【计算机网络最全知识点问答】第二章 物理层

重点和难点

• 重点：

  • 数据通信的基本概念，包括数据通信系统的组成、模拟信号与数字信号、调制解调等。

  • 数据通信中的几个指标，如信号传输速率、数据传输速率、信道容量、带宽、时延、误码率等。

  • 多路复用技术，包括频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用、码分多路复用。

  • 数字信号编码，如单极性码、双极型编码、不归零码、归零码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码等。

  • 传输介质，包括双绞线、同轴电缆、光缆、非导向性传输媒体等。

  • 同步光纤网和同步数字系列的概念和标准。

  • 物理层协议举例，如 EIA - 232 - E 接口标准、RS - 449 接口标准。

• 难点：

  • 奈氏准则和香农公式的理解和应用。

  • 各种复用技术的原理和特点。

  • 不同数字信号编码的区别和应用场景。

  • 物理层协议中各种特性的理解和应用。

关键问题一

1. 什么是数据通信系统的组成部分？

2. 模拟信号和数字信号有什么区别？

3. 奈氏准则的内容是什么？

4. 香农公式的内容是什么？

5. 数据传输速率和信号传输速率有什么关系？

6. 什么是带宽？在不同场景下有哪些不同的含义？

7. 时延包括哪些部分？如何计算总时延？

8. 误码率是如何计算的？有什么作用？

9. 频分多路复用的原理是什么？

10. 时分多路复用有哪些类型？各自的特点是什么？

11. 波分多路复用和码分多路复用的应用场景有哪些？

12. 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的特点是什么？

13. 双绞线有哪些类型？各自的特点是什么？

14. 同轴电缆分为哪几种？有什么特点？

15. 光纤的传输原理是什么？单模光纤和多模光纤有什么区别？

16. 同步光纤网和同步数字系列的标准有哪些？

17. 物理层协议的特性包括哪些方面？

18. EIA - 232 - E 接口标准的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性分别是什么？

19. RS - 449 接口标准相比 EIA - 232 接口标准有哪些改进？

解答问题

1. 数据通信系统由源系统（发送端、信源）、传输系统、目的系统（接收端、信宿）组成。源系统包括源点和发送器，目的系统包括接收器和终点。

2. 模拟信号是连续变化的电压或电流波形，数字信号是一系列表示“0”和“1”的电脉冲（码元）。模拟信号可以表示连续的数值范围，数字信号只能取离散的数值。

3. 奈氏准则：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元，即理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud（W 是理想低通信道的带宽，单位为赫）；每赫带宽的理想带通信道的最高码元传输速率是每秒 1 个码元，即理想带通特性信道的最高码元传输速率 = W Baud（W 是理想带通信道的带宽，单位为赫）。

4. 香农公式：对于带宽为 H 的有噪声信道，信道容量为 C = H log2(1 + S/N) (bps)，其中 S 为信号功率，N 为噪声功率，S/N 为信道的信噪比，信噪比的单位为分贝（dB），换算关系为信噪比（dB）= 10Log10(S/N)。

5. 若码元的状态数为 2 时，比特率 = 波特率（即每秒传输的二进制位数等于每秒钟传输的码元数）；若码元的状态数为 N，则比特率和波特率的关系为比特率 = 波特率×log2N。

6. “带宽”本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等），指信号各种不同频率成份所占据的频率范围。现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。更常用的带宽单位是千比每秒（kb/s）、兆比每秒（Mb/s）、吉比每秒（Gb/s）、太比每秒（Tb/s）。在计算机界，K = 210 = 1024，M = 220 = 1048576，G = 230，T = 240。

7. 时延分为发送时延、传播时延、处理时延。总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延。发送时延 = 数据块长度（比特）/信道带宽（比特/秒）；传播时延 = 信道长度（米）/信号在信道上的传播速率（米/秒）；处理时延是交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间，结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。

8. 误码率：传输出错的码元数占传输总码元数的比例，即误码率 Pe = Ne/N（设传输总的码元数为 N，传输出错的码元数为 Ne）。误码率决定传输的数据单元的大小，信道的质量较差，误码率比较大则采用较小的数据单元传输。

9. 频分多路复用：当信道的带宽大于各路信号的总带宽时，可以将信道分割成若干个子信道，每个子信道用来传输一路信号。要求各路信号的频谱在传输过程中不互相重叠和干扰，采用频谱搬移技术。

10. 时分多路复用分为同步 TDM 和统计时分复用 STDM。同步 TDM 时间片的分配事先约定，且固定不变，优点是控制简单，接收设备根据预约的时间片分配方案，将收到的数据分发到不同的输出线路上；缺点是当某个信号源没有数据时，仍然占用时间片，不能充分利用信道。STDM 时间片按需分配，需要发送数据的信号源提出申请，才能获得时间片，可以充分利用信道，但控制比较复杂。

11. 波分多路复用主要用于光纤通信中，是光的频分复用，不同的信号源使用不同频率（波长）的光波来传输数据，各路光经过一个棱镜（或衍射光栅），合成一个光束在光纤上传输；在接收端再将各路光波分开。码分多路复用每个用户在同样的时间使用同样的频带进行通信，各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰，抗干扰能力强，不易被敌人发现，可提高话音质量、数据传输可靠性、增大通信系统容量，降低手机的平均发射功率。

12. 曼彻斯特编码每位中间有一个电平跳变，从低到高的跳变表示“0”，从高到低的跳变表示“1”，用在以太网中。差分曼彻斯特编码每位的中间有一个跳变，但它不是用这个跳变来表示数据的，而是利用每个码元的开始时有无跳变来表示“0”或“1”，有跳变表示“0”，没有跳变表示“1”，用在令牌环网中。

13. 双绞线分为屏蔽双绞线 STP 和无屏蔽双绞线 UTP。STP 分为 3 类和 5 类，5 类的 STP 在 100 米内可达 155Mb/s；目前用的比较多的是 5 类和超 5 类 UTP，6 类 UTP 可达 250Mb/s，7 类可达 600Mb/s。双绞线既可用于模拟传输，也可用于数字传输，带宽依赖于线的粗细和传输距离。

14. 同轴电缆按照特性阻抗的不同，分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。基带同轴电缆 50 欧姆，用于数字传输，分粗缆和细缆两种，以 10Mb/s 可将基带数字信号，粗缆传送 500 米，细缆传送 180 米。宽带同轴电缆 75 欧姆，用于模拟传输，采用 FDM 技术将信道分割成多个子信道，每个子信道传送一路电视信号，用于城域网，如有线通（Cable MODEM）。

15. 光纤由能传导光波的石英玻璃纤维和保护层构成，纤芯很细直径只有 8 至 100um，纤芯和包层具有不同的折射系数。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，若入射角足够大，会出现全反射，光线碰到包层时会折射回纤芯，从而实现光在光纤中的传输。多模光纤只要从纤芯射到纤芯表面的入射角大于某一个临界角度，就会产生全反射，可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，传输中光脉冲会逐渐展宽，造成失真，适合短距离传输。单模光纤若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤像一根波导，使光线一直向前传播，不会多次反射，使用昂贵的半导体激光源，光脉冲的衰耗小，适合长距离传输。

16. SONET 标准：美国推出同步光纤网数字标准，为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构，其传输基本速率为 51.84Mb/s。对电信号，第 1 级同步传送信号 STS - 1 的传输速率是 51.84 Mb/s，光信号则称为第 1 级光载波 OC - 1。SDH 标准：ITU - T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH，基本速率为 155.52 Mb/s，称为第 1 级同步传递模块 STM - 1，相当于 SONET 体系中的 OC - 3 速率。

17. 物理层协议的特性包括机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。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表示何种意义；规程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

18. EIA - 232 - E 接口标准的机械特性是使用 25 芯标准连接器，插头用于 DTE，插座用于 DCE 侧；电气特性是采用 - 15V~ - 3V 表示逻辑“1”电平，+3V~ + 15V 表示逻辑电平“0”，接口传输速率有 50，75，110，150，300…4800，9600，19200bps，传输距离不超过 15m；功能特性是定义 25 芯中的 20 根为信号线，包括地线、数据线、控制线和定时信号线，另外 5 根为备用，没有定义，最常用的信号线为 10 根；规程特性是规定了 DTE 和 DCE 之间的信号时序的应答关系和操作过程。

19. EIA - 232 接口标准数据传输速率的上限为 20kb/s，连接电缆的最大长度不超过 15m。RS - 449 标准由 RS - 449、RS - 423 - A、RS - 422 - A 三个标准组成，规定机械、功能和规程特性，为 37 根引脚，典型的 RS - 449 的传输速率可达到 48~168kb/s。

关键问题二

1. 数据通信中为什么需要调制解调技术？

2. 正交幅度调制（QAM）是如何提高信息传输速率的？

3. 脉冲编码调制（PCM）的过程包括哪些步骤？

4. 在时分复用中，同步 TDM 和异步 TDM 的主要区别是什么？

5. 码分多址（CDMA）的工作原理是什么？

6. 不同类型的传输介质各自适用于哪些场景？

7. 为什么光纤通信具有低损耗、高带宽等优点？

8. 地面微波接力通信有哪些优缺点？

9. 卫星通信的特点是什么？

10. 红外线与毫米波通信的局限性有哪些？

11. SONET 和 SDH 标准的制定有什么重要意义？

解答问题

1. 在计算机提供的二进制数字信号与电话网提供的模拟信号之间进行转换需要调制解调技术。连续波数字信号调制可以将数字信号转换为适合在模拟信道上传输的信号，在接收端再将模拟信号转换回数字信号。这样可以实现不同类型信号之间的通信。

2. 正交幅度调制（QAM）可以获得更高的信息传输速率。上面几种调制方式，一个码元仅包含 2 个状态（两种振幅、频率、相位），即 1 个码元携带 1bit 信息。如果 1 个码元要携带多位比特信息呢？必需采用混合调制方法。QAM 可供选择的相位有多种，而对于每一种相位有不同的振幅可供选择，由于不同的振幅和相位组合可以对应不同的比特编码，因此一个码元可以携带多位比特信息，从而提高信息传输速率。

3. 脉冲编码调制（PCM）将模拟信号转换为数字信号的过程包括采样、量化、编码三个步骤。采样是实现时间上的离散化，每隔一定时间间隔，取模拟信号的当前值作为样本；量化是使采样值在取值上离散化，将原始信号的取值范围划分为若干个等级，将每个采样值“取整”到离它最近的一个等级上；编码是将量化后的采样值用一定位数的二进制数码来表示。

4. 在时分复用中，同步 TDM 和异步 TDM 的主要区别在于时间片的分配方式。同步 TDM 时间片的分配事先约定，且固定不变，当某个信号源没有数据时，仍然占用时间片，不能充分利用信道；异步 TDM（统计时分复用 STDM）时间片按需分配，需要发送数据的信号源提出申请，才能获得时间片，可以使得所有时隙都能够饱满地得到使用，可以使得服务的终端数大于时隙的个数，提高信道的利用率，但控制比较复杂。

5. CDMA（码分多址）的工作原理如下：每个用户在同样的时间使用同样的频带进行通信，各用户使用经过特殊挑选的不同码型，彼此不会造成干扰。每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列，发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列，发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。在接收端，当接收站打算接收某站的信号时，就用该站的码片序列与收到的叠加信号求规格化内积，若该站有信号发送，则内积结果为 1（发送数据 1）或 -1（发送数据 0），若该站没有信号发送，则内积结果为 0。

6. 不同类型的传输介质适用场景如下：

•         双绞线：既可用于模拟传输，也可用于数字传输，适用于近距离的网络连接，如计算机与交换机、计算机与 HUB、交换机与路由器等之间的连接。目前用的比较多的是 5 类和超 5 类 UTP，6 类 UTP 可达 250Mb/s，7 类可达 600Mb/s。

  • 同轴电缆：基带同轴电缆用于数字传输，分粗缆和细缆两种，以 10Mb/s 可将基带数字信号，粗缆传送 500 米，细缆传送 180 米，适用于短距离的数字传输；宽带同轴电缆用于模拟传输，采用 FDM 技术将信道分割成多个子信道，每个子信道传送一路电视信号，用于城域网，如有线通（Cable MODEM）。

  • 光纤：通信损耗低、频带宽、数据传输速率高、抗电磁干扰好，安全性好，体积小、重量轻等，适用于长距离、高带宽的通信场景，如骨干网络、城域网等。

  • 非导向性传输媒体：用自由空间作为传输介质来进行数据通信，适用于架设或铺埋电缆或光缆较困难的地方，广泛应用于电话领域构成的蜂窝式无线电话网，如地面微波接力通信适用于长距离传输时需要中继站的场景；卫星通信适用于广播电视通信等远距离通信场景；红外线与毫米波通信适用于短距离通信，如室内无线局域网、遥控器、防盗警报等。

7. 光纤通信具有低损耗、高带宽等优点的原因如下：光纤由能传导光波的石英玻璃纤维和保护层构成，纤芯和包层具有不同的折射系数，当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，若入射角足够大，会出现全反射，光线碰到包层时会折射回纤芯，从而实现光在光纤中的传输，这种传输方式损耗低。同时，光纤可以传输多种波长的光，频带宽，能够实现高数据传输速率。此外，光纤抗电磁干扰好，安全性好，体积小、重量轻等。

8. 地面微波接力通信的优点：频带宽、通信容量大、传输质量高、可靠性较好、投资少、见效快、灵活等。缺点：相邻站间必须直视，不能有障碍物；受气候干扰较大、保密性差、中继站的使用与维护问题等。

9. 卫星通信的特点是：频带很宽，通信容量大，信号受干扰小；通信比较稳定，通信距离远。缺点是保密性较差，造价较高，具有较大的传输延迟。适用广播电视通信等场景。

10. 红外线与毫米波通信的局限性有：不能穿透坚硬的物体，对环境气候敏感。适用被广泛应用于短距离通信，红外线成为室内无线局域网的主要选择对象，如遥控器，防盗警报等。

11. SONET 和 SDH 标准的制定，使北美、日本和欧洲等不同的数字传输体制在 STM - 1 等级上获得了统一，并将此基础上的更高的数字传输速率作为国际标准。SDH/SONET 是第一次真正实现数字传输体制上的国际标准，为国际范围的高速数据传输提供了统一的标准和规范，促进了全球通信网络的发展。