第2章 物理层
习题
2-01 物理层要解决哪些问题?物理层的主要特点是什么?
答:(1)物理层要解决的主要问题:
1.物理层要尽可能地屏蔽掉计算机网络中的硬件设备、传输媒体和通信手段的不同,使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异,使其只需要考虑本层的协议和服务,而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。
2.数据在计算机内部多采用并行传输方式,但数据在通信线路中的传输方式一般都为串行传输,即逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层需要完成传输方式的转换。
(2)物理层的主要特点:
1.物理层将比特流转化为电信号、光信号、无线电波等形式;
2.物理层负责传输介质的选择、传输方式的选择以及编码和调制等信息传输技术;
3.物理层具有时延、带宽、传输速率等性能指标。
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:是运送消息的实体。
信号:是数据的电气或电磁表现。
模拟数据:即连续数据,数据的变化是连续的。
模拟信号:即连续信号,代表消息的参数的取值是连续的。
基带信号:即来自信源的信号,也就是基本频带信号。
带通信号:把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号。
数字数据:即离散数据,数据的变化是不连续的(离散的)。
数字信号:即离散信号,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。
单工通信:又称为单向通信,即只有一个方向的通信而没有反方向的交互。
半双工通信:又称为双向交替通信,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,过一段时间后再反过来。
全双工通信:又称为双向同时通信,即通信的双方可以同时发送和接收信息。
串行传输:数据在传输时是逐个比特按照时间顺序依次传输的。
并行传输:数据在传输时采用了 n 个并行的信道。在每一个信道上,数据仍然是串行传输的,即逐个比特按照时间顺序依次传输。但把这 n 个信道放在一起观察时,就可看出,数据的传输是每次 n 个比特。
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?
答:物理层的接口有以下四个方面的特性:
(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。平时常见的各种规格的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。
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?
答:(1)数据在信道中的传输速率受哪些因素的限制:
1.信道能够通过的频率范围。具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。传输速率超过上限时就会导致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。
2.信噪比。所有的电子设备和通信信道中都存在噪声。由于噪声是随机产生的,它的瞬时值有时会很大,因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误(1判决为0或0判决为1)。但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强,那么噪声的影响就相对较小。对于一定的信噪比,码元的传输速率越大就越容易出现接收时的判决错误。如果增大信噪比,那么码元的传输速率就可以提高而不至于使判决错误的概率增大。
(2)信噪比不能任意提高。一方面,我们的信号传输功率是受限的(经济问题、器件问题、材料的绝缘问题,等等),而任何电子设备的噪声也不可能做到任意小(任何电子设备都有其固有噪声)。因此,在实际的传输环境中,信噪比不可能做到任意大。
(3)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。不过,香农没有告诉我们具体的实现方法。这要由研究通信的专家去寻找。
(4)“比特/秒”和“码元/秒”的区别:“比特/秒”和“码元/秒”是不完全一样的,因为比特和码元所代表的意思并不相同。在使用二进制编码时,一个码元对应于一个比特。在这种情况下,“比特/秒”和“码元/秒”在数值上是一样的。但一个码元不一定总是对应于一个比特。根据编码的不同,一个码元可以对应于几个比特,但也可以是几个码元对应于一个比特。
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?
答:将以上数据代入香农公式,得出:
用分贝表示:
这个结果说明:这个信道应该是个信噪比很高的信道。
2-09 用香农公式计算一下,假定信道带宽为3100 Hz,最大信息传输速率为35 kbit/s,那么若想使最大信息传输速率增加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,问最大信息传输速率能否再增加20%?
答:
2-10 常用的传输媒体有哪几种?各有何特点?
答:传输媒体可分为两大类,即导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传输媒体中,电磁波被导向沿着固体媒体(铜线或光纤)传播;而非导向传输媒体就是指自由空间,在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。
常用的导向传输媒体有以下几种。
(1)双绞线:也称为双扭线,它的结构比较简单,就是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。双绞线的价格便宜,性能也不错,其通信距离一般为几到十几公里,使用十分广泛。双绞线又可分为无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线两大类。前者更加便宜,但传输距离和抗干扰性能比不上后者。
(2)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已接近1 GHz .
(3)光纤:光纤是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源,可以采用发光二极管或半导体激光器,它们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。在接收端利用光电二极管做成光检测器,在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。光纤有多模光纤和单模光纤之分,现在多模光纤已经很少使用了。单模光纤的衰耗较小,过去在2.5 Gbit / s 的高速率下可传输数十公里而不必采用中继器,但随着光纤的制造工艺不断进步,单根光纤的传输速率已提高到10 Gbit / s ,甚至40 Gbit / s .如果采用密集波分复用技术,例如使用160的波分复用,那么一根光纤的传输速率就可达到1.6 Tbit / s 。光纤不仅具有通信容量非常大的优点,而且还具有其他的一些特点:传输损耗小、抗雷电和电磁干扰性能好、无串音干扰、保密性好、体积小、重量轻。现在光纤通信的性价比越来越高,光纤已经成为非常普及的一种传输媒体。
(4)架空明线:虽然铺设容易,但通信质量差,受气候环境等影响较大,目前已经很少使用。
非导向传输媒体实际上就是利用自由空间来传播电磁波的。由于信息技术的发展,社会各方面的节奏变快了,人们不仅要求能够在运动中进行电话通信(即移动电话通信),而且还要求能够在运动中进行计算机数据通信(俗称上网)。因此最近无线电通信发展得特别快,因为利用无线信道进行信息传输,是在运动中通信的唯一手段。无线传输可使用的频段很广。人们现在已经利用了好几个波段进行通信。例如:
(1)短波波段:通信距离远,但通信质量较差。
(2)微波波段:微波在空间是直线传播的,因此传播距离受到限制,一般只有50~100 km 。不过,可用接力的方法把信号传送到很远的地方。卫星通信实质上也是一种微波接力通信,其频带很宽,通信容量很大,信号所受到的干扰较小,通信比较稳定,但信号的迟延较大。