计算机网络第二章物理层(大学生期末复习版)

文章目录

[计算机网络第8版谢希仁第二章"物理层"期末复习总结](#计算机网络第8版谢希仁第二章“物理层”期末复习总结)
- 一、第二章期末常考考点
- 二、物理层的基本概念
- - [1. 物理层的作用](#1. 物理层的作用)
  - [2. 物理层接口特性](#2. 物理层接口特性)
- 三、数据通信系统模型
- - [1. 数据通信系统三大部分](#1. 数据通信系统三大部分)
  - [2. 数据通信系统模型](#2. 数据通信系统模型)
- 四、基本概念
- - [1. 消息、数据、信号](#1. 消息、数据、信号)
  - [2. 模拟信号和数字信号](#2. 模拟信号和数字信号)
  - [3. 码元](#3. 码元)
  - [4. 波特率和比特率](#4. 波特率和比特率)
- 五、通信方式
- - [1. 单工通信](#1. 单工通信)
  - [2. 半双工通信](#2. 半双工通信)
  - [3. 全双工通信](#3. 全双工通信)
- 六、信道的极限容量
- - [1. 奈氏准则](#1. 奈氏准则)
  - [2. 香农公式](#2. 香农公式)
- 七、编码与调制
- - [1. 基带信号](#1. 基带信号)
  - [2. 带通信号](#2. 带通信号)
  - [3. 常见调制方式](#3. 常见调制方式)
  - [4. 常见编码方式](#4. 常见编码方式)
  - [5. 曼彻斯特编码](#5. 曼彻斯特编码)
- 八、传输媒体
- - [1. 导引型传输媒体](#1. 导引型传输媒体)
  - [2. 双绞线](#2. 双绞线)
  - [3. 光纤](#3. 光纤)
  - [4. 非导引型传输媒体](#4. 非导引型传输媒体)
- 九、信道复用技术
- - [1. 频分复用 FDM](#1. 频分复用 FDM)
  - [2. 时分复用 TDM](#2. 时分复用 TDM)
  - [3. 统计时分复用 STDM](#3. 统计时分复用 STDM)
  - [4. 波分复用 WDM](#4. 波分复用 WDM)
  - [5. 码分复用 CDM / CDMA](#5. 码分复用 CDM / CDMA)
- 十、宽带接入技术
- - [1. ADSL](#1. ADSL)
  - [2. HFC](#2. HFC)
  - [3. FTTx](#3. FTTx)
- 十一、第二章易错点总结
- - [1. 物理层传输的是比特流](#1. 物理层传输的是比特流)
  - [2. 波特率不一定等于比特率](#2. 波特率不一定等于比特率)
  - [3. 奈氏准则和香农公式不要混用](#3. 奈氏准则和香农公式不要混用)
  - [4. 香农公式中 dB 不能直接代入](#4. 香农公式中 dB 不能直接代入)
  - [5. 曼彻斯特编码中间一定有跳变](#5. 曼彻斯特编码中间一定有跳变)
  - [6. 光纤不受电磁干扰](#6. 光纤不受电磁干扰)
  - [7. ADSL 的非对称](#7. ADSL 的非对称)
- 十二、第二章常考题预测
- - [1. 名词解释](#1. 名词解释)
  - [2. 填空题](#2. 填空题)
  - [3. 选择题](#3. 选择题)
  - - [题目 1](#题目 1)
    - [题目 2](#题目 2)
    - [题目 3](#题目 3)
    - [题目 4](#题目 4)
- 十三、常考计算题
- - [题型 1：波特率与比特率](#题型 1：波特率与比特率)
  - [题型 2：奈氏准则](#题型 2：奈氏准则)
  - [题型 3：香农公式](#题型 3：香农公式)
  - [题型 4：根据比特率求码元状态数](#题型 4：根据比特率求码元状态数)
- 十四、简答题背诵模板
- - [1. 简述物理层的主要任务](#1. 简述物理层的主要任务)
  - [2. 简述奈氏准则和香农公式的区别](#2. 简述奈氏准则和香农公式的区别)
  - [3. 简述频分复用、时分复用、波分复用和码分复用](#3. 简述频分复用、时分复用、波分复用和码分复用)
  - [4. 简述光纤通信的优点](#4. 简述光纤通信的优点)
  - [5. 简述 ADSL 的特点](#5. 简述 ADSL 的特点)
- 十五、第二章必背核心内容
- 十六、考前速记版

计算机网络第8版谢希仁第二章"物理层"期末复习总结

一、第二章期末常考考点

第二章"物理层"主要考查：

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1. 物理层的基本概念
2. 数据通信系统模型
3. 信道、信号、码元、波特率、比特率
4. 奈氏准则和香农公式
5. 编码与调制
6. 传输媒体
7. 信道复用技术
8. 宽带接入技术

其中最常考的是：

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物理层基本任务
数据通信系统模型
码元、波特率、比特率
奈氏准则
香农公式
频分复用、时分复用、波分复用、码分复用

二、物理层的基本概念

1. 物理层的作用

物理层是计算机网络体系结构中的最底层。

物理层的主要任务：

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在传输媒体上传输比特流。

更准确地说：

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物理层的任务是确定与传输媒体接口有关的一些特性，使数据链路层能透明地传送比特流。

2. 物理层接口特性

物理层要规定以下特性：

特性	含义
机械特性	接口所用接线器的形状、尺寸、引脚数目和排列
电气特性	接口电缆各条线上出现的电压范围
功能特性	某条线上出现某一电平表示何种意义
过程特性	不同功能事件出现的顺序

常考题：

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物理层接口特性有哪些？

答案：

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机械特性、电气特性、功能特性、过程特性。

易错点：

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物理层不是传输"帧"，而是传输"比特流"。
帧是数据链路层的传输单位。

三、数据通信系统模型

1. 数据通信系统三大部分

一个数据通信系统通常包括：

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源系统
传输系统
目的系统

其中源系统包括：

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源点
发送器

目的系统包括：

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接收器
终点

2. 数据通信系统模型

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源点 → 发送器 → 传输系统 → 接收器 → 终点

各部分作用：

部分	作用
源点	产生要传输的数据
发送器	将数据转换为适合传输的信号
传输系统	传输信号
接收器	将接收到的信号转换为数据
终点	接收数据

常考题：

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简述数据通信系统的基本模型。

答案：

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数据通信系统由源系统、传输系统和目的系统组成。源系统包括源点和发送器，源点产生数据，发送器把数据转换为适合在传输系统中传输的信号。传输系统负责传输信号。目的系统包括接收器和终点，接收器把收到的信号转换为数据，终点接收数据。

四、基本概念

1. 消息、数据、信号

概念	含义
消息	通信的目的是传送消息
数据	运送消息的实体
信号	数据的电气或电磁表现

常考区分：

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数据是运送消息的实体。
信号是数据的电气或电磁表现。

2. 模拟信号和数字信号

类型	含义
模拟信号	取值连续的信号
数字信号	取值离散的信号

数字信号也称为：

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离散信号

模拟信号也称为：

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连续信号

3. 码元

码元是指：

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在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

简单理解：

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码元就是信号变化的一个基本单位。

易错点：

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一个码元不一定只携带 1 bit 信息。
如果一个码元有 4 种状态，则一个码元可携带 log2(4) = 2 bit。
如果一个码元有 8 种状态，则一个码元可携带 log2(8) = 3 bit。

4. 波特率和比特率

概念	含义	单位
波特率	每秒传送的码元数	Baud
比特率	每秒传送的比特数	bit/s

关系：

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比特率 = 波特率 × 每个码元携带的比特数

如果一个码元有 M 种状态：

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每个码元携带的信息量 = log2 M bit

所以：

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比特率 = 波特率 × log2 M

例子：

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若码元速率为 1000 Baud，每个码元有 4 种状态。

每个码元携带 log2 4 = 2 bit
比特率 = 1000 × 2 = 2000 bit/s

易错点：

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波特率不一定等于比特率。
只有当一个码元只携带 1 bit 时，波特率才等于比特率。

五、通信方式

1. 单工通信

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只能单方向通信。

例子：

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广播、电视。

2. 半双工通信

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双方都可以发送和接收，但不能同时进行。

例子：

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对讲机。

3. 全双工通信

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双方可以同时发送和接收。

例子：

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电话通信。

常考题：

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单工、半双工、全双工的区别是什么？

六、信道的极限容量

这是第二章计算题重点。

1. 奈氏准则

奈氏准则用于理想低通信道。

公式：

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最高码元传输速率 = 2W Baud

其中：

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W 表示信道带宽，单位为 Hz。

若每个码元有 V 种离散电平，则最高数据率为：

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最高数据率 = 2W log2 V bit/s

常考题型：

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已知带宽 W 和码元离散电平数 V，求最高数据传输速率。

例题：

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某理想低通信道带宽为 3 kHz，若采用 4 种离散电平，求最高数据率。

解：

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W = 3 kHz = 3000 Hz
V = 4
最高数据率 = 2W log2 V
          = 2 × 3000 × log2 4
          = 6000 × 2
          = 12000 bit/s

答案：

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最高数据率为 12 kbit/s。

易错点：

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奈氏准则中的 W 单位是 Hz。
V 是码元的离散电平数，不是电压值。
log2 4 = 2，log2 8 = 3，log2 16 = 4。

2. 香农公式

香农公式用于有噪声信道。

公式：

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C = W log2(1 + S/N)

其中：

符号	含义
C	信道极限信息传输速率，单位 bit/s
W	信道带宽，单位 Hz
S/N	信噪比

如果题目给的是分贝 dB：

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信噪比 dB = 10 log10(S/N)

换算：

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S/N = 10^(dB/10)

常见换算：

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30 dB → S/N = 1000
20 dB → S/N = 100
10 dB → S/N = 10

例题：

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某信道带宽为 3 kHz，信噪比为 30 dB，求信道极限传输速率。

解：

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W = 3000 Hz
30 dB 对应 S/N = 10^(30/10) = 1000

C = W log2(1 + S/N)
  = 3000 × log2(1 + 1000)
  = 3000 × log2 1001
  ≈ 3000 × 10
  = 30000 bit/s

答案：

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信道极限传输速率约为 30 kbit/s。

易错点：

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香农公式中如果给的是 dB，必须先换算成普通信噪比。
30 dB 不是直接代入 30。

七、编码与调制

1. 基带信号

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来自信源的原始电信号称为基带信号。

例如：

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计算机输出的数字信号。

2. 带通信号

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经过载波调制后的信号称为带通信号。

适合在较远距离或无线信道中传输。

3. 常见调制方式

调制方式	改变的参数
调幅 AM	改变载波振幅
调频 FM	改变载波频率
调相 PM	改变载波相位

记忆：

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调幅改振幅，调频改频率，调相改相位。

4. 常见编码方式

常见数字编码方式包括：

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不归零制
归零制
曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码

5. 曼彻斯特编码

特点：

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每一个码元中间都有一次电平跳变。

作用：

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既能表示数据，又能提供时钟同步。

易错点：

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曼彻斯特编码所需带宽较大。

八、传输媒体

传输媒体分为：

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导引型传输媒体
非导引型传输媒体

1. 导引型传输媒体

导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体传播。

常见类型：

传输媒体	特点
双绞线	便宜、常用于局域网
同轴电缆	抗干扰能力比双绞线强
光纤	传输速率高、距离远、抗电磁干扰强

2. 双绞线

双绞线分为：

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屏蔽双绞线 STP
非屏蔽双绞线 UTP

局域网中常用：

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非屏蔽双绞线 UTP

3. 光纤

光纤通信利用：

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光的全反射原理。

光纤优点：

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传输损耗小
传输距离远
通信容量大
抗电磁干扰
保密性好

光纤分为：

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多模光纤
单模光纤

类型	特点
多模光纤	可传播多条光线，适合近距离
单模光纤	只传播一种模式，适合远距离高速传输

易错点：

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光纤传输的是光信号，不是电信号。

4. 非导引型传输媒体

非导引型传输媒体是指自由空间。

常见通信方式：

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无线电波
微波
红外线
激光

九、信道复用技术

复用的目的：

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让多个用户共享同一条物理信道，提高信道利用率。

1. 频分复用 FDM

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把整个频带划分成多个子频带，不同用户占用不同频带。

特点：

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所有用户在同一时间通信，但使用不同频率。

记忆：

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频分复用：不同频率。

2. 时分复用 TDM

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把时间划分成一个个时间片，不同用户在不同时间片中使用信道。

特点：

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所有用户使用同一频率，但占用不同时间。

记忆：

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时分复用：不同时间。

3. 统计时分复用 STDM

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按需动态分配时间片。

优点：

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比普通时分复用更能提高信道利用率。

4. 波分复用 WDM

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波分复用就是光的频分复用。

常用于：

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光纤通信。

记忆：

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波分复用：不同波长。

5. 码分复用 CDM / CDMA

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不同用户使用不同的码型进行通信。

特点：

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所有用户可以在同一时间、同一频带进行通信。

关键点：

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各用户的码片序列必须相互正交。

常考题：

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频分复用、时分复用、波分复用、码分复用的区别。

对比表：

复用方式	区分用户的方法	典型应用
FDM	不同频率	广播、有线电视
TDM	不同时间片	数字通信
WDM	不同波长	光纤通信
CDM	不同码型	移动通信

十、宽带接入技术

常见宽带接入方式：

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ADSL
光纤同轴混合网 HFC
FTTx

1. ADSL

ADSL 是：

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非对称数字用户线。

特点：

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上行速率和下行速率不相等。
下行速率通常大于上行速率。
使用普通电话线。

易错点：

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ADSL 的"非对称"指的是上行和下行速率不相等。

2. HFC

HFC 是：

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光纤同轴混合网。

组成：

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光纤 + 同轴电缆

常见于：

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有线电视网络改造。

3. FTTx

FTTx 表示：

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光纤到某个地方。

常见形式：

类型	含义
FTTH	光纤到户
FTTB	光纤到楼
FTTC	光纤到路边
FTTZ	光纤到小区

最理想的是：

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FTTH，光纤到户。

十一、第二章易错点总结

1. 物理层传输的是比特流

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物理层传输单位：比特
数据链路层传输单位：帧
网络层传输单位：分组/IP 数据报
运输层传输单位：报文段或用户数据报

2. 波特率不一定等于比特率

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比特率 = 波特率 × log2 M

只有当 M = 2 时：

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比特率 = 波特率

3. 奈氏准则和香农公式不要混用

公式	适用场景
奈氏准则	理想低通信道，无噪声
香农公式	有噪声信道

4. 香农公式中 dB 不能直接代入

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S/N = 10^(dB/10)

例如：

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30 dB = 1000
20 dB = 100
10 dB = 10

5. 曼彻斯特编码中间一定有跳变

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曼彻斯特编码可以实现同步，但占用带宽较大。

6. 光纤不受电磁干扰

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光纤传输光信号，因此抗电磁干扰能力强。

7. ADSL 的非对称

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ADSL 非对称指上行速率和下行速率不同，通常下行速率更高。

十二、第二章常考题预测

说明：以下是根据本科《计算机网络》期末常见考法和谢希仁第8版第二章重点整理的预测题，不代表学校原题。

1. 名词解释

可能考：

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物理层
码元
波特率
比特率
信道
带宽
奈氏准则
香农公式
基带信号
带通信号
频分复用
时分复用
波分复用
码分复用
ADSL

2. 填空题

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1. 物理层的主要任务是在传输媒体上传输 ________。
答案：比特流

2. 物理层接口特性包括 ________、________、________、________。
答案：机械特性、电气特性、功能特性、过程特性

3. 数据通信系统由 ________、________、________ 三部分组成。
答案：源系统、传输系统、目的系统

4. 信号可分为 ________ 和 ________。
答案：模拟信号、数字信号

5. 波特率表示每秒传送的 ________ 数。
答案：码元

6. 比特率 = ________ × 每个码元携带的比特数。
答案：波特率

7. 奈氏准则中，理想低通信道的最高码元传输速率为 ________。
答案：2W Baud

8. 香农公式为 ________。
答案：C = W log2(1 + S/N)

9. ADSL 的非对称指 ________ 和 ________ 不相等。
答案：上行速率、下行速率

10. 波分复用主要用于 ________ 通信。
答案：光纤

3. 选择题

题目 1

物理层传输的数据单位是：

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A. 帧
B. 分组
C. 报文段
D. 比特

答案：

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题目 2

波特率表示的是：

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A. 每秒传输的字节数
B. 每秒传输的码元数
C. 每秒传输的帧数
D. 每秒传输的分组数

答案：

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题目 3

香农公式主要用于计算：

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A. 无噪声信道的最高码元速率
B. 有噪声信道的极限信息传输速率
C. 光纤的长度
D. 路由器转发速率

答案：

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题目 4

ADSL 的"非对称"是指：

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A. 发送和接收设备不同
B. 上行速率和下行速率不同
C. 使用两种传输媒体
D. 使用不同协议

答案：

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十三、常考计算题

题型 1：波特率与比特率

题目：

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若某信号的码元速率为 2400 Baud，每个码元有 4 种状态，求数据传输速率。

解：

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每个码元携带的信息量 = log2 4 = 2 bit

数据传输速率 = 2400 × 2
             = 4800 bit/s

答案：

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数据传输速率为 4800 bit/s。

题型 2：奈氏准则

题目：

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某理想低通信道带宽为 4 kHz，若采用 16 种离散电平，求最高数据传输速率。

解：

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W = 4 kHz = 4000 Hz
V = 16
log2 16 = 4

最高数据率 = 2W log2 V
          = 2 × 4000 × 4
          = 32000 bit/s

答案：

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最高数据传输速率为 32 kbit/s。

题型 3：香农公式

题目：

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某信道带宽为 3 kHz，信噪比为 30 dB，求该信道的极限信息传输速率。

解：

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W = 3 kHz = 3000 Hz

信噪比为 30 dB：
S/N = 10^(30/10) = 1000

C = W log2(1 + S/N)
  = 3000 × log2(1 + 1000)
  = 3000 × log2 1001
  ≈ 3000 × 10
  = 30000 bit/s

答案：

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极限信息传输速率约为 30 kbit/s。

题型 4：根据比特率求码元状态数

题目：

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某信道码元速率为 1000 Baud，数据传输速率为 3000 bit/s，求每个码元需要多少种状态。

解：

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比特率 = 波特率 × log2 M

3000 = 1000 × log2 M

log2 M = 3

M = 2^3 = 8

答案：

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每个码元需要 8 种状态。

十四、简答题背诵模板

1. 简述物理层的主要任务

答案：

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物理层的主要任务是在传输媒体上传输比特流，并确定与传输媒体接口有关的一些特性，使数据链路层能够透明地传送比特流。这些特性包括机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。

2. 简述奈氏准则和香农公式的区别

答案：

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奈氏准则用于理想低通信道，说明在无噪声条件下，信道带宽限制了最高码元传输速率，其最高码元速率为 2W Baud。若码元有 V 种离散电平，则最高数据率为 2W log2 V bit/s。

香农公式用于有噪声信道，说明信道的极限信息传输速率与信道带宽和信噪比有关，其公式为 C = W log2(1 + S/N)。

3. 简述频分复用、时分复用、波分复用和码分复用

答案：

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频分复用是把信道的总频带划分为多个子频带，不同用户使用不同的频率进行通信。

时分复用是把时间划分为一个个时间片，不同用户在不同的时间片中使用同一信道。

波分复用是光纤通信中的频分复用，不同用户使用不同波长的光信号进行通信。

码分复用是不同用户使用不同的码型进行通信，各用户可以在同一时间、同一频带上通信，但码片序列必须相互正交。

4. 简述光纤通信的优点

答案：

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光纤通信具有通信容量大、传输损耗小、传输距离远、抗电磁干扰能力强、保密性好等优点。因此光纤适合高速、远距离的数据传输。

5. 简述 ADSL 的特点

答案：

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ADSL 是非对称数字用户线，利用普通电话线进行宽带接入。它的特点是上行速率和下行速率不相等，通常下行速率大于上行速率，适合普通用户下载数据多、上传数据少的应用场景。

十五、第二章必背核心内容

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1. 物理层传输的是比特流。
2. 物理层接口特性：机械特性、电气特性、功能特性、过程特性。
3. 数据通信系统由源系统、传输系统和目的系统组成。
4. 数据是运送消息的实体，信号是数据的电气或电磁表现。
5. 模拟信号连续，数字信号离散。
6. 码元是表示数字信号的基本波形。
7. 波特率是每秒传送的码元数，比特率是每秒传送的比特数。
8. 比特率 = 波特率 × log2 M。
9. 奈氏准则：最高码元传输速率 = 2W Baud。
10. 奈氏数据率：最高数据率 = 2W log2 V bit/s。
11. 香农公式：C = W log2(1 + S/N)。
12. dB 换算：S/N = 10^(dB/10)。
13. 曼彻斯特编码中间有跳变，可用于同步。
14. 传输媒体分为导引型和非导引型。
15. 光纤优点：容量大、损耗小、距离远、抗干扰强、保密性好。
16. 频分复用分频率，时分复用分时间，波分复用分波长，码分复用分码型。
17. ADSL 是非对称数字用户线，下行速率通常大于上行速率。

十六、考前速记版

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物理层：传输比特流。
接口特性：机械、电气、功能、过程。
通信系统：源系统、传输系统、目的系统。
源系统：源点、发送器。
目的系统：接收器、终点。
数据：运送消息的实体。
信号：数据的电气或电磁表现。
模拟信号：连续。
数字信号：离散。
波特率：码元/秒。
比特率：比特/秒。
比特率 = 波特率 × log2 M。
单工：只能单向。
半双工：双方可通信，但不能同时。
全双工：双方可同时通信。
奈氏准则：2W Baud。
奈氏数据率：2W log2 V bit/s。
香农公式：C = W log2(1 + S/N)。
30 dB = 1000，20 dB = 100，10 dB = 10。
曼彻斯特：中间有跳变，可同步。
双绞线：常用于局域网。
光纤：容量大、抗干扰、远距离。
FDM：分频率。
TDM：分时间。
WDM：分波长。
CDM：分码型。
ADSL：非对称，上下行速率不同。

计算机网络第二章物理层(大学生期末复习版)

文章目录

计算机网络第8版谢希仁 第二章"物理层"期末复习总结

一、第二章期末常考考点

二、物理层的基本概念

1. 物理层的作用

2. 物理层接口特性

三、数据通信系统模型

1. 数据通信系统三大部分

2. 数据通信系统模型

四、基本概念

1. 消息、数据、信号

2. 模拟信号和数字信号

3. 码元

4. 波特率和比特率

五、通信方式

1. 单工通信

2. 半双工通信

3. 全双工通信

六、信道的极限容量

1. 奈氏准则

2. 香农公式

七、编码与调制

1. 基带信号

2. 带通信号

3. 常见调制方式

4. 常见编码方式

5. 曼彻斯特编码

八、传输媒体

1. 导引型传输媒体

2. 双绞线

3. 光纤

4. 非导引型传输媒体

九、信道复用技术

1. 频分复用 FDM

2. 时分复用 TDM

3. 统计时分复用 STDM

4. 波分复用 WDM

5. 码分复用 CDM / CDMA

十、宽带接入技术

1. ADSL

2. HFC

3. FTTx

十一、第二章易错点总结

1. 物理层传输的是比特流

2. 波特率不一定等于比特率

3. 奈氏准则和香农公式不要混用

4. 香农公式中 dB 不能直接代入

5. 曼彻斯特编码中间一定有跳变

6. 光纤不受电磁干扰

7. ADSL 的非对称

十二、第二章常考题预测

1. 名词解释

2. 填空题

3. 选择题

题目 1

题目 2

题目 3

题目 4

十三、常考计算题

题型 1：波特率与比特率

题型 2：奈氏准则

题型 3：香农公式

题型 4：根据比特率求码元状态数

十四、简答题背诵模板

1. 简述物理层的主要任务

2. 简述奈氏准则和香农公式的区别

3. 简述频分复用、时分复用、波分复用和码分复用

4. 简述光纤通信的优点

5. 简述 ADSL 的特点

十五、第二章必背核心内容

十六、考前速记版

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