谢希仁《计算机网络》(第5版)课后习题-物理层(圣才出品)

第2章物理层
1．物理层要解决哪些问题，物理层的主要特点是什么？
答：（1）物理层要解决的主要问题：
①物理层要尽可能屏蔽掉物理设备、传输媒体和通信手段的差异，使上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么；
②怎样在连接各种计算机的硬件设备上传输数据比特流；
③确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即：a.机械特性；b.电气特性；c.功能特性；
d.过程特性。

（2）物理层的主要特点：
①由于在OSI之前，许多物理规程或协议已经制定，而且在数据通信领域中，这些物理规程已被许多商品化的设备所采用。

加之物理层协议涉及的范围广泛，所以至今没有按OSI抽象模型制定一套新的物理层协议，而是沿用已存在的物理规程，将物理层确定为描述与传输媒体接口的机械、电气、功能和过程特性；
②由于物理连接的方式很多，传输媒体的种类也很多，因此，具体的物理协议相当复杂。

2．规程与协议有什么区别？
答：规程与协议没有本质的区别。

用于物理层的协议也常称为物理层规程（Procedure），其实物理层规程就是物理层协议，只是在“协议”这个名词出现之前人们先使用了“规程”这一名词。

3．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。

答：如图2-1所示，一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（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）。

（1）源系统：一般包括源点和发送器两部分。

源点设备产生要传输的数据，又称为源站或信源；通常源点生成的数据比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输；
（2）目的系统：包括接收器和终点两部分。

接收器接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息；终点设备从接收器获取传送来的信息，又称为目的站或信宿；
（3）传输系统：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的网络系统。

图2-1 数据通信系统的模型图
4．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。

答：数据：运送消息的实体；
信号：数据的电气的或电磁的表现；
模拟数据：取值为连续数值的数据；
模拟信号：或连续信号，代表消息的参数的取值是连续的；
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：取值为不连续数值的数据；
数字信号：或离散信号，代表消息参数的取值是离散的；
码元：在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元；
单工通信：即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互；
半双工通信：又称双向交替通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送或接收传输；
全双工通信：又称双向同时通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息；
串行传输：逐个比特按照时间顺序传输；
并行传输：多个比特同时传输。

5．物理层的接口有哪几个方面的特性，各包含些什么内容？
答：物理层的主要任务可描述为确定与传输媒体接口的一些特性，即：
（1）机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。

平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化规定；
（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。

6．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/每秒”和“码元/每秒”有何区别？
答：根据香农定理公式C=W×log2（1+S/N）（b/s），其中，C为信道的极限信息传输速率，W为带宽，S/N为信噪比，可知，数据在信道中的传输速率受到信噪比和带宽的影响。

从理论上来说，只要信号功率足够大或者噪声功率足够小，信噪比就可以任意提高。

但在实际的系统中，由于受到系统发射功率的限制，信号功率不可能无穷大，而对于系统来说，有一定的噪声基底，噪声功率不可能无穷小，因此信噪比不能任意提高。

香农公式的意义：只要信息传输速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的传输。

不过，香农没有说明具体的实现方法。

“比特/秒”是信息的传输速率，“码元/秒”是码元的传输速率。

“比特/秒”和“码元/秒”在数量上有一定的关系，即比特率=码元速率×log2L，其中L表示一个码元对应的数据信号电平的数量。

显然，一个码元不一定对应于一个比特。

7．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？
答：根据公式
比特率=码元速率×log2L
又由题意可知：L=16，码元速率=20000码元/秒
则有：20000×log216=80000（b/s）。

所以，可以获得80000比特/秒的数据率。

8．假定要用3kHz带宽的电话信道传送64kb/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？
答：根据香农公式C=W×log2（1+S/N）（b/s），可得S/N=2C/W-1，其中C=64000b/s，W=3000 Hz，则性噪比为：
S/N=264000/3000-1=2642245
用分贝表示为：10×log2（S/N）=10×log22642245=64.2 dB。

结果表明这是一个信噪比很高的信道，在表示性噪比的时候，用分贝来表示会更加的直观简明，而直接用比值表示不利于理解。

9．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35kb/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，问最大信息速率能否再增加20％？
答：根据香农公式C=W×log2（1+S/N），可得S/N=2C/W-1，其中W=3100 Hz，若使最大信息传输速率增加60％，那么（S/N）2=2C×（1+60%）/W-1=（2C/W）1.6-1=（S/N+1）1.6-1，而由原始的W=3100Hz，C=35000Hz，易得S/N≈2504，所以（S/N）2=（S/N+1）1.6-1≈274215，故（S/N）2/ S/N≈274215/2504≈110，信噪比S/N应增大到大约110倍。

如果在此基础上将信噪比S/N再增大到10倍，那么（S/N）3=274215×10=2742150，由香农公式C=Wlog2（1+S/N），可得C3=3100×log2（1+2742150）≈109200b/s，而C2=1.6×35000=56000b/s，所以最大信息速率增加为：（C3-C2）/C2=（109200-56000）/56000≈18.5%。

所以最大信息速率只能再增加18.5％左右。

10．常用的传输媒体有哪几种，各有何特点？
答：常见的传输媒体有以下几种：
（1）双绞线。

双绞线分屏蔽双绞线（STP）和无屏蔽双绞线（UTP）。

把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合在起来就构成了双绞线。

绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。

使用双绞线最多的地方就是到处都有的电话系统。

几乎所有的电话都用双绞线连接到电话交换机。

模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。

由于双绞线的价格便宜且性能也不错，因此使用十分广泛；
（2）同轴电缆。

同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编制的外导体屏蔽层以及保护塑料外层构成。

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，被广泛用于传输较高速率的数据。

目前同轴电缆主要用在安装有线电视网的居民小区中，同轴电缆的带宽取决于电缆的质量，目前高质量的同轴电缆的带宽已接近1 GHz；
（3）光缆。

光纤是光纤通信的传输媒体，光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

光纤的通信容量非常大，传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济，抗雷电和电磁干扰性能好，无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据，体积小，质量轻。

但是将两根光纤精确地连接需要专用设备，目前光电接口还比较贵。

由于光纤非常细，连包层一起的直径也不到0．2mm。

因此必须将光纤做成很结实的光缆。

一根光缆少则只有一根光纤，多则可包括数十至数百根光纤，再加上加强芯和填充物就可以大大提高其机械强度。

必要时还可放入远供电源线。

最后加上包带层和外护套，就可以使抗拉强度达到几公斤；
（4）非导向传输媒体。

短波通信主要是靠电离层的反射，由于电离层的不稳定，导致短波信道的通信质量较差，危险微波通信不能直视，分为两种方式：地面短波接力通信和卫星通信。

卫星通信虽然通信距离远，通信费用与通信距离无关，但传播时延较大，技术较复杂，价格较贵。