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第三章 物理层与数字通信基础习题
一、教学内容
主要介绍与网络物理层相关的数据通信领域的背景知识，包括数据通信的基本概念、模拟通信与数字通信、传输介质、数据编码、数据同步、数据传输方式、多路复用技术等。在此基础上，介绍物理层的主要功能和常用的几种物理层接口标准（协议）。
二、教学目的
从网络体系结构上看，物理层是其他各层的基础。通过本章的学习，使学生掌握相关的物理层数据通信知识
三、教学重点及难点
本章重点是信道的带宽、数据编码、数据同步等
四、课时安排
8学时
五、教学过程
课前思考：
什么是数据通信系统的基本模型？ 采用何种传输介质？ 信道的基本参数有哪些？ 最大数据率如何确定？ 什么叫模拟通信、数字通信？ 模拟信号和数字信号如何相互转化？ 什么叫同步传输和异步传输？
课程讲授： 3.1 数据通信基础 1)通信系统模型 2)模拟通信与数字通信
模拟信号: 信号在传输过程中连续变化。数字信号: 信号在传输过程中离散变化。模拟通信：利用模拟信号来传输数据 数字通信：通过数字信号来传输数据 3)信号带宽
信号能量所集中的频率范围（频谱）
数字信号带宽H可近似表示为：H=1/τ
τ为脉冲宽度 4)信道
信道：传输信号的一条通路。通常由物理传输介质和通信设备（如MODEM，中继器，均衡器）组成。
信道带宽与数据率的关系由奈奎斯特定理和香农定理描述。 奈奎斯特定理（无噪声信道） C=2Hlog2L
bps C为信道最大数据率；H为信道的带宽；L为数字信号离散取值数目。 若对二进制数字信号，则C=2H
(bps) 香农定理（有噪声信道，Ｌ不受限） C=Hlog2(1+S/N)
bps S为信号功率，N为噪音功率，S/N为信噪比。
波特率：又称码元速率，它是每秒传输码元的数目，单位为波特（BAUD）.误码率：数据信号比特（二进制位）在传输过程中出错的概率。信道的通信方向
单工信道
半双工信道 全双工信道 5)物理传输媒体 双绞线
非屏蔽双绞线（UTP）: 三类UTP 五类UTP 超五类UTP 六类UTP 屏蔽（STP） 同轴电缆
基带同轴电缆（50Ω） 宽带同轴电缆（75Ω） 光纤
单模和多模两类。 无线传输 无线电波 微波 卫星通信
其他：如激光，红外线等 6)数字信号的编码 用何种电信号表示“0”和“1”。常用的几种编码及其优点、缺点、用途： 非归零编码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码 7)数字调制技术 调制技术：
调幅 调频 调相
8)模拟信号的脉码调制
最常用的模/数转化方式是脉码调制
采样 量化 编码 9)数据同步方式
同步：接收端按发送端发送代码的频率和起始时间来接收数据。
数据通信中需要在三个层次上实现同步：
位同步 字符同步 帧同步 10)多路复用技术
多路复用：将多个信道复用在一条物理线路上，使一条物理线路能够同时传输多路数据信号。
频分多路复用（FDM） 时分多路复用（TDM） 统计时分多路复用（统计TDM）3.2 物理层协议举例
RS-232C是最著名、最广泛的，也是用最久的物理层协议（1969年制定）. 机械特性 电气特性
规程特性
六、作业 1)在带宽为4KHz 的信道上，如果8种不同的物理状态来表示数据，若信噪比 S/N 为
30dB，请问按奈奎斯特定理，最大限制的数据速率为多少? 按香农定理，最大限制的数据速率为多少?
2)若电视信道的带宽为6MHz，假定无热噪声并使用4电平的数字信号，每秒能发送的比特数不超过多少？
3)要在带宽为4KHz的信道上用2秒钟发送80Kb的数据块，按照香农公式，信道的信噪比最小为多少分贝? 4)简述各种物理媒体的优缺点。
5)什么叫多路复用？请描述统计时分多路复用。6)绘出比特流011000101111的基本曼彻斯特编码波形图。7)绘出上述比特流的差分曼彻斯特编码波形图。
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