计算机网络-第二章-物理层

题目：P67 习题2-04、2-05、2-06、2-07、2-08、2-09、2-13、2-15、2-16
习题来自《计算机网络（第7版）》，谢希仁编著，习题解析部分来自百度谷歌，部分来自该书原文，部分为博主原创，由博主整理编辑，如有侵权联系删除，如有谬误敬请批评指正。

习题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：通信的目的是传输例如话音、文字、图像、视频等的消息，而数据是运送消息的实体。数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。

信号：信号是数据的电气或电磁表现。

模拟数据：代表消息的参数取值是连续的数据。

模拟信号：用以直接传输模拟数据的，参数取值是连续的信号。

基带信号：信源发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是频率较低，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。

带通信号：经过载波调制后的信号称带通信号。

数字数据：代表消息的参数取值是离散的数据。

数字信号：用以直接传输数字数据的，参数取值是离散的信号。

码元：在数字信号中代表不同离散数值的基本波形称为码元。

单工通信：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

半双工通信：通信的双方都可以发送消息，但不能同时发送或同时接收。这种通信方式是一端发送另一端接收，过一段时间再反过来。

全双工通信：通信双方可以同时发送或接收消息。

串行传输：是指通信双方按位进行，遵守时序的一种通信方式。串行通信中，将数据按位依次传输， 每位数据占据固定的时间长度，即可使用少数几条通信线路就可以完成系统间交换信息。

并行传输：并行传输指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输，是在传输中有多个数据位同时在设备之间进行的传输。

习题2-05 物理层的接口有哪几个方面的特性？各包含哪些内容？

物理层的接口包含4个特性：

1. 机械特性
   也叫物理特性，指明通信实体间硬件连接接口的机械特点，如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。这很像平时常见的各种规格的电源插头，其尺寸都有严格的规定。
2. 电气特性
   规定了在物理连接上，导线的电气连接及有关电路的特性，一般包括：接收器和发送器电路特性的说明、信号的识别、最大传输速率的说明、与互连电缆相关的规则、发送器的输出阻抗、接收器的输入阻抗等电气参数等。
3. 功能特性
   指明物理接口各条信号线的用途（用法），包括：接口线功能的规定方法，接口信号线的功能分类–数据信号线、控制信号线、定时信号线和接地线4类。
4. 规程特性
   指明利用接口传输比特流的全过程及各项用于传输的事件发生的合法顺序，包括事件的执行顺序和数据传输方式，即在物理连接建立、维持和交换信息时，DTE/DCE双方在各自电路上的动作序列。

习题2-06 数据在传输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？

码元在信道中的传输速率收到奈氏准则约束，其最高传输速率和信道带宽有关。在信道中若码元速率过高会出现严重的码间串扰，使得接收方无法辨认码元间的界限。在考虑高斯噪声干扰的情况下信息在信道中的传输速率受香农定理约束，其极限传输速率受信道带宽和信噪比的影响。

信噪比是无法任意提高的，噪声存在于所有电子设备和通信信道中，不可能降为0，信息功率也不可能无限提高，因此信噪比=信息功率/噪声功率，是不能无限提高的。

香农公式表明，信道的带宽越大，信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。它给出了信息传输速率的极限。香农公式同时表明，只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就有方法可以实现无差错的传输。

比特/秒常常被计算机用来衡量数据的传输速率，码元/秒常常在通信中用来衡量码元的传输速率。码元是通信中比特的载体，由于调制解调和编码方式不同，不同情况下的一个码元可能包含不同的比特数。二者都是衡量通信中信息传输速率的物理量，区别在于衡量视角不同，同一通信过程中码元/秒和比特/秒可以通过其编码方式进行转换。

习题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个不同等级来传达，那么可以获得多高的数据率(bit/s)？

码元划分为16个等级，每个码元就可以表示 $lo{g}_{2}16=4$ 位比特，因此数据率(bit/s): $C=R\times lo{g}_{2}16=20,000bit/s\times 4=80,000bit/s$

习题2-08 假定要用3kHz带宽的电话信道传送64kbit/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？

由香农公式，$C=W\times lo{g}_2(1+S/N),W=3kHz,C=64kbit/s$ ，得到 $S/N=2642239.84=64.22dB$

这样的结果说明这是一个信噪比要求很高的信源。

习题2-09 用香农公式计算一下，假定信道带宽为3100Hz，最大信息传输速率为35kbit/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？如果在刚才计算的基础上将信噪比再增大到10倍，问最大信息传输速率能否再增加20%？

香农公式：$C=W\times lo{g}_2(1+S/N)$ ，带入 $C_1=35,000bit/s,W_1=3100Hz$ ，得到 $(S/N{)}_1=2^{350/31}-1$

若要信噪比增加60%，即令 $C_2=1.6C_1=1.6\times 35,000bit/s$ ，带入香农公式得 $(S/N{)}_2=2^{560/31}-1$

$(S/N{)}_1/(S/N{)}_2\approx 100$ ，因此信噪比应增大约100倍。

若信噪比再增大10倍，则 $C_3=W\times lo{g}_2(1+10\times (S/N{)}_2)=66360bit/s=1.185C_2$ ，最大信息传输速率只能增加约18.5%.

习题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？

“复用”是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。使用复用技术是因为在一般情况下，通信信道带宽远远大于用户所需的带宽，使用信道复用技术，让多个用户信号共享同一信道，可以提高信道利用率，共享信道资源，降低网络成本。

信道复用技术分为频分复用，时分复用，波分复用，码分复用，空分复用，统计复用，极化波复用等等。

习题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相互干扰？这种复用方法有何优缺点？

CDMA是一种扩频通信，将原本要传输的一个比特改为传输m个比特的码片序列，为每位用户指定相互正交的不同码片序列，让不同用户的传输数据直接叠加，在解析端向统一数据序列乘上不同用户的不同码片序列即可得到不同的原始数据。以形象的比方说明，在同一空间中传输着英语和法语两种声音，而英国人听不懂法语，因此以自己的英语知识解析英语声波即可获得英语传递的信息，法语的声波不会干扰英语的传递。

这种复用技术的优点在于信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不容易被发现。其缺点在于扩频后一个比特被扩展成m个比特的码片，就需要占用较大的带宽。

习题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？

用收到的数据序列分别乘上每个用户的码片序列，即可得到该用户原始发送的信息：

S · A = (+1 -1 +3 +1 -1 +3 +1 +1) / 8 = 1，A发送了1。

S · B = (+1 -1 -3 -1 -1 -3 +1 -1) / 8 = -1，B发送了0。

S · C = (+1 +1 +3 +1 -1 -3 -1 -1) / 8 = 0，C没有发送。

S · D = (+1 +1 +3 -1 +1 +3 +1 -1) / 8 = 1，D发送了1。