物理层

1. 基本问题

1. 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比特流，而不是具体的传输媒体。由于现在计算机网络中的硬件设备和传输媒体种类繁多，通信手段也有很多不同的方式。物理层要尽可能地屏蔽掉这些差异，使它上面的数据链路层感觉不到这些差异，只考虑完成本层的协议和服务。

2. 给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力，为此，物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题。

3. 在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路。

2. 主要特点

1. 由于在OSI之前，许多物理规程或协议已经制定出来了，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的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，功能和规程特性。

   （1）机械特性：规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况等。

   （2）电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离。

   （3）功能特性：主要定义各条物理线路的功能。

   （4）规程特性：主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

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。

3. 通信方式

1. 单工通信
2. 半双工通信
3. 全双工通信

4. 传输介质

常用的传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤、无线。

例题

1. 在电缆中屏蔽有什么好处？仅（2）

（1）减少信号衰减 （2）减少电磁干扰辐射和对外界干扰的灵敏度

（3）减少物理损坏 （4）减少电磁的阻抗

2. 下述哪个说法是正确的？（D）

A 细同轴电缆传输速率最高

B 光纤电缆支持电缆运行几十公里

C 屏蔽双绞线电缆对电磁干扰不敏感

D 以上说法都不对

分析：

细同轴电缆的最大长度为185m，数据传输速率为10Mbps；屏蔽双绞线电缆极易受电磁干扰，而光纤电缆可以支持的传输范围很广，大到一个省一个国家甚至全球。

3. 在下列传输介质中，那种传输介质的抗电磁干扰性最好？（C）

A 双绞线

B 同轴电缆

C 光缆

D 无线介质

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（b/s）?

答：C=R*Log2（16）=20000b/s*4=80000b/s

9、每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率为每秒（2）个码元

"理想低通信道"就是信号的所有低频分量，只要其频率不超过某个上限值，都能够不失真地通过此信道。而频率超过该上限值的所有高频分量都不能通过该信道。

"带通矩形"只允许 上下限之间 的信号频率成分不失真的通过，其他频率成分不能通过。

"理想低通"信道下的最高码元传输速率＝2W Baud,其中W是理想低通信道的带宽，单位为赫兹；Baud是波特，即码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。

奈氏准则的另一种表达方法是：每赫兹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。

若码元的传输速率超过了奈氏准则所给出的数值，则将出现码元之间的互相干扰，以致在接收端就无法正确判定码元是1还是0。

对于具有理想带通矩形特性的信道（带宽为W），奈氏准则就变为：理想带通信道的最高码元传输速率＝1W Baud

即每赫宽带的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。

二者不同在有无下限上，所以规定带通信道为理想低通的最高码元传输率的一半。

10、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dB（保留一位小数）

答：

代入香农公式得：

C=3kHz * log2(1+S/N)=64kb/s

1+S/N=2\^(64/3)

S/N=2.64*10\^6

(S/N)dB=10log10(2.64*10\^6)=64.2dB

11、一条无噪声4kHz信道按照每1ms一次进行采样，请问最大数据传输率是多少？

答：

无噪声信道最大数据传输率公式：最大数据传输率=2Hlog2(V) b/s。因此最大数据传输率决定于每次采样所产生的比特数，如果每次采样产生16bits，那么数据传输率可达128kbps；如果每次采样产生1024bits，那么可达8.2Mbps。注意这是对无噪声信道而言的，实际信道总是有噪声的，其最大数据传输率由香农定律给出。

12、数据在信道重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：

（1）根据香农公式，数据在信道中的传输速率受信道带宽和信噪比的限制。

①具体的信道所能通过的频率范围是有限的，信号中的许多高频分量往往不能通过信道。如果信道中的高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端收到的信号波形会失去码元之间的清晰界限，即产生码间串扰。为了避免码间串扰，码元的传输速率就受到限制。

②所有的电子设备和通信信道中都存在噪声，较低的信噪比会使接收端对码元的判决产生错误。对于一定的信噪比，码元的传输速率越大就越容易出现接收时的判决错误。

（2）信噪比不能任意提高。原因如下：

①由于经济问题、器件问题、材料的绝缘问题等，信号的传输功率是受限的。

②任何电子设备都有其固有噪声，无法做到任意小。

（3）香农公式在数据通信中的意义是：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。

（4）“比特/秒”是比特率的单位，“码元/秒”是波特率（符号率）的单位。比特率=符号率*每个符号的比特数的乘积，一个码元不一定对应于一个比特。

知识点：

• 奈氏准则：理想状态下的最高码元传输速率为2w Baud.

  理想带通信道的最高码元传输速率为1w Baud.

• 香农公式：信道的极限信息传输速率C可表示为：C=W log2(1+S/N) b/s

  W为信道带宽（Hz），S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部到高斯噪音功率.

  信噪比为S/N ，信噪比化为分贝是（dB）=10log(S/N)(dB).

  表明信道的带宽或信道中的信噪比越大,则信道的极限传输速率就越大.

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？

答：

采用信道复用是为了提高系统容量和系统的效率。这样许多用户通过复用技术就可以使用同一个共享信道来进行通信。

常用的复用有四种即频分复用、时分复用、波分复用和码分复用。

①频分复用（FDM Frequency Division Multiplexing）就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带（或称子信道）每一个子信道传输1路信号。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带。

频分复用技术的特点是：所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延。因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。频分复用技术除传统意义上的频分复用（FDM）外还有一种是正交频分复用（OFDM）。

②时分复用（TDM Time Division Multiplexing）就是将提供给整个信道传输信息的时间划分成若干时间片（简称时隙），并将这些时隙分配给每一个信号源使用，每一路信号在自己的时隙内独占信道进行数据传输。

时分复用技术的特点是：时隙事先规划分配好且固定不变。所以有时也叫同步时分复用。其优点是时隙分配固定，便于调节控制，适于数字信息的传输；缺点是当某信号源没有数据传输时，它所对应的信道会出现空闲，而其他繁忙的信道无法占用这个空闲的信道，因此会降低线路的利用率。

③波分复用（WDM Wavelength Division Multiplexing）本质上是光的频分复用。WDM是在1根光纤上承载多个波长，这样极大地提高了光纤的传输容量。

④码分复用（CDM Code Division Multiplexing）是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式，主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术，包括无线和有线接人。

15、有10个信号，每个都要求4000Hz，现在用FDM将它们复用在一条信道上。对于被复用的信道，最小要求多少带宽？假设防护频段为400Hz宽。

答：

有10个4000Hz信号。我们需要9个防护频段来避免干扰。最小带宽需求是：

4000 * 10 + 400 * 9 = 43600 Hz.

16、在1μm波长上，在0.1μm的频段中有多少带宽？

答：

f = c / λ

df / dλ = c / λ\^2

df= c / λ\^2 * dλ = 3*10\^8 / 10\^(-6)\^2 * 10\^(-7) = 30*10\^12Hz

因此，在0.1μm的频段中可以有30THz。

17、请比较一下在一个电路交换网络中和在一个负载较轻的分组交换网络中，沿着k跳到路径发送x位消息的延迟情况。电路建立的时间为s秒，每一跳的传播延迟为d秒，分组的大小为p位，数据传输率为b bps。在什么条件下分组网络的延迟比较短？

答：

对于电路交换，

t=s时电路建立起来；

t=s+x/b时报文的最后一位发送完毕；

t=s+x/b+kd时报文到达目的地。

而对于分组交换，最后一位在t=x/b时发送完毕。

为到达最终目的地，最后一个分组必须被中间的路由器重发k-1次，每次重发花时间p/b，所以总的延迟为：

x/b+(k-1)*p/b+k*d

为了使分组交换比电路交换快，必须：

x/b+(k-1)*p/b+k*d < s+x/b+k*d

所以：

s>(k-1)*p/b

18、传播时延、发送时延和重发时延各自的物理意义是什么？

答：

传播时延是指电磁波在信道中传输所需要的时间。它取决于电磁波在信道上的传输速率以及所传播的距离。

发送时延是发送数据所需要的时间。它取决于数据块的长度和数据在信道上的发送速率。

重发时延是因为数据在传输中出了差错就要重新传送，因而增加了总的数据传输时间。

20、如果在一条3kHz信道上发送一个二进制信号，该信道的信噪比为20dB，则最大可达到的数据传输率为多少？

答：

信噪比为20 dB，即S/N = 100。由于log2(101)≈6.658，由香农定理，该信道的信道容量为3 log2(1 + 100) = 19.98kbps。

又根据奈氏定理，发送二进制信号的3kHz信道的最大数据传输速率为

2*3 log2(2)=6kbps。

所以可以取得的最大数据传输速率为6kbps。