计算机网络复习——Ch2物理层

Ch2 物理层

• 知识点
• 1. 物理层的功能：
• 2. 物理层协议的内容：
• 3. 常见通信术语及含义：
• 4. 傅立叶分析及物理含义（信号的分解）
• 5. 带宽：
• 6. 码元传输速率B和数据传输速率S的关系：
• 7. 奈氏准则
• 8. 香农公式：
• 9. 常用的有线介质：双绞线、光纤、同轴电缆
• 10. 基本的二元制调制方法：调幅、调相、和调频
• 11. QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
• 12. NRZ编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码
• 13. 常用的信道复用技术：时分、频分（光信号叫做波分复用）、码分复用
• 14. 物理层设备：中继器、集线器的工作原理
• 例题

知识点

1. 物理层的功能：

将数据比特流从一台机器传输到另一台相邻的机器。

2. 物理层协议的内容：

• 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
• 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(语义)
• 规程特性:指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序(同步)
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围(语法)

3. 常见通信术语及含义：

• 模拟(analogous)——连续变化的
• 数字(digital)——离散的
• 调制——把数字信号转换为模拟信号的过程
• 解调——把模拟信号转换为数字信号的过程
• 信源——产生和发送信息的设备（如计算机）
• 信宿——接收和处理信息的设备（如计算机）
• 信道——信源和信宿之间的通信线路(有数字信道和模拟信道)
• 单工——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
• 半双工——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)。
• 双工——通信的双方可以同时发送和接收信息
• 基带信号——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——将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号

4. 傅立叶分析及物理含义（信号的分解）

• 傅立叶分析:
  • 任何周期为T的函数g(t),都可以分解为（无限个）正弦和余弦函数的和
  • 任意一个信号都可以看做时间的周期性函数，故可以应用傅立叶分解
• 物理含义：
  • 将原始信号分解成无数信号之和
    每个信号都是简单的余弦（或正弦）信号
    但随着频率的增加，这些简单信号的能量迅速变小
  • 复杂信号转变为简单信号的叠加，简化处理
  • 舍掉携带能量很小的成分，进一步简化处理

5. 带宽：

• 信号带宽:

  信号的绝大部分能量集中在相当窄的频率范围内，这个频率范围的宽度被称为有效带宽，简称带宽

• 介质的带宽

  传输介质在传输过程中要损失一些信号能量，即信号会衰减
  传输介质对不同傅里叶分量的衰减不相同，因此信号会变形
  通常，频率越高，衰减就越严重

  传输过程中振幅不会明显减弱的这一段频率范围称作传输介质的带宽。
  通常指从0到某一个能够保留一半能量的频率处

6. 码元传输速率B和数据传输速率S的关系：

S＝B×log₂V bps （故调制方式会影响数据传输率）

• V：不同码元的个数
• 记住：一个信号不一定表示一个比特

7. 奈氏准则

恩奎斯特公式：

理想低通信道的最高码元传输速率 B = 2H Baud

• H是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)
• Baud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为每秒传送 1 个码元

8. 香农公式：

C = H log₂(1+S/N) b/s

H 为信道的带宽（以 Hz 为单位）

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


信道极限传输速率受带宽和信噪比的影响

信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高

9. 常用的有线介质：双绞线、光纤、同轴电缆

10. 基本的二元制调制方法：调幅、调相、和调频

• 调制就是进行波形变换（频谱变换）。
• 最基本的二元制调制方法有以下几种：
  • 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
  • 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
  • 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
    

11. QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

• 可供选择的相位有 12 种，而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。
  
• 由于4 bit 编码共有16 种不同的组合，因此这 16 个点中的每个
  点可对应于一种 4 bit 的编码

12. NRZ编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码

• NRZ编码:
  1-高 0-低
• 曼彻斯特编码:
  1-底变高
  0-高变低
• 差分曼彻斯特编码:
  1电平不跳变
  0电平跳变

13. 常用的信道复用技术：时分、频分（光信号叫做波分复用）、码分复用

码分复用：例题8

14. 物理层设备：中继器、集线器的工作原理

• 中继器:信号在传输过程中衰减，中继器将衰减信号放大整形
• 集线器：多端口中继器

例题

1. 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速率是 B
   
   A．12kbps B.24 kbps C.48 kbps D.96 kbps
   
   
   解析：
   考查对奈氏准则和香农定理
   奈奎斯特：在无噪声情况下，码元速率极限值B与信道带宽的关系： B=2*H(Baud)
   
   
   奈奎斯特公式----无噪信道传输能力公式：
   C=Blog₂N(bps)=2 H* log₂N(bps)
   
   
   H为信道的带宽，本题中H=3KHz；
   N为一个码元所取得离散值个数，本题中N=16(4个相位，每个相位4中振幅)。

   C=2Hlog₂N=2 * 3kHzlog₂16=2 3k* 4=24kbps

   香农公式是在带噪信道容量计算时使用的公式:
   C=H*log₂(1+S/N)(bps)

   S为信号功率，N为噪声功率，S/N为信噪比；

2. 在物理层接口特性中用于描述完成每种功能的事件发生顺序的是：C
   A. 机械特性
   B. 功能特性
   C. 规程特性
   D. 电气特性

3. 下列因素中，会影响信道数据传输速率的是 ABC（不定项）

   A．信噪比 B．频率带宽 C．信号调制方式 D．信号传播速度

4. 收发两端之间的传输距离为1000km，信号在媒体上的传播速率为2*10⁵km /s。试计算以下两种情况的发送时延和传播时延：
   （1）数据长度为10⁷bit，数据发送速率为100kb/s。
   
   发送时延：10⁷/10⁵ = 100s

   传播时延：10³/ 2 *10⁵ = 5ms

   （2）数据长度为10³bit，数据发送速率为1Gb/s
   发送时延：10³/10⁹ = 10^-6s

   传播时延：10³/ 2 *10⁵ = 5ms

   由计算结果能得出什么结论？

   数据传输时延主要受发送时延影响

5. 计算机网络中常用的有线传输介质有：双绞线、光纤、同轴电缆

6. （2.4）如果图2-44是一个8bit的曼彻斯特编码波形(前T/2传送该比特的反码)
   

   （1）请写出这个8bit数据的二进制编码
   01001011
   （2）请画出对应的差分曼彻斯特编码波形
   

7. (2.5)请根据表2-5QAM调制中波特率与相数，计算对应的数据传输速率值
   

8. （2.9)在CDMA系统中，四个站是码片分别为：
   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）
   现接收到的码片序列为S：（-1+1-3+1-1-3+1+1）
   请判断：是哪个站发送的数据? 发送的二进制数是0还是1?