《計算機網絡教程》(微課版 第五版) 第二章 物理層 課後習題及答案

第二章、物理層

本章的習題

1. 物理層要解決什麼問題？物理層協議的主要任務是什麼？ 
   物理層要解決的主要問題： 
   ①. 物理層要儘可能屏蔽掉物理設備、傳輸媒體和通信手段的不同，使上面的數據鏈路層感覺不到這些差異的存在，而專注於完成本層的協議與服務。 
   ②. 給其服務用戶（數據鏈路層）在一條物理的傳輸媒體上傳送和接收比特流（一般爲串行按順序傳輸的比特流）的能力。爲此，物理層應解決物理連接的建立、維持和釋放問題。 
   ③. 在兩個相鄰系統之間唯一地標識數據電路。
   物理層協議的主要任務就是確定與傳輸媒體的接口有關的一些特性：
   ①. 機械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引腳數目和排列、固定和鎖定裝置等。常見的各種規格的電源接插件都有嚴格的標準化的規定。
   ②. 電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的範圍。
   ③. 功能特性 指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。
   ④. 過程特性 指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。

2. 規程與協議有什麼區別？ 
   在數據通信的早期，對通信所使用的各種規則都稱爲「規程」（procedure），後來具有體系結構的計算機網絡開始使用「協議」（protocol）這一名詞，以前的「規程」其實就是「協議」，但由於習慣，對以前制定好的規程有時仍常用舊的名稱「規程」。

3. 物理層的接口有哪幾個特性？各包含什麼內容？ 
   （1）機械特性：指明接口所用的接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等等。 
   （2）電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的範圍。 
   （3）功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何意。 
   （4）規程特性：說明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。

4. 試給出數據通信系統的模型，並說明其主要組成構件的作用。 
   一個數據通信系統可劃分爲三大部分： 源系統（或發送端）、傳輸系統（或傳輸網絡）、和目的系統（或接收端）。
   
   源系統一般包括以下兩個部分：
   •源點：源點設備產生要傳輸的數據。例如正文輸入到PC機，產生輸出的數字比特流。 
   •發送器：通常源點生成的數據要通過發送器編碼後才能在傳輸系統中進行傳輸。例如，調制解調器將PC機輸出的數字比特流轉換成能夠在用戶的電話線上傳輸的模擬信號。 
   •接收器：接收傳輸系統傳送過來的信號，並將其轉換爲能夠被目的設備處理的信息。例如，調制解調器接收來自傳輸線路上的模擬信號，並將其轉換成數字比特流。
   •終點：終點設備從接收器獲取傳送過來的信息。

5. 請畫出數據流的不歸零編碼、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼的波形(從高電平開始)。
   10000101111：
   
   101100101：
   
   10100011：
   

6. 「比特/秒」和「碼元/秒」有何區別？
   比特/秒是指信息傳輸速率，每秒鐘傳送的信息量；碼元/秒是碼元傳輸速率，每秒鐘傳送的碼元個數。兩者在二進制時相等。在多進制時，信息傳輸速率要乘以log以2爲底的進制數等於碼元傳輸速率。

7. 假定某信道受奈氏準則限制的最高碼元速率爲20000碼元/秒.如果採用幅移鍵控，把碼元的振幅劃分爲16個不同等級來傳送,那麼可以獲得多高的數據率(bit/s）？
   C=R·Log2(16)=20000b/s*4=80000b/s
   奈氏準則：理想狀態下的最高碼元傳輸速率爲2w Baud.
   理想帶通信道的最高碼元傳輸速率爲1w Baud.
   香農公式：信道的極限信息傳輸速率C可表示爲：C=W·log2(1+S/N) b/s
   W爲信道帶寬（Hz），S爲信道內所傳信號的平均功率，N爲信道內部到高斯噪音功率.
   信噪比爲S/N ，表明信道的帶寬或信道中的信噪比越大,則信道的極限傳輸速率就越大.

8. 假定要用3kHz帶寬的電話信道傳送64kbit/s 的數據（無差錯傳輸），試問這個信道應該具有多高的信噪比（分別用比值和分貝來表示），這個結果說明什麼問題？
   S/N爲信道的【信噪功率比】，【信道功率比】一般不簡稱爲【信噪比】。
   香農公式：C=W∗log2(1+SN)bit/sC = W*log_2(1+\frac{S}{N}) bit/sC=W∗log2​(1+NS​)bit/s
   信噪比轉換公式：信噪比 =10Log10(SN)=10Log_{10}(\frac{S}{N})=10Log10​(NS​)
   C = 64 kbit/s = 64000 bit/s
   W = 3 kHz = 3000 Hz
   SN≈2642244.95\frac{S}{N} \approx 2642244.95NS​≈2642244.95
   db =10Log10(SN)=10Log10(2642244.95)≈64.2(db)=10Log_{10}(\frac{S}{N})=10Log_{10}(2642244.95) \approx 64.2(db)=10Log10​(NS​)=10Log10​(2642244.95)≈64.2(db) ，是個信噪比很高的信道

9. 試解釋以下名詞：數據、信號、模擬數據、模擬信號、基帶信號、帶通信號、數字數據、數字信號、碼元、單工通信、半雙工通信、全雙工通信、串行傳輸、並行傳輸。
   數據：是運送信息的實體。
   信號：則是數據的電氣的或電磁的表現。 
   模擬數據：運送信息的模擬信號。 
   模擬信號：連續變化的信號。 
   基帶信號（即基本頻帶信號）：來自信源的信號。像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數據信號都屬於基帶信號。 
   帶通信號：把基帶信號經過載波調製後，把信號的頻率範圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率範圍內能夠通過信道）
   數字信號：取值爲有限的幾個離散值的信號。 
   數字數據：取值爲不連續數值的數據。 
   碼元：在使用時間域的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形 
   單工通信：即只有一個方向的通信而沒有反方向的交互。 
   半雙工通信：即通信和雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送（當然也不能同時接收）。這種通信方式是一方發送另一方接收，過一段時間再反過來。 
   全雙工通信：即通信的雙方可以同時發送和接收信息。
   串行傳輸：是指數據是從一個比特一個比特一次發送的，因此在發送端和接收端之間只需要一條傳輸線路即可。
   並行傳輸：是指一次發送n個比特而不是一個比特，爲此，在發送端和接收端之間需要有n條傳輸路線。

10. 常用的傳輸媒體有哪幾種？各有何特點？ 
    常見的傳輸媒體有以下幾種:
    1.雙絞線 
    雙絞線分屏蔽雙絞線和無屏蔽雙絞線。由兩根相互絕緣的導線組成。可以傳輸模擬信號，也可以傳輸數字信號，有效帶寬達250kHz，通常距離一般爲幾到十幾公里。導線越粗其通信距離越遠。在數字傳輸時，若傳輸速率爲每秒幾兆比特，則傳輸距離可達幾公里。一般用作電話線傳輸聲音信號。雖然雙絞線容易受到外部高頻電磁波的干擾，誤碼率高，但因爲其價格便宜，且安裝方便，既適於點到點連接，又可用於多點連接，故仍被廣泛應用。 
    2.同軸電纜 
    同軸電纜分基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜，其結構是在一個包有絕緣的實心導線外，再套上一層外面也有一層絕緣的空心圓形導線。由於其高帶寬（高達300~400Hz）、低誤碼率、性能價格比高，所以用作LAN中。同軸電纜的最大傳輸距離隨電纜型號和傳輸信號的不同而不同，由於易受低頻干擾，在使用時多將信號調製在高頻載波上。
    3.光導纖維 
    光導纖維以光纖維載體，利用光的全反向原理傳播光信號。其優點是直徑小、質量輕：傳播頻帶寬、通信容量大：抗雷電和電磁干擾性能好，五串音干擾、保密性好、誤碼率低。但光電接口的價格較昂貴。光纖被廣泛用於電信系統鋪設主幹線。 
    4.無線電微波通信 
    無線電微波通信分爲地面微波接力通信和衛星通信。其主要優點是頻率高、頻帶範圍寬、通信信道的容量大；信號所受工業干擾較小、傳播質量高、通信比較穩定；不受地理環境的影響，建設投資少、見效快。缺點是地面微波接力通信在空間是直線傳播，傳輸距離受到限制，一般只有50km，隱蔽性和保密性較差；衛星通信雖然通信距離遠且通信費用與通信距離無關，但傳播時延較大，技術較複雜，價格較貴。

11. 爲什麼要使用信道複用技術？常用的信道複用技術有哪些？ 
    信道複用的目的是讓不同的計算機連接到相同的信道上，以共享信道資源。在一條傳輸介質上傳輸多個信號,提高線路的利用率，降低網絡的成本。這種共享技術就是多路複用技術。
    頻分複用（FDM，Frequency Division Multiplexing）就是將用於傳輸信道的總帶 寬劃分成若干個子頻帶（或稱子信道），每一個子信道傳輸1路信號。頻分複用要求總頻率寬度大於各個子信道頻率之和，同時爲了保證各子信道中所傳輸的信號互不干擾，應在各子信道之間設立隔離帶，這樣就保證了各路信號互不干擾（條件之一）。頻分複用技術的特點是所有子信道傳輸的信號以並行的方式工作，每一路信號傳輸時可不考慮傳輸時延，因而頻分複用技術取得了非常廣泛的應用。 
    時分複用（TDM，Time Division Multiplexing）就是將提供給整個信道傳輸信息的時間劃分成若干時間片（簡稱時隙），並將這些時隙分配給每一個信號源使用，每一路信號在自己的時隙內獨佔信道進行數據傳輸。時分複用技術的特點是時隙事先規劃分配好且固定不變，所以有時也叫同步時分複用。其優點是時隙分配固定，便於調節控制，適於數字信息的傳輸；缺點是當某信號源沒有數據傳輸時，它所對應的信道 會出現空閒，而其他繁忙的信道無法佔用這個空閒的信道，因此會降低線路的利用率。時分複用技術與頻分複用技術一樣，有着非常廣泛的應用，電話就是其中最經典的例子，此外時分複用技術在廣電也同樣取得了廣泛地應用，如SDH，ATM，IP 和HFC網絡中 CM 與 CMTS 的通信都是利用了時分複用的技術。

12. 試寫出下列英文縮寫的全文，並進行簡單的解釋。 FDM，TDM，STDM，WDM，DWDM，CDMA，SONET，SDH，STM-1，OC-48。
    FDM(frequency division multiplexing)頻分複用，同一時間同時發送多路信號。所有的用戶可以在同樣的時間佔用不同的帶寬資源。
    TDM(Time Division Multiplexing)時分複用，將一條物理信道按時間分成若干時間片輪流地給多個用戶使用，每一個時間片由複用的一個用戶佔用，所有用戶在不同時間佔用同樣的頻率寬度。 
    STDM(Statistic Time Division Multiplexing)統計時分複用，一種改進的時分複用。不像時分複用那樣採取固定方式分配時隙，而是按需動態地分配時時隙。
    WDM(Wave Division Multiplexing)波分複用，在光信道上採用的一種頻分多路複用的變種，即光的頻分複用。不同光纖上的光波信號（常常是兩種光波信號）複用到一根長距離傳輸的光纖上的複用方式。 
    DWDM(Dense Wave Division Multiplexing)密集波分複用，使用可見光頻譜的寬帶特徵在單個光纖上同時傳輸多種光波信號的技術。DWDM 可以利用一根光纖同時傳輸多個波長，多路高速信號可以在光纖介質中同時傳輸，每路信號佔用不同波長。
    CDMA(Code Wave Division Multiplexing)碼分多址，是採用擴頻的碼分多址技術。用戶可以在同一時間、同一頻段上根據不同的編碼獲得業務信道。
    SONET(Synchronous Optical Network)同步光纖網,是以分級速率從155Mb到2.5Gb/s的光纖數字化傳輸的美國標準，它支持多媒體多路複用，允許聲音、視頻和數據格式與不同的傳輸協議一起在一條光纖線路上傳輸。
    SDH(Synchronous Digital Hierarchy)同步數字系列指國際標準同步數字，SDH 簡化了複用和分用技術,需要時可直接接入到低速支路,而不經過高速到低速的逐級分用，上下電路方便。
    STM-1（Synchronous Transfer Module）第1級同步傳遞模塊，SDH的基本速率，相當於SONET體系中的OC-3速率。
    OC-48（Optical Carrier）第48級光載波，是SONET體系中的速率表示，對應於SDH的STM-16速率，常用近似值2.5Gb/s

13. 碼分多址CDMA爲什麼可以使所有用戶在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信而不會互相干擾？這種複用方法有何優缺點？ 
    各用戶使用經過特殊挑選的相互正交的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。 
    這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似於白噪聲，不易被敵人發現。佔用較大的帶寬。
    優點是容量大，有很強的抗干擾能力，發送功率小。缺點是技術相對複雜。

14. 共有4個用戶進行碼分多址CDMA通信。4個用戶的碼片序列爲：
    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） 
    現收到這樣的碼片序列S：（－1＋1－3＋1－1－3＋1＋1）。問哪個站發送數據了？發送數據的站發送的是0還是1？ 
    S·A =（＋1－1＋3＋1－1＋3＋1＋1）／8 = 1， A發送1 
    S·B =（＋1－1－3－1－1－3＋1－1）／8 = -1， B發送0 
    S·C =（＋1＋1＋3＋1－1－3－1－1）／8 =0， C無發送 
    S·D =（＋1＋1＋3－1＋1＋3＋1－1）／8 =1， D發送1

15. 試比較xDSL，HFC 以及FTTx接入技術的優缺點。 
    xDSL技術就是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業務。成本低，易實現，但帶寬和質量差異性大。
    HFC 網的最大的優點具有很寬的頻帶，並且能夠利用已經有相當大的覆蓋面的有線電視網。要將現有的 450MHz 單向傳輸的有線電視網絡改造爲 750MHz 雙向傳輸的 HFC 網需要相當的資金和時間。 
    FTTx（光纖到……）這裏字母x可代表不同意思。可提供最好的帶寬和質量、但現階段線 路和工程成本太大。
    ADSL最大的好處是利用現有電話網中的用戶線，改造成本低，每戶獨佔該用戶線，並可以同時上網和打電話，但接入速率與用戶線的質量和長度有很大關係。
    HFC的優點是利用現有的有線電視系統，傳輸帶寬高但是要將現有單向傳輸的有線電視電纜改造爲雙向通信的電纜，小區用戶共享同一媒體。
    FTTx帶寬高，是解決寬帶接入最理想的方案，但需要鋪設大量光纖，投入的建設成本較高。

16. 爲什麼ADSL 技術中，在不到1MHz 的帶寬中卻可以傳遞速率高達每秒幾個兆比特？ 
    靠先進的編碼，使得每秒傳送一個碼元就相當於每秒傳送多個比特。

17. 判斷一下正誤。
    （1）DSL和電話網撥號接入技術都要通過電話網經過電話交換機連接到ISP的路由器的。（×） 
    原因：撥號上網使用撥號調制解調器，利用電話網（電路交換）在用戶計算機與ISP的路由器之間建立一條物理鏈路（話音信道），使用這條話音信道傳輸數據。而DSL僅使用用戶線，利用頻分複用技術將用戶線劃分了數據信道和話音信道分離，上網的數據並不通過電話網。 
    （2）通過ADSL上網的同時可以利用同一電話線打電話。（√） 
    原因：ADSL僅使用用戶線，利用頻分複用技術將用戶線劃分了數據信道和話音信道分離，上網的數據並不通過電話網，因此可以同時上網和打電話。 
    （3）雙絞線由兩個具有絕緣保護層的銅導線按一定密度互相絞在一起組成，這樣不容易被拉斷。（×） 
    原因：雙絞線由兩個具有絕緣保護層的銅導線按一定密度互相絞在一起組成，這樣可以降低信號干擾的程度。 
    （4）信道複用技術可以將多路信號複用到同一條傳輸線路上進行傳輸，而不會混淆，因此能將該傳輸線路的帶寬成倍增加。（×）

18. 請比較電話撥號上網和通過ADSL上網的區別。
    撥號上網使用撥號調制解調器，利用電話網（電路交換）在用戶計算機與ISP的路由器之間建立一條物理鏈路（話音信道），使用這條話音信道傳輸數據，因此不能同時打電話和上網。而ADSL僅使用用戶線，利用頻分複用將用戶劃分爲了數據信道和話音信道，上網的數據並不通過電話網，因此可以同時上網和打電話，並且因爲不受話音信道頻帶寬度的限制可以提供更高的數據帶寬。

轉載自 《計算機網絡教程第五版|微課版》著者：謝鈞、謝希仁