计算机网络物理层，Java 开发工程师笔试题目
信号 (signal) —— 数据的电气的或电磁的表现。
模拟信号 (analogous signal) —— 代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号 (digital signal) —— 代表消息的参数的取值是离散的。
码元 (code) —— 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。
2.2 有关信道的基本概念
信道 —— 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。包括：
单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。
基带信号（即基本频带信号）—— 来自信源的信号。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。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量，因此必须对基带信号进行调制 (modulation)。
调制分为两大类：
基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码 (coding)。
带通调制：使用载波 (carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道） 。
带通信号 ：经过载波调制后的信号。
(1) 常用编码方式
不归零制： 正电平代表 1，负电平代表 0。
归零制： 正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。
曼彻斯特编码： 位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。
差分曼彻斯特编码： 在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表 1。
从信号波形中可以看出，曼彻斯特 (Manchester) 编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。
(2) 基本的带通调制方法
基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制 (modulation)。
最基本的二元制调制方法有以下几种：
调幅(AM)： 载波的振幅随基带数字信号而变化。
调频(FM)： 载波的频率随基带数字信号而变化。
调相(PM) ： 载波的初始相位随基带数字信号而变化。
正交振幅调制 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) ：为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。
2.3 信道的极限容量
任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰，码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。
数字信号通过实际的信道 ：
从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素包括：信道能够通过的频率范围和信噪比
(1) 信道能够通过的频率范围
具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。1924 年，奈奎斯特 (Nyquist) 就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
(2) 信噪比
噪声存在于所有的电子设备和通信信道中，是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但噪声的影响是相对的，如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为S/N，并用分贝 (dB) 作为度量单位。即：信噪比(dB) = 10 log10(S/N ) (dB)
例如，当S/N=10时，信噪比为10dB，而当S/N=1000时，信噪比为30dB
1984 年，香农 (Shannon) 用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率（香农公式）。
信道的极限信息传输速率 C 可表达为：**C = W log2(1+S/N) (bit/s)**
W：信道的带宽（以 Hz 为单位）
S ：信道内所传信号的平均功率
N ：信道内部的高斯噪声功率
香农公式表明：信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高，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。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限，则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。但实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。
对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么我们想要提高信息的传输速率的话可以通过用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量来实现。
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)传输媒体
传输媒体也称为传输介质或传输媒介，是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路，传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。而非导引型传输媒体就是指自由空间，在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。
3.1 导引型传输媒体
双绞线：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。其中又可以分为：屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)和无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)
同轴电缆：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。它的带宽取决于电缆的质量，50 Ω 同轴电缆一般用于 LAN / 数字传输，而 75 Ω 同轴电缆一般用于有线电视 / 模拟传输
光缆：光纤是光纤通信的传输媒体，由于可见光的频率非常高，约为 108 MHz 的量级，因此一个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。
光纤具有：通信容量非常大，传输损耗小，中继距离长，抗雷电和电磁干扰性能好，无串音干扰，保密性好，体积小，重量轻等优点
多模光纤与单模光纤
多模光纤：可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。
单模光纤：若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤。
光纤通信中常用的三个波段的中心分别位于 850 nm, 1300 nm 和 1550 nm，这三个波段都具有 25000~30000 GHz 的带宽，可见光纤的通信容量非常大。
3.2 非导引型传输媒体
我们将自由空间称为“非导引型传输媒体”，无线传输所使用的频段很广。短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差，传输速率低。微波在空间主要是直线传播。传统微波通信有地面微波接力通信和卫星通信两种方式。
无线局域网使用的 ISM 频段：要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。但是，也有一些无线电频段是可以自由使用的。例如：ISM，各国的 ISM 标准有可能略有差别。
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)信道复用技术
复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念，它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。
频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)
将整个带宽分为多份，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资源。
时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)
时分复用则是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，每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）的，TDM 信号也称为等时 (isochronous) 信号。
时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
时分复用可能会造成线路资源的浪费，使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。
统计时分复用 STDM (Statistic TDM)
STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。
波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。
码分复用 CDM (Code Division Multiplexing)
常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)，各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
CDMA 的重要特点：每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交 (orthogonal)，在实用的系统中是使用伪随机码序列。
CDMA 的工作原理：
码片序列(chip sequence) ：每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列，码片序列实现了扩频(spread spectrum)。扩频通信通常有两大类：
直接序列扩频 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)，如上面讲的使用码片序列就是这一类。
跳频扩频 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。
码片序列的正交关系：令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量，两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和 T 的规格化内积 (inner product) 等于 0：
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 ，一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。
[](
)数字传输系统
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