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2-01 物理层要解决哪些问题？物理层的主要特点是什么？

物理层要解决的问题：
①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比特流，而不是指具体的传输媒体。
②尽可能地屏蔽掉各种传输媒体和通信手段的差异，使数据链路层感觉不到传输媒体和通信手段的差异。
③物理层还要完成传输方式的转换。数据在计算机内部多采用并行传输方式，数据在通信线路 (传输媒体) 上的传输方式一般都是串行传输 (出于经济上的考虑)，即逐个比特按照时间顺序传输。

物理层主要特点：
具体的物理层协议种类较多。因为物理连接的方式很多，如，可以是点对点的、也可采用多点连接或广播连接；传输媒体的种类非常多，如，架空明线、双绞线、对称电缆、同轴电缆、光缆，以及各种波段的无线信道等。

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2-02 规程与协议有什么区别？

物理层协议常称为物理层规程。

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2-03 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。

数据通信系统的模型的主要组成构件：
①源系统 (或发送端、发送方)：源点设备产生要传输的数据；通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。
②传输系统 (或传输网络)：可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。
③目的系统 (或接收端、接收方)：接收器接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能被目的设备处理的信息；终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后输出信息。

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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。

• 数据：数据是运送消息的实体
• 信号：信号是数据的电气或电磁的表现
• 模拟数据：指的是取值范围是连续的变量或者数值
• 模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的
• 基带信号：来自信源的信号常称为基带信号 (即基本频带信号)
• 带通信号：需要使用载波 (carrier) 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，这样就能更好地在模拟信道中传输
• 数字数据：指的是取值范围是离散的变量或者数值
• 数字信号：代表消息的参数的取值是离散的
• 码元：在使用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称为码元
• 单工通信：又称单向通信，即只有一个方向的通信而没有反方向的交互
• 半双工通信：通信的双方都可发送信息，但不能双方同时发送
• 全双工通信：通信的双方可以同时发送和接收信息
• 串行传输：逐个比特按照时间顺序传输
• 并行传输：指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输，是在传输中有多个数据位同时在设备之间进行的传输

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2-05 物理层的接口有哪几个方面的特性？各包含些什么内容？

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。
电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

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2-06 数据在信道中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/秒”和“码元/秒”有何区别？

限制数据在信道中的传输速率的因素：
①信道能够通过的频率范围；
②信噪比。

香农公式指出，信道的极限信息传输速率 $C$ 是 $C=W{\log }_2(1+S/N)$ (bit/s)，
式中，$W$ 为信道的带宽 (单位是Hz)；$S$ 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，就一定存在某种办法来实现无差错的传输。

比特/秒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。

可以用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量，来提高信息的传输速率。

例如，假设基带信号是：101011000110111010…
如果直接传送，则每一个码元所携带的信息量是 1 bit。现将信号中的每 3 各比特编为一个组，即101，011，000，110，111，010，…。3 各比特共有 8 种不同的排列。可以用不同的调制方法来表示这样的信号。比如 8 种不同的振幅/频率/相位进行调制。这样，每一个码元所携带的信息量是 3 bit。
也就是说，若以同样的速率发送码元，则同样时间所传送的信息量就提高到了 3 倍。

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2-07 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 (bit/s)？

解：${\log }_{2}16=4$，故16个不同的等级可以表示 4 bit，即每一个码元所携带的信息量是 4 bit。
所以，数据率是 $20000\times 4=80000$ (bit/s)。

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2-08 假定要用 3 kHz 带宽的电话信道传送 64 kbit/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？

$信噪比(dB)=10{\log }_{10}(S/N)(dB)$

将 $C=64kbit/s$ 和 $W=3kHz$ 代入香农公式，得 S/N = 2642244.94，
用分贝来表示，则为 64.2 dB。

是个信噪比要求很高的信源。

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2-09 用香农公式计算一下，假定信道带宽为为 3100 Hz，最大信道传输速率为 35 kbit/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 再增大到 10 倍，问最大信息速率能否再增加 20%？

将 $C=35000$ 和 $W=3100$ 代入香农公式，得 $S/N=2503.53$。

将最大信道传输速率增加 60%，则 $C=35000\times (1+60\%)=56000$ (bit/s)，代入香农公式，
得 $S/N=274131.93$，是原来 S/N 的 109 倍。
故若想使最大信道传输速率增加 60%，问信噪比 S/N 应增大到 109 倍。

将信噪比 S/N 再增大到 10 倍，将 $S/N=2741319.3$ 和 $W=3100$ 代入香农公式，得 $C=66298$ (bit/s)。

(66298 - 56000) / 56000 = 0.184，即最大信息速率增加 18.4%。

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2-10 常用的传输媒体有哪几种？各有何特点？

传输媒体可分为两大类，即导引型 (guided) 传输媒体和非导引型传输媒体。

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。包括双绞线、同轴电缆、光缆等。

双绞线：

同轴电缆：

光缆：

非导引型传输媒体就是指自由空间，在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。包括短波、无线电微波、红外、激光等。

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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 20 dB 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：工作距离为 20 / 0.7 = 28.6 (km)。

如果要双绞线的工作距离增大到 100 公里，应当使衰减降低到 20 / 100 = 0.2 (dB/km)。

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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 $2\times 10^8$m/s。

解：1200nm光波频率：$\frac{1}{1200\times 10^{-9}/(2\times 10^8)}=166.67\times 10^{12}$ (Hz) = 166.67 THz
1400nm光波频率：$\frac{1}{1400\times 10^{-9}/(2\times 10^8)}=142.86\times 10^{12}$ (Hz) = 142.86 THz
1600nm光波频率：$\frac{1}{1600\times 10^{-9}/(2\times 10^8)}=125\times 10^{12}$ (Hz) = 125 THz

1200nm到1400nm带宽：166.67 - 142.86 = 23.81 THz

1400nm到1600nm带宽：142.86 - 125 = 17.86THz

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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？

解：使用信道复用技术可以提高信道利用率，共享信道资源，降低网络成本。

常用的信道复用技术：频分复用、时分复用、统计时分复用、波分复用、码分复用等。

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2-14 试写出下列英文缩写的全文，并做简单的解释。
FDM，TDM，STDM，WDM，DWDM，CDMA，SONET，SDH，STM-1，OC-48。

• FDM：频分复用 (Frequency Division Multiplexing)
• TDM：时分复用 (Time Division Multiplexing)
• STDM：统计时分复用 (Statistic TDM)
• WDM：波分复用 (Wavelength Division Multiplexing)，就是光的频分复用
• DWDM：密集波分复用 (Dense WDM)
• CDMA：码分多址 (Code Division Multiple Access)
• SONET：同步光纤网 (Synchronous Optical Network)，美国在1988年推出的一个数字传输标准。
• SDH：同步数字系列 (Synchronous Digital Hierarchy)，以SONET为基础，制定的国际标准。
• STM-1：第1级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module)，SDH的基本速率 155.52 Mbit/s。
• OC-48：第48级光载波 (Optical Carrier)，SONET定义的线路速率 2488.32 Mbit/s。

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2-15 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？

解：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。码分复用最初用于军事通信，因为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。

优点：采用CDMA可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量，降低手机的平均发射功率，等等。

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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 1 还是 0？

解：规格化内积
A·S = (1-1+3+1-1+3+1+1)/8 = 1
B·S = (1-1-3-1-1-3+1-1)/8 = -1
C·S = (1+1+3+1-1-3-1-1)/8 = 0
D·S = (1+1+3-1+1+3+1-1)/8 = 1

故，C站没有发送数据。A站和D站发送数据 1，B站发送数据 0。

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2-17 试比较 ADSL、HFC 以及 FTTx 接入技术的优缺点？

• 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。
  优点：可以利用现有电话网中的用户线(铜线)，而不需要重新布线。
  缺点：虽然ADSL很受居民用户欢迎，但ADSL并不适合于企业。因为企业往往需要使用上行信道发送大量数据给许多用户。
• HFC(Hybrid Fiber Coax)网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。
  优点：现在的HFC网具有双向传输功能，而且扩展了传输频带。
  缺点：使用HFC的电缆调制解调器时，在同轴电缆这一段用户所享用的最高数据率是不确定的，因为某个用户所能享用的数据率大小取决于这段电缆上现在有多少个用户正在传送数据。若出现大量用户（例如几百个）同时上网，那么每个用户实际的上网速率可能会低到难以忍受的程度。
• 多种宽带光纤接入方式，表示Fiber To The…，字母x可代表不同的光纤接入地点。
  优点：可以是用户获得最高的上网速率。
  缺点：目前的价格还不够便宜。

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

解：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。

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2-19 什么是 EPON 和 GPON？

无源光网络PON(Passive Optical Network)最流行的两种：

• 以太网无源光网络EPON(Ethernet PON)
• 吉比特无源光网络GPON(Gigabit PON)

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