释疑 803-（2）物理层整理总结

2-01 物理层要解决哪些问题?物理层的主要特点是什么?

2-02 规程与协议有什么区别?

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。

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。

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?

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?

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) ?

2-10 常用的传输媒体有哪几种?各有何特点?

2-11 假定有一种双绞线的衰减是0.7 dB/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?如果要使这种双绞线的工作距离增大到100公里，问应当使衰减降低到多少?

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?

2-14 试写出下列英文缩写的全称，并进行简单的解释。FDM，FDMA，TDM，TDMA，STDM，WDM， DWDM，CDMA，SONET,SDH，STM-1， OC-48。

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?

2-16 共有四个站进行码分多址CDMA通信。四个站的码片序列为: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: (-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?

2-17 试比较 ADSL, HFC以及FTTx接入技术的优缺点。

ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线

HFC（光纤同轴混合网 HFC (Hybrid Fiber Coax)）

光纤接入 FTTx

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

2-19 什么是EPON和GPON?

2-01 物理层要解决哪些问题?物理层的主要特点是什么?

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，尽可能屏蔽掉硬件设备、传输媒体、通信方式不同引起的差异，使上面的数据链路层感受不到这些差异。

特点：

（1）解决的问题：

①尽可能屏蔽掉硬件设备、传输媒体、通信方式不同引起的差异，使上面的数据链路层感受不到这些差异。而专注于完成本层的协议与服务。
②确定与传输媒体的接口有关的一些特性。
③完成传输方式的转换。

（2）主要特点：

①物理层确定与传输媒体的接口有关的一些特性:机械特性、电气特性、功能特性、过程特性。
②物理协议种类较多。

2-02 规程与协议有什么区别?

在物理层，这两个名词并没有什么区别，只不过“规程”名词比“协议”出现的早。协议在物理层叫规程，其它层的协议叫“协议”。

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。

数据通信系统可划分为源系统（或发送端、发送方）、传输系统 （或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。

源系统：

(1) 源点：源点设备产生要传输的数据，例如，从计算机键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流。源点又称为源站或信源。

(2) 发送器：源点生成数字比特流通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。例如调制器。

现在很多计算机使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用户在计算机外面看不见调制解调器。

目的系统：

(1) 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。例如解调器，它对来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。

(2) 终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出（例如，把汉字在计算机屏幕上显示出来）。终点又称为目的站或信宿。

在源系统和目的系统之间的传输系统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。

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：运送消息的载体。（消息如：话音、文字、图像、视频）
信号：数据的电气或电磁的表现。
模拟数据：取值连续的数据（运送信息的模拟信号？）
模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的信号。
基带信号：来自信源的信号。
带通信号：经过载波调制后的信号。
数字数据：取值为不连续的数据。
数字信号：代表消息的参数的取值是离散的信号。
码元：代表不同离散数值的波形。
单工通信（单向通信）：只有一个方向的通信，没有反方向的交互。比如无线有线电，电视广播。
半双工通信（双向交替通信）：通信双方都可以发送信息，但不能双方同时发送/接收。
全双工通信（双向同时通信）：通信双方可以同时发送和接收信息。
串行通信：数据传输时逐个比特按照时间顺序依次传输。
并行通信：多比特数据同时通过并行线进行传送。

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?

①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。
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?

限制因素：传输速率受信道带宽、信道内传送信号的平均功率、信道内高斯噪声功率限制。
信噪不能否任意提高：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），任何电子设备的噪声也不可能做到任意小。

香农公式的意义是：只要信息传输效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传输。
“比特/每秒”：信息传输速率的单位。
“码元/每秒”：调制速率、波形速率的单位。但一码元不一定对应一比特。

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) ?

log2 16=4bit , 20000×4=80000bit/s

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?（带公式）

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%?（带公式）

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，导向传输媒体和非导向传输媒体。

导向传输媒体：电磁波被导向沿着固体媒体（铜线或光纤）传播

非导向传输媒体：利用自由空间来传播传播电磁波。

常用的导向传输媒体：(1) 双绞线 (2) 同轴电缆 (3) 光纤 (4) 架空明线

(I) 双绞线：也称为双扭线，结构简单，把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，用规则的方法绞合。双绞线的价格便宜且性能也不错，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，被广泛用千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千电缆的质量。目前高质量的同轴电缆的带宽已

接近 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 40GbitJs 如果采用密集波分复用技术，例如使用 60 的波分复用，那么一根光纤的传输速率就达到了 1.6 TbitJs 。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：如输损耗小，抗雷电和电磁千扰性能好，无串音丁扰，保密性好。此外，体积小和重量轻在光纤通信的性价比越来越高，已经成为非常普及的种传输媒体

(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。

2-11 假定有一种双绞线的衰减是0.7 dB/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?如果要使这种双绞线的工作距离增大到100公里，问应当使衰减降低到多少?

20/0.7=28.6km

20/100=0.2dB/km

~~2-12 试计算工作在1200~ 1400 nm之间以及工作在1400~ 1600 nm之间的光波的频带宽度。假定光在光纤中的传播速率为2x 108 m/s。~~

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?

信道复用技术是一种允许多个用户共享同一个信道资源的方法，其主要目的是提高通信系统的效率和性能。使用信道复用技术有以下几个好处：

提高信道利用率：通过在同一信道上同时传输多个信号，信道复用技术大幅度提高了信道的利用效率，减少了资源浪费。例如，时分多址（TDMA）通过将时间划分成多个时隙，每个用户在不同的时隙发送数据；频分多址（FDMA）则通过在不同频率上同时传输数据。

降低成本：多用户共享一个信道，可以减少对独立信道的需求，进而降低通信系统的建设和维护成本。对于网络运营商而言，这意味着可以更高效地利用现有的基础设施，降低运营费用。

提高通信系统的容量：信道复用技术允许更多的用户同时接入通信网络，从而增加了系统的整体容量。例如，码分多址（CDMA）允许多个用户使用不同的编码在同一频段上传输数据，极大地提升了系统的容量和接入能力。

增强灵活性：信道复用技术可以根据用户的需求动态分配信道资源，提高系统的灵活性和适应性。例如，动态信道复用技术可以实时调整信道分配，以优化资源利用和网络性能。

提升服务质量：通过合理的信道复用和管理，可以减少信号干扰和冲突，提高通信的可靠性和服务质量。信道复用技术可以有效协调多个用户的通信需求，确保每个用户都能获得稳定的服务。

具体好处：资源高效利用：共享信道使得不同用户能够更高效地利用有限的信道资源。成本节约：减少了为每个用户分配独立信道的需求，节省了建设和维护成本。容量增加：允许更多用户同时接入网络，显著提高了系统的整体容量。服务质量提升：通过智能管理，降低干扰，提升每个用户的通信体验。

常用的复用技术有频分复用、波分复用（包括密集波分复用和稀疏波分复用）、时分复用（包括统计时分复用）和码分复用（即码分多址）

2-14 试写出下列英文缩写的全称，并进行简单的解释。FDM，FDMA，TDM，TDMA，STDM，WDM， DWDM，CDMA，SONET,SDH，STM-1， OC-48。

FDM (Frequency Division Multiplexing) 频分复用：给每个信号分配唯一的载波频率并通过单一媒体来传输多个独立信号的方法。组合多个信号的硬件称为复用器：分离这些信号的硬件称为分用器

FDMA (Frequency Division Multiple Access) 频分多址：可以让多个用户使用不同频率的信道接入到复用信道。

TDM (Time Division Multiplexing) 时分复用：把多个信号复用到单个硬件传输信道，它允许每个信号在一个很短的时间使用信道接着再让下一个信号使用。

TDMA (Time Division Multiple Access) 时分多址：可以让多个用户使用不同时隙接入到复用信道。

STDM (Statistic TDM) 统计时分复用：又称为异步时分复用，是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。

WDM (Wavelength Division Multiplexing) 波分复用：就是光的频分复用。入们借用传统的载波电话的频分复用的概念，就能做到使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号。这样就使光纤的传输能力成倍地提高了。由于光载波的频率很高，因此习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波。

DWDM (Dense WDM) 密集波分复用：是波长间隔很小的波分复用。是波分复用的一种具体表现形式。 DWDM 的波长间隔很小，不到2nm, 甚至小于 0.8 nm 。因此现在可以把几十路甚至一百多路的光载波信号复用到一根光纤中来传输。由于 DWDM 的普及应用，现在人们谈论的 WDM 系统几乎全都DWDM 系统。

CDMA (Code Division Multiplex Access) 码分多址：即码分复用，也是一种共享信道的方法。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此在同时间同频带进行通信，各用户之间并不会造成干扰，因此这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力。

SONET (Synchronous Optical Network) 同步光纤网：美国在 1988 年首先推出了一个数字传输标准。整个的同步网络的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。 SONET 为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构，其传输速率以 51.84 Mbit/s 为基础倍增上去。当这个倍数是 768 时，传输速率就近似为 40 Gbit/s

SDH (Synchronous Digital Hierarchy) 同步数字系列： ITU-T 以美国标准 SONET 为基础制定出的国际标准。但 SDH 的基本速率为 155.52 Mbit/s, 称为 STM-1 (Synchronous Transfer Module- I) 级同步传递模块通过光纤传输数据的一系列标准。 SDH 标准规定第级同步传递模块（即 STM-1) 的传输速率是 155.52 Mbit/s, 然后

倍的速率记为 STM-n

OC-48 (Optical Carrier-48) : OC (Optical Carrier) 的意思就是光载波，是 SONET 标准的表示方法。此标准规定第级光载波（即 OC-1) 的传输速率是 51.84 Mbit/s, 然后把倍的

速率记为 OC-n 。例如， OC-48 的传输速率是 48 倍的 OC-1 速率的光载波，即 2488.32 Mbit/s, 一般就写2.5 Gbit/s。

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?

码分多址给每个站分配的码片序列不同切相互正交，即规格化内积为0，任何一个码片向量和自己的规格化内积都是1，和自己的反码的规格化内积值是 -1。则例如X站，当X站收到数据时，比特1计算内积的结果是+1, 比特0的内积的结果是-1 ，其他不属于X站的信号经过内积后全为0，即：所有其他站的信号都被过滤掉。这样收到的只剩发给属于自己的信号了。

优点：抗干扰强，设备价格低，体积小，通信质量提高，数据传输可靠性高，通信系统容量提高，降低手机平均发射功率。

（采用码分多址 CDMA 所发送的信号①有很强的抗干扰能力，其频谱类似千白噪声，不易被 “黑客”发现。随着技术的进步， CDMA 设备的价格和体积都大幅度下降，因而现在已广泛使用在民用的移动通信中，特别是在无线局域网中。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（是使用 GSM 4~5 倍）， 降低手机的平均发射功率，等等。）

2-16 共有四个站进行码分多址CDMA通信。四个站的码片序列为:
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: (-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?

A站的内积：(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)×(-1 +1-3+1-1-3 +1 +1)/8=(1-1+3+1-1+3+1+1)/8=1

B站的内积：(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1)•(-1 +1-3+1-1-3 +1 +1)/ 8 =(+1-1-3-1-1-3+1-1) / 8=-1

C站的内积：(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1)• (-1 +1-3+1-1-3 +1 +1) / 8 =(+1+1+3+1-1-3-1-1)/8=0

D站的内积：(-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1)• (-1 +1-3+1-1-3 +1 +1)/8 = (+1+1+3-1+1+3+1 -1) / 8 = 1

因此，A和D发送1, B发送0, C未发送数据。

2-17 试比较 ADSL, HFC以及FTTx接入技术的优缺点。

ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线

优点： 可以利用现有电话网中的用户线，不需要重新布线。

缺点：对用户线的质量有较高的要求。如果用户住宅距离电话交换局较远，或线路的噪声较大，那么宽带接入的速率就会适当地降低。

HFC（光纤同轴混合网 HFC (Hybrid Fiber Coax)）

优点：覆盖面很广，带宽也很高，可以传送很高速率的数据。

缺点：必须对现有单向传输的有线电缆进行改造，变为可双向通信的电缆。用户家中需要增加一个机顶盒，用来观看电视和传送上行信号（在点播节目时使用）。此外，为了解决信号传输时有衰减的问题，在有线电缆中每隔一定距离就要加入一个放大器。大量放大器的接入将使整个网络

的可靠性下降。

光纤接入 FTTx

优点：光纤可传送的数据率很高，且通信质量最好。

缺点：但大量用户使用光纤接入还需要较多的建设资金

（现在三种接入方法各有优缺点，但在技术上这三种接入方法都能够解决高速上网的问题。

在我国，对千新建造的高层建筑或居民小区，目前采用光纤接入是实现高速宽带上网最合适

的方法。）

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

靠先进的编码，使得每秒传送一个码元就相当千每秒传送多个比特。

2-19 什么是EPON和GPON?

EPON (Ethernet PON) 是以太网无源光网络，已在 2004年6 月形成了 IEEE 的标准 802.3ah。在链路层使用以太网协议，利用 PON 的拓扑结构实现了以太网的接入。 EPON 的优点是：与现有以太网的兼容性好，并且成本低，扩展性强，管理方便。

GPON (Gigabit PON) 是吉比特无源光网络，其标准是 ITU在2003 年1 月批准的 ITU-T G.984 GPON 采用通用封装方法 GEM ( G e neric Encapsulation Method), 可承载多业务，对各种业务类型都能够提供服务质量保证，是很有潜力的宽带光纤接入技术。