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计算机网络（谢希仁第六版）课后习题与答案 物理层

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2-5 请画出数据流1 0 1 0 0 0 1 1的不归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的波形（从高电平开始）。

图2-1 题2-5图

1. 非归零编码（NRZ）：高1低0，编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。比如，发了一长串相同的电平，就无法看出1或0的个数了。
2. 归零编码（RZ）：信号电平在一个码元之内都要恢复到零，导致处于低电平的时间非常多，不推荐使用。
3. 反向不归零编码（NRZI）：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。如果对于全0的信号，那么电平会一直反转，接收端很好接收；但如果是全为1的信号，电平就不会反转了。
4. 曼彻斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1；码元0则正好相反。可以记忆为：前高后低表示1，前低后高表示0。也可以采用相反的规定该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号（可用于同步）又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的二分之一。
5. 差分曼彻斯特编码：同1异0。常用于局域网传输，其规则是：**若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0，则相反。**该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。
6. 4B/5B编码**（了解即可）**：比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B。编码效率为80%。只采用16种对应16种不同的4位码其他的16种作为控制码（帧的开始和结束，线路的状态信息等）或保留。

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2-9 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。

1. 数据：通信的目的是传送消息。语音、文字、图像、视频等都是消息。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，这种信息的表示可以用计算机或人处理产生。

2. 信号：信号是数据的电气或电磁的表现。

3. 模拟数据：模拟数据也称为模拟量，相对于数字量而言，指的是取值范围是连续的变量或数值。模拟数据是指在某个区间产生的连续值，例如声音、图像、温度和压力等，模拟数据一般采用模拟信号，例如用一系列变化的电磁波，或电压信号表示。

4. 模拟信号：模拟信号也称为连续信号，代表消息的参数的取值是连续的，例如用户家中的调制解调器到电话端局之间的用户线上传送的就是模拟信号。

5. 基带信号：来自信源的信号称为基带信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。

6. 带通信号：经过载波调制后的信号称为带通信号。

7. 数字数据：在数据通信中也称为数字量，相对于模拟量而言，指的是取值范围是离散的变量或者数值。

8. 数字信号：数字信号也称离散信号。代表消息的参数的取值是离散的。例如，用户家中的计算机到调制解调器之间或在电话网中继线上传送的就是数字信号。(编码指的是将数据变成数字信号，而调制指的是将数据变成模拟信号)

9. 码元：指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为**$k$进制码元**，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时（M大于2），此时码元为**$M$进制码元**。通俗来讲，比如$2$进制码元，就代表信号有两种波形，那么需要$lo{g}_{2}2=1$个比特位来表示（0和1）。如果是$4$进制码元，就代表信号有四种波形，那么需要$lo{g}_{2}4=2$个比特位来表示（00、01、10、11）。

10. 单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，因此仅需要一条信道。类比广播站。

11. 半双工通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送或接收，需要两条信道。类比对讲机。

12. 全双工通信：又通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道。类比电话。

13. 串行传输：表示一个字符的8位二进制数按由低到高位的顺序依次发送。速度慢、费用低、适合远距离。

14. 并行传输：表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送。速度快、费用高、适合近距离。

图2-2 三种通信方式示意图

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2-10 常用的传输媒体有哪几种？各有何特点？

传输媒体分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体。导引型传输媒体分为双绞线、同轴电缆、光光纤；非导引型传输媒体主要是无线电波。

1. 双绞线是古老、但又是最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。为了进一步提高电磁干扰能力，可以在双绞线的外面加一个由金属丝编制成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP），无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线（UTP）。

   双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话中普遍使用。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公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失的信号整形。

2. 同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类:50Q同轴电缆和75Q同轴电缆。其中，50Q同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用：75Q同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。

   由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价较较双绞线贵。

3. 光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是$108MHz$，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲作用下能产生出光脉冲;在接收端用光日二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。

   光纤主要由纤芯（实心的）和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

4. 无线电波具有较强的穿透能力，可远距离传输，广泛应用于通信领域（如手机通信）。

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2-11 为什么要使用信道复用技术？常用的信道复用技术有哪些？

一般情况下，通信信道带宽远远大于用户所需的带宽，使用信道复用技术可以提高信道利用率，共享信道资源，降低网络成本。常用的信道复用技术有频分复用、时分复用、统计时分复用、波分复用和码分复用。

图2-3 多路复用技术示意图

1. 频分多路复用FDM

   ​ 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽(频率带宽，单位为Hz)资源。充分利用传输介质带宽，系统效率较高；由于技术比较成熟，实现也比较容易。

   

   图2-4 频分复用示意图

2. 时分多路复用TDM

   ​ 将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙，所有用户轮流占用信道。频分复用可以理解为“并行”，时分复用可以理解为“并发”。

   

   图2-5 时分多路复用示意图

3. 统计时分复用STDM

   ​ 每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，一个STDM帧满了就发出。STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙。（谁先来就让谁先走）

   

   图2-6 统计时分复用示意图

4. 波分多路复用WDM

   ​ 波分多路复用就是光的频分多路复用，在一根光纤中传输多种不同波长(频率)的光信号，由于波长(频率)不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。（几乎不考察）

   

   图2-7 波分多路复用示意图

5. 码分多路复用CDM

   ​ 码分多址（CDMA）是码分复用的一种方式，当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址。

   ​ 每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信，码分复用集合了频分复用和时分复用的优点。且抗干扰能力强，其频谱类似于白噪声，不易被人发现。

   ​ 1个比特分为多个码片/芯片，每一个站点被指定一个唯一的$m$位的芯片序列，发送1时发送芯片序列（通常把0写成-1）。

   码分多址的特点：

   1. 每个站分配的码片序列各不相同，且必须互相正交（向量S和T的规格化内积等于0）。
   2. 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。
   3. 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1。

   

   图2-8 码分多址示意图

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2-14 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S：（-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0还是1？
$$\begin{gathered} A\cdot S=\frac{1}{8}\sum _{i=1}^8(1-1+3+1-1+3+1+1)=1 \\ B\cdot S=\frac{1}{8}\sum _{i=1}^8(1-1-3-1-1-3+1-1)=-1 \\ C\cdot S=\frac{1}{8}\sum _{i=1}^8(1+1+3+1-1-3-1-1)=0 \\ D\cdot S=\frac{1}{8}\sum _{i=1}^8(1+1+3-1+1+3+1-1)=1 \\ A发送的是1，B发送的是0，C没有发送，D发送的是1 \end{gathered}$$

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2-15 试比较ADSL，HFC以及FTTx接入技术的优缺点？

1. 非对称数字用户线ADSL技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。ADSL最大的好处就是可以利用现有电话网中的用户线（铜线），而不需要重新布线。有许多老的建筑，电话线都早已存在。但若重新铺设光纤，往往会对原有建筑产生一些损伤。从尽量损坏原有建筑考虑，使用ADSL进行宽带接入就非常合适了。缺点是信号传输距离短，信号衰减大，信号传输不稳定，容易受干扰，故障率高。

2. 光纤同轴混合网HFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网，除可传送电视节目外，还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。优点是覆盖面广，带宽高，传输速率高，缺点是在使用HFC的电缆调制解调器时，在同轴电缆这一段用户所享用的最高数据率是不确定的，因为某个用户所能享用的数据率大小取决于这段电缆上现在有多少个用户正在传送数据。有线电视运营商往往宣传通过电缆调制解调器上网可以达到比ADSL更高的数据率（例如达到10Mbit/s甚至30Mbit/s），但只有在很少几个用户上网时才可能会是这样的。然而若出现大量用户（例如几百个）同时上网，那么每个用户实际的上网速率可能会低到难以忍受的程度。

3. 多种宽带光纤接入方式，称为FTTx。这里字母x可代表不同的光纤接入地点。实际上，FTTx就是把光电转换的地方，从用户家中向外延伸到离用户家门口有一定距离的地方。光纤到户FTTH应当是最好的选择。所谓光纤到户，就是把光纤一直铺设到用户家庭。只有在光纤进入用户的家门后，才把光信号转换为电信号，这样做就可以使用户获得最高的上网速率。但光纤到户FTTH有两个问题：首先是目前的价格还不够便宜；其次是一般的家庭用户也并没有这样高的数据率的需求。要在网上流畅地观看视频节目，有数兆比特每秒的数据率就可以了，不一定非要使用100 Mbit/s或更高的数据率。

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2-17 判断以下正误。

1. DSL和电话网拨号接入技术都要通过电话网经过电话交换机连接到ISP的路由器的。（×）

   原因：拨号上网使用拨号调制解调器，利用电话网（电路交换）在用户计算机与ISP的路由器之间建立一条物理链路（话音信道），使用这条话音信道传输数据。而DSL仅使用用户线，利用频分复用技术将用户线划分了数据信道和话音信道分离，上网的数据并不通过电话网。

2. 通过ADSL上网的同时可以利用同一电话线打电话。（√）

   原因：ADSL仅使用用户线，利用频分复用技术将用户线划分了数据信道和话音信道分离，上网的数据并不通过电话网，因此可以同时上网和打电话。

3. 双绞线由两个具有绝缘保护层的铜导线按一定密度互相绞在一起组成，这样不容易被拉断。（×）

   原因：双绞线由两个具有绝缘保护层的铜导线按一定密度互相绞在一起组成，这样可以降低信号干扰的程度。

4. 信道复用技术可以将多路信号复用到同一条传输线路上进行传输，而不会混淆，因此能将该传输线路的带宽成倍增加。（×）