物理层下面的传输媒体
传输媒体也称为传输介质或传输媒介。是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理同路。
可以分为两大类：导引型传输媒体和非导引型传输媒体
2.3.1导引型传输媒体
双绞线：
两根互相绝缘铜导线，可减少对相邻导线的电磁干扰。屏蔽双绞线：加一层金属丝编制的屏蔽层。
同轴电缆
内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）
光缆
利用光导纤维传递光脉冲来进行通信
2.3.2非导引型传输媒体
2.4信道复用技术
2.4.1频分复用、时分复用、统计时分复用
频分复用
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的宽带资源。
时分复用
时分复用是所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
统计时分复用
一种改进的时分复用
2.4.2波分复用
2.4.3码分复用
码分复用（CMD）
码分多址CDMA（Code Division Mul Access）
复习知识点-物理层
基本概念
机械特性（接口）
电气特性（电压范围）
功能特性（电压的意义）
规程特性（顺序）
数据通信系统
（源系统-传输系统-目的系统）
数据-运送消息的实体
信号-数据的电气或电磁的表现
模拟的-代表消息的参数的取值是连续的
数字的-代表消息的参数的取值是离散的
码元-在使用时间域(或简称时域)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
单向通信（单工通信）-只能有一个方向的通信而没有相反方向的交互
双向交替通信（半双工通信）-通信的双发都可以发送信号，但不能双方同时发送（当然也不能同时接受）
双向同时通信（全双工通信）-通信的双方都可以同时发送和接收消息
基带信号——来自信源的信号，为使信道能够传输低频分量和直流分量，需要进行调制。
基带调制——仅对波形进行变化
带通调制
调幅
调频
调相
信道的极限容量
两因素：
信道能够通过的频率范围（码间串扰）——加宽频带
信噪比——信号的平均功率和噪声的平均功率之比。
信噪比和香农公式
（低于C可以实现无差错传输，W为信道宽度）
奈奎斯特定理
传输媒体
导向型传输媒体
双绞线（衰减随着频率的升高而增大）：
屏蔽双绞线
无线屏蔽双绞线
同轴电缆（用于传输较高速率的数据）
光缆
非导向型传输媒体
短波通信（靠电离层的反射）
微波通信：
地面微波接力通信（中继站）
卫星通信（较大的传播时延）
信道复用技术
频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的资源。（FDM）
时分复用（同步）：所有用户在不同的时间内占用相同的频带宽度。（TDM）
统计时分复用（异步）：动态分配时间间隙（STDM）
波分复用：光的频分复用（WDM）
码分复用（码分多址CDMA）：不同的码型；每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须相互正交（相乘为0，0为-1），在实用系统当中都是伪随机码序列。
任何一个码片向量和自己的规格化内积都是1；
与该码片反码的向量的规格化内积都是-1；
和其他码片向量的规格化内积为0；
宽带接入技术
ADSL
把0-4kHz低端谱留给传统电话使用，把原来没有利用的高端频谱留个用户上网使用。
假定某信道收到奈氏准则限制的最高码元速率为20000码元/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）?
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）.问那个站发送数据了，发送的数据是1，还是0？
SA/8 = 1 A发送1
SA/8 = -1 B发送0
SA/8 = 0 C无发送
SA/8 = 1 D发送1
例题
信号是数据在传输过程中的()的表现形式。
A. 电信号 B. 代码 C. 信息 D. 程序
2. 数据通信的任务是传输( )代码的比特序列。
A. 十进制 B. 帧结构 C. 分组结构 D. 二进制( )信号的电平是连续变化的。
A. 数字 B. 模拟 C. 脉冲 D. 二进制( )是指将数字信号转变成可以在电话线上传输的模拟信号的过程。
A. 解调 B. 采样 C. 调制 D. 压缩数据传输速率是指每秒钟传输构成数据二进制代码的( )数。
A. 码元 B. 信元 C. 波特 D. 位利用模拟通信信道传输数据信号的方法称为( )。
A. 频带传输 B. 基带传输 C. 异步传输 D. 同步传输基带传输是指在数字通信信道上( )传输数字数据信号的方法。
A. 调制 B. 脉冲编码 C. 直接 D. 间接数据在通信信道传输的过程中，对数据传输的误码率影响最主要的因素是( )。
A. 传输速率 B. 调制解调器 C. 传输介质 D. 噪声强度
9.Internet上的数据交换采用的是( )。
A. 分组交换 B. 电路交换 C. 报文交换 D. 光交换
FDM是指( )。
A. 频分多路复用 B. 时分多路复用 C. 波分多路复用 D. 码分多路利用利用( )，数字数据可以用模拟信号来表示。
A. 调制解调器 B. 编码解码器 C. 串联放大器 D. 电话网络在数据通信系统中，传输介质的功能是( )。
A. 在信源与信宿之间传输信息 B．纠正传输过程中的错误
C. 根据环境状况自动调整信号形式 D. 将信号从一端传至另一端在光纤中采用的多路复用技术是( )。
A. 时分多路复用 B. 频分多路复用 C. 波分多路复用 D. 码分多路复用为了实现长距离传输，模拟传输系统都使用放大器来使信号中的能量得到增加，其噪声分量( )。
A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 不一定“复用”是一种将若干个彼此独立的信号合并为一个可在同一信道上传输的( )。
A. 调制信号 B. 已调信号 C. 复用信号 D. 单边带信号物理层4个重要特性：机械特性、功能特性、电气特性和（）。
A. 规程特性 B. 接口特性 C.协议特性 D. 物理特性
17． 基带系统使用（）进行传输的。
A. 模拟信号 B. 调制信号 C. 数字信号 D. 载波信号
18． 下列关于异步传输说法正确的是（）。
A. 一次传输一个数据块 B. 对时序的要求较高
C. 收/发端不需要进行同步 D. 数据传输速率低
19． 低通通道带宽为5KHz,编码采用512级分级信号，最大数据传输率（）。
A. 32 kbps B. 48 kbps C. 64 kbps D. 90 kbps
- 在宽带为8KHz的信道上，按奈奎斯特定理，每秒能发送的比特数不超过48kbps,则一个码元离散取值是（）。A. 4 B. 8 C. 16 D. 24
21． 在宽带为8KHz的信道上，如果8种不同的物理状态来表示数据，若信噪比S/N为30Db,按香农定理，最大限制的数据速率为（）。
A. 24 kbps B. 48 kbps C. 40 kbps D. 80kbps
22． 在脉冲起始时刻，有无跳变来表示“0”和“1”，在脉冲中间时刻始终发生跳变的编码是（）。
A. 曼彻斯特编码 B. 非归零码 C. 差分曼彻斯特编码 D. 8B/10B
曼彻斯特编码是中间
23． 当数字信号在模拟传输系统中传送时，在发送端和接受端分别需要（）。
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
24．两台计算机利用电话线路传输数据信号时必备的设备是().
A. 调制解调器 B. 网卡 C. 中继器 D. 集线器
25． 当通信子网采用（）方式时，我们首先要在通信双方之间建立起逻辑连接。
A. 报文交换 B. 虚电路 C. 数据报 D. 电路交换
26．不受电磁干扰或噪声影响的介质是（）。
A. 双绞线 B. 光纤 C. 同轴电缆 D. 微波
27． 报文的内容不按顺序到达目的节点的是（）方式。
A. 电路交换 B. 报文交换 C.虚电路交换 D. 数据报交换
28． 在中继系统中，中继器处于（）。
A. 物理层 B.数据链路层 C. 网络层 D. 高层
中继器是物理层上的连接设备
29． 关于时延说法正确的是（）。
A. 发送时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速度
B. 传播时延=数据块长度/信道带宽
C. 总时延=传播时延+发送时延+排队时延
D. 提高链路带宽减小了数据的传播时延
、
30． 下列说法错误的是（）。
A. 在虚电路方式中，信息从源节点传送到目的节点采用“存储转发”方式
B. 在数据报方式中，信息从源节点传送到目的节点采用“存储转发”方式
C. 电路交换比分组交换实时性好
D. 报文交换方式适合交互式通信
31.物理层传输的是（）。 A．原始比特 B.分组 C.信元 D.帧
32.在电缆中采用屏蔽可以带来什么好处？（）
A．减少信号衰减 B.减少电磁干扰辐射
C．减少物理损坏 D.减少电缆的阻抗
33.调制解调技术主要用于（）的通信方式中。
A．模拟信道传输数字数据 B.模拟信道传输模拟数据
C．数字信道传输数字数据 D.数字信道传输模拟数据
34.下列说法中，哪一项是正确的？（）
A．虚电路与线路交换没有实质不同
B．在通信的两个站点间只能建立一条虚电路
C．虚电路有连接建立，数据传输，连接拆除3个阶段
D．虚电路的各个结点需要为每个分组作路由选择判定
35.当数字信号在模拟传输系统中传送时，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
BACBC A AAB （AC）（AB）DCDC
36.物理层的4个特性中，（）规定了每种信号的电平，信号的脉冲宽度，允许的数据传输速率和最大传输距离。
A．机械特性 B电气特性 C功能特性 D规程特性
37.为了将数字信号传输得更远，可以采用的设备是（）。
A．中继器 B放大器 C网桥 D路由器
38.在无噪声情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输率是（）
A.12kbps B.24kbps C.48kbps D.96kbps
39.传递需进行调制编码。
A.数字数据在数字信道上 B.数字数据在模拟信道上
C.模拟数据在数字信道上 D.模拟数据在模拟信道上
40.数据传输速率公式：S= Tlog2N中，T的含义是。
A.单位脉冲幅度 B.单位脉冲宽度 C.调制速率 D.脉冲的有效值
41.两个实体间数据传输和交换是
A.数据通信 B.数据控制 C.数据传输 D.信息交换
42.在多数情况下，网络接口卡实现的功能处于。
A.物理层协议和数据链路层协议 B.物理层协议和网络层协议
C.数据链路层协议 D.网络层协议
43.下列说法哪一个是正确的
A、当码元的离散值个数N=2，则波特率等于比特率;
B、600波特和600bps是一个意思;
C、每秒传送l00个码元也就是每秒传送100个比特;
D、每秒50波特的传输速率是很低的
44.模拟通信系统中产生的调制信号一定是。
A.数字信号 B.连续信号 C.语音信号 D.离散信号
45.用bps作单位的有(多选)
A.位速率 B.波特率 C.数据传输率 D.误码率
46.下列对基带传输和宽带传输的说法正确的是(多选)
A.基带传输是将数据直接转换为脉冲信号加到电缆上传输出去
B.宽带传输是将数据加到载波信号上传送出去
C.基带传输采用“控制载波信号状态”的传输技术
D.在通信中，依据数据流的方向可以分为基带传输和宽带传输
47.下述哪个说法是正确的？
(A)细同轴电缆传输速率最高。
(B) 光纤电缆支持电缆运行几十公里。
(C) 屏蔽双绞线电缆对电磁干扰不敏感。
(D) 以上说法都不对。
48.下述哪一个电缆类型支持最大的电缆长度？
(A)无屏蔽双绞线(B)屏蔽双绞线(C)粗同轴电缆(D)细同轴电缆
49.下述哪个说法是正确的？
(A)细同轴电缆传输速率最高。
(B) 光纤电缆支持电缆运行几十公里。
(C) 屏蔽双绞线电缆对电磁干扰不敏感。
(D) 以上说法都不对。
50.下述哪一个电缆类型支持最大的电缆长度？
(A)无屏蔽双绞线(B)屏蔽双绞线(C)粗同轴电缆(D)细同轴电缆
二、综合应用题
- 物理层要解决什么问题？物理层的主要特点是什么？
答：物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指连接计算机的具体的物理设备或具体的传输媒体。现有的网络中物理设备和传输媒体种类繁多，通信手段也有许多不同的方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些差异，使数据链路层感觉不到这些差异，这样数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。物理层的重要任务是确定与传输媒体的接口的一些特性。
- 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。
答：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。
- 物理层的接口有哪几个特性？各包含什么内容？
答：（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。
基带信号与宽带信号的传输各有什么特点？
答：基带信号将数字1和0直接用两种不同的电压表示，然后送到线路上传输。宽带信号是将基带信号调制后形成的频分复用模拟信号。采用基带信号传输，一条电缆只能传输一路数字信号，而采用宽带信号传输，一条电缆中可同时传送多路的数字信号，提高了线路的利用率。为何要采用多路复用技术？多路复用有哪几种形式，各有何特点?
答：在实际中，一般传输介质的带宽大于传输单一信号的带宽，所以为了有效的利用传输系统，采用了复用技术；
多路复用技术主要有频分复用、波分复用和时分复用：
频分多路复用 FDM（Frequency Division Multiplexing）：一条线路的带宽被分成许多子频带，每个子频带用来传输一路信号。FDM使用模拟传输技术。
波分多路复用WDM （Wave Division Multiplexing）：多条
不同波长（频率）的光线在同一条光纤中传输，是FDM的特例。
时分多路复用TDM（Time Division Multiplexing）：多路信号在不同的时间使用信道传输。TDM使用数字传输技术。
- 如果在一条3kHz的信道上发送一个二进制信号，该信道的信噪比为20dB，则最大可达到的数据传输率为多少？
答：信噪比为20 dB 即S/N =100.由于log2101≈6.658，由香农定理，该信道的信道容量为3log2(1++100)=19.98kbps。
又根据乃奎斯特定理，发送二进制信号的3kHz 信道的最大数据传输速率为
2*3 log22=6kbps
所以可以取得的最大数据传输速率为6kbps。
- 在话音通道中（有噪声的信道），当带宽为3000Hz，信噪比为30dB（电话系统中模拟部分的典型参数），求最大数据传输速率？
答：由10lgS/N＝30 dB 求得S/N＝1000，所以
最大数据传输速率＝Hlog2(1+S/N) ＝30k bps
- 数字信号传输时，一个数字脉冲信号的宽度T=833x10-6秒，则波特率为多少？如果采用四相调制方式，即N=4，则信道的数据传输速率为多少？
8、B=1/T=1/(833x10-6)=1200 (Baud)
R=1/Tlog2N=1/(833x10-6)log24=2400 (bps)
9.对于宽带为50KHz的信道，若有16种不同的物理状态来表示数据，信噪比为20dB,问该信道的最大数据传输率是多少？
答：根据奈奎斯特定理：C=2B log2N(bps)
C=250 log216= 400kbps
根据香农定理：C=H log2(1+S/N)(bps)
因为10log10(S/N)=20dB
所以S/N=1020/10 =100
所以C=50 log2(1+100)=50* log2101=333kbps
由于噪声的存在，无论采用何种编码，信道最大数据传输率不会超过香农定理的极限值，故该信道的最大数据传输率为333kbps。
10． 画出比特流1011001的曼彻斯特和差分曼彻斯特编码波形。
答：曼彻斯特编码每位中间从高电平到低电平为1，从低电平到高电平为0；差分曼彻斯特编码是每位开始有跳变为0，无跳变为1。
12.信道带宽与信道容量的区别是什么？增加带宽是否一定能增加信道容量？
答：信道的发送和接受两端传输比特信号的最大速率称为该信道的带宽，单位为Hz。信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数，单位b/s。从理论上看，增加信道带宽是可以增加信道容量的，但实际上，信道带宽的无限增加并不能使通道容量无限增加，其原因是在一些实际情况下，信道中存在噪声和干扰，并且收发双方产生响应用高低电平形成的波形也不是理想的方波，这就制约了带宽的增加。
13.双绞线、同轴电缆、光缆、无线传输介质各有什么特性？如何选择？
13.答案：传输介质的特性主要有传输输率（和带宽有关）、传输距离（和衰减有关）、抗干扰能力以及安装的难易和费用的高低等几项，选择时要根据实际使用场合，综合上述因素进行考虑。如要求传输速率高，可选用电缆；要求价钱便宜，可选用双绞线；要求在不适宜铺设电缆的场合通信，可选用无线传输等。下述的特性比较可以总结出每种传输介质的特点，便于在实际中选择使用。典型的传输速率：光缆100Mbps，同轴电缆10Mbps，屏蔽双绞线16Mbps，双绞线10Mbps，无线介质小于10Mbps。传输距离：光缆几千米，同轴粗缆500米，同轴细缆185米，双绞线100米，无线介质也可达几千米。抗干扰能力：有线介质中光缆抗干扰能力最好，非屏蔽双绞线最差。无线传输介质受外界影响较大，一般抗干扰能力较差。安装：光缆安装最困难，非屏蔽双绞线安装最简单。费用：对有线传输介质，其费用的高低依次为光缆、粗同轴电缆、屏蔽双绞线、细同轴电缆、非屏蔽双绞线。无线传输介质中，卫星传输最昂贵。
14.传播时延、发送时延和排队时延、处理时延各自的物理意义是什么？
14.答案：传播时延是指电磁波在信道中传输所需要的时间。它取决于电磁波在信道上的传输速率以及所传播的距离。发送时延是发送数据所需要的时间。它取决于数据块的长度和数据在信道上的发送速率。
15.什么是曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码？其特点如何？
15.答案：曼彻斯特编码是将每一个码元再分成两个相等的间隔。码元1是在前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平。码元0则正好相反，从低电平变到高电平。这种编码的好处是可以保证在每一个码元的正中间出现一次电平的转换，这对接收端的提取位同步信号是非常有利的。缺点是它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。差分曼彻斯特编码的规则是若码元为1，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样；但若码元为0，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反。不论码元是10或，在每个码元的正中间的时刻，一定要有一次电平的转换。差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但可以获得较好的抗干扰性能。
16.基带信号和宽带信号的传输各有什么特点？
16.答案：基带信号是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。基带信号进行调制后，其频谱移到较高的频率处。由于每一路基带信号的频谱被搬移到不同的频段上，因此合在一起后并不会互相干扰。这样做可以在一条线路中同时传送许多路的数字信号，因而提高了线路的利用率。
17.RS232C接口是如何进行数据传输的？
17.答案：RS232C的工作过程在各条控制线的有序的“ON”（逻辑“0”）和“OFF”（逻辑“1”）状态的配合下进行。在DTE-DCE连接情况下，只有当电路CD和电路CC均为”ON”状态时，才具备操作的基本条件。若DTE要发送数据，则首先将电路CA置为”ON” 状态，等待电路CB应答信号为”ON”状态，才能在电路BA上发送数据。若DTE要接收数据，则电路CF必须为”ON” 状态，才能在电路BB上接收数据。因此在异步传输时，RS232C使用电路CA，电路CB，电路CC，电路CD，电路CE这五个基本控制电路以及一些附加电路（如地线、数据线、振铃指示等）。而只同步传输时，由于涉及到同步时钟，RS232C在异步传输时所需接口电路的基础上，还需增加DCE产生并供给DTE使用的定时信号，即需增加电路DB和DD。
18.如何减少传输介质的衰减？
18.答案:在任何传输介质上，信号的强度都会随距离的增加而降低。由于有衰减存在，实际中需要考虑三个问题:
(1)接收的信号必须有足够的强度以便接收机能够检测并解释信号。
(2)信号必须维持一个对噪声足够高的电平，以被无误地接收。
(3)衰减是频率的函数。
前两个问题的处理是使用放大器或转发器。对于点到点线路，发送的信号必须足够强，但不能强到使发送装置过载，那样会造成发送信号畸变。当超过一定距离时，衰减大到不可接受时，就要使用转发器或放大器来提升信号。第三个问题对于模拟信号来说特别值得注意。衰减随着频率函数的变化而变化，克服这个问题的一种技术就是均衡，用于均衡一个频带上的衰减。例如对于音频电话线，通常使用改变线路的电学特性的加感线圈，使衰减效应平滑些。另外还可以使用高频放大量大于低频放大量的放大器。
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