数据与计算机通信 每章的复习题答案.docx
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数据与计算机通信每章的复习题答案
《数据与计算机通信》课后复习题参考答案
第1章（补充）
1.1简要说明数据通信系统模型包含哪些组成部分
答：
见第6到7页。
通信系统模型包括五个组成部分：
（1）信源：
是产生传输数据的数据处理装置的抽象表示。
（2）发送器：
将传输数据转化并编码为与传输系统信道特性相适应的电磁信号。
（3）传输系统：
提供数据信号的传输通道，也称信道。
传输系统可以是一条专线，也可以是一个复杂的网络。
（4）接收器：
发送器的逆向装置，接收来自传输系统的信号并转化为信宿能够处理的数据。
（5）信宿：
获取来自接收器的数据的数据处理装置。
1.2列出并简述数据通信的主要任务。
答：
见7到8页。
（1）传输系统的利用：
支持信道与其它通信设施的共享和以及充分和合理利用，如复用（包括链路级的复用和网络交换技术中的复用）和拥塞控制技术。
（2）接口：
实现数据处理（终端）设备与数据通信（电路端接）设备之间的物理连接，逻辑连接和通信规程。
（3）信号的产生和接收：
由发送器与接收器完成的功能。
必须适应传输系统的信道特性。
（4）同步：
通信的数据终端设备之间通过传输系统以外同步方式或自同步方式传送定时信号，实现接收信号的准确采样，正确组帧和两端的协同工作，因此同步可以分比特同步（物理层），帧同步（数据链路层），网同步（网络层）多个级别。
（5）数据交换管理：
体现在链路控制协议中（如双工方式，主从或对等链路设置，数据传送方式等链路规程）和端到端的传输协议中。
（6）差错控制与纠正：
保证数据的完整性，这是通信最重要的目标之一。
（7）流量控制：
保证发送的数据流量不致超出接收及处理的能力。
（8）寻址：
涉及多点链路的站点寻址和接入网络的端系统寻址以及标识端系统上运行的进程多个层次。
（9）路由选择：
根据对接入网络的端系统寻址以及网络的负荷分布情况和线路工作状态，决定当前的数据报文穿越网路的路径。
（10）恢复：
通信系统工作过程中因突发事件使传输中断甚至瘫痪，需要从中断之处恢复传输或者重启整个系统。
（11）报文格式化：
对传输和交换数据，控制信息以及通信协议本身的规格化，涉及语法与语义两个层面。
（12）安全性：
包括数据保密，报文鉴别和身份认证等方面。
（13）网络管理：
包括网络的配置管理，故障管理，计费管理，性能管理和安全管理。
1.3简要描述数据通信过程。
答：
见第9页。
含有信息的消息进入信源成为可处理的数据；由发送器将数据转换为适应信道传输的信号；信号经过传输系统提供的信道传送到接收器，接收的信号因信道噪声与外界干扰可能与发送的信号不太一致；接收器将收到的信号恢复为数据，并将数据传递给信宿；信宿对收到数据进行差错检测，如果正确，将交付信宿上的高层应用；如发现错误，需要通知信源重发出错的数据。
1.4简述构成传输系统的网络类型。
答：
阅读第10到12页。
按地域大小划分，有广域网（WAN），城域网（MAN），局域网（LAN）三大类，Internet是最大的广域网，也称全球网；局域网根据规模和用途又衍生出主干网（Backbone）或者园区网（CAN，最典型的是校园网），个人区域网（PAN），存储区域网（SAN）。
按传输媒体分，分为有线网和无线网，无线网又分固定网和移动网。
按数据传输方式分，分为广播式网络和交换式网络，无线网络和部分局域网采用广播方式，而广域网，城域网和当今的多数局域网都采用交换技术。
交换技术主要有电路交换和分组交换两类，分组交换则有数据报和虚电路两种交换方式，在传统的虚电路基础上又发展出了帧中继和信元中继（即ATM网络中采用的技术）。
第3章
3.1说出导向媒体与非导向媒体之间的区别。
答：
见第41到42页。
导向媒体引导电磁波沿某一物理路径前进；非导向媒体不规定电磁波的传播路径（但可以控制其方向，教材上的说法不太严谨）。
3.2说出模拟电磁信号与数字电磁信号之间的区别。
答：
见第53页。
模拟信号是连续变化的电磁波，根据其频谱可以在不同类型的传输媒体上传播，无论是导向媒体（频带有宽有窄）和非导向媒体。
数字信号是电压脉冲序列（非连续变化的离散量），这些电压脉冲只能在导向媒体上传播。
3.3周期信号有哪三个重要参数
答：
见第44页。
周期信号的三个重要参数是：
（1）峰值振幅：
一段时间内信号强度的峰值；
（2）频率或信号周期：
分别指信号循环的速度或信号重复一周的时间；（3）相位：
一个信号周期内在不同时间点上的相对位置。
3.4完整的一周360度对应的弧度是多少
答：
2π。
3.5正弦波的波长和频率之间有什么关系
答：
见第45页。
波长是信号循环一个周期所占的空间长度，或者说是信号的两个连续周期上同相位两点之间的距离。
相对于某一波速，波长与频率互为倒数，即波长等于波速乘以频率的倒数，频率等于波速乘以波长的倒数，或者说波速是波长与频率的乘积。
3.6信号的频谱和带宽之间有什么关系
答：
见第47页。
信号的频谱是其所包含的频率范围（频带），该范围上限频率与下限频率之差称为带宽，即频带的宽度。
3.7什么是衰减?
答：
见57页。
在任何媒体上传输的信号之强度随距离增加而不断减弱的特性称为衰减，对导向媒体而言，衰减呈指数级变化；对于非导向媒体，衰减是距离的复杂函数，并与大气条件相关。
3.8给出信道容量的定义。
答：
见第61页。
信道所能达到的最大数据率称为信道容量。
3.9影响信道容量的主要因素有哪些?
答：
见第62到63页。
影响信道容量的因素包括：
（1）信道带宽；
（2）每个信号单元携载的比特数；（3）信噪比：
信号强度与信道噪声的比值。
第4章
4.1为什么双绞铜线中的导线要绞合起来
答：
见第72页。
"将线对绞合起来是为了减轻同一根电缆内相邻线对之间的串音干扰。
"
4.2双绞线主要有哪些缺点?
答：
见第73页。
双绞线在传输距离，带宽以及数据率上有局限性，这是因为双绞线的衰减随频率增加而迅速增加，由于它易于与电磁场耦合，干扰合噪声等各种传输损伤对双绞线的影响相对严重。
4.3非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线之间的区别时什么?
答：
见第74页。
屏蔽双绞线相对于非屏蔽双绞线，是用金属网罩和护皮将双绞线屏蔽起来，减少了外界电磁干扰的影响。
4.4描述光纤的组成
答：
见第77页。
光纤由石英玻璃或塑料材料的纤芯，折射率低于纤芯的相同材料包层，防护罩三部分组成。
4.5微波传输有哪些主要的优点合缺点?
答：
见第83页。
优点：
微波适用于长距离电信业务，因障碍不易敷设线路的场所（跨越道路，河流的建筑物之间）点对点短距离传输，蜂窝移动通信等场合。
缺点：
微波需要假设较高的天线；微波的主要损耗来自传输中的衰减，而且衰减会因天气而变化；频带的有限而可能重叠使用造成相互干扰。
4.6什么是直播卫星（DBS）
答：
见第85页。
卫星转播的节目直接被发送到用户家庭，家庭用户可使用甚小孔径天线接收。
4.7为什么卫星的上行频率和下行频率必须不一样?
答：
见第86页。
卫星无间断连续工作，无法用相同频率同时发送和接收，必须以某一频率接收来自地面站的信号，同时用另一频率转发给地面。
4.8说出广播无线电和微波之间的一些重要区别?
答：
见第87页。
（1）广播无线电波是全向发射的；微波是定向发射的。
（2）广播无线电频率包括VHF频段及部分UHF频段，及30MHz至1GHz频率范围；微波工作在1GHz以上。
4.9天线主要有哪两个功能?
答：
阅读第81到82页。
（1）天线可用来发射电磁能量或者收集电磁能量，即可用于发射和接收无线电信号；
（2）天线通过定向根据其面积获得一定的天线增益，增强发射或接收的信号。
4.10什么是各向同性天线
答：
见第81页。
各向同性天线就是一种理想化的全向天线，从概念上抽象为空间中的一个点，均匀地向所有方向发射能量。
4.11抛物反射面天线的优点是什么?
答：
见第81到82页。
发送时，由天线焦点发出的信号被抛物面以无散射的平行线波束，使波束具有很强的方向性；接收时，抛物面将采集到的已衰减信号的平行波束聚集到焦点，合成较强的信号。
4.12决定天线增益的因素有哪些?
答：
见第82页。
决定天线增益的因素由天线面积和信号频率（波长），天线面积越大或频率越高（波长越短），增益越大。
4.13在卫星通信中信号损耗的主要原因是什么?
答：
见第86页。
当使用超过10GHz频率时，信号损耗主要原因是受大气层吸收和降雨气候影响。
4.14什么是折射?
答：
见第90页和94页。
这里的折射是特指的电磁波在空气中传播时产生的折射。
电磁波从一种密度的媒体移动到另一种媒体中时速度发生了变化，在两种不同密度媒体的界面处，电磁波在方向上出现了弯曲。
当电磁波从低密度传播到高密度媒体时，会向高密度媒体方向拐弯。
此现象称为折射。
当无线电波经过大气层传播时，因大气层的密度变化是渐变的，因此产生的折射也是渐进的，电磁波信号是连续逐渐弯曲的。
海拔高度越高，大气密度减低，信号传播速度加快，导致无线电波向下弯曲，微波LOS传播距离公式中引入系数K=4/3，也是这个原因，说明微波的传输是弯曲的。
4.5衍射和散射的区别是什么?
答：
见教材第93页和第346页。
当传播的无线电波碰到比其波长大且不能穿透的物体边缘处时，会以该边缘为源点，在不同方向上衍生出多个无线电波，这种光波的折射效应称之为衍射。
如果障碍物（包括雨雾悬浮的水滴）大小与信号波长相近或小于信号波长，则出现散射，将射入的信号散射成多个较弱的信号。
由此可见，衍射与散射之间最主要的区别是障碍物大小与波长的关系，障碍物大于信号波长，产生衍射；障碍物小于或等于信号波长，则出现散射。
第5章
5.1列出用于评估或比较各种不同的数字到数字编码技术的重要参数，并给出它们的简单定义。
答：
见教材第102到103页。
这些参数是：
（1）信号频谱：
尽可能减少直流分量以有利于利用交流耦合进行电气隔离的物理接口减少干扰，也不希望编码后的信号含有过高频率使其产生对信道带宽的苛刻要求。
（2）时钟同步：
希望编码信号具有很强的自同步能力。
（3）差错检测：
希望信号编码方式具有某种潜在的规则，一旦出错则打破规则由此发现差错（当然增加同步能力的扰码技术也打破了信号编码规则以便被接收方识别，但其违反规则的方式具有某种规律）。
（4）信号抗扰抗噪度：
希望编码信号具有较高的功率及信噪比。
（5）成本与复
杂性：
要求较好的性价比，相对容易实现。
5.2什么是差分编码技术?
答：
见第103到104页。
"在差分编码中，被传输的信息是由两个连续信号单元之间是否发生变化而不是信号单元本身的大小来表示的。
”
5.3解释不归零电平（NRZ-L）和不归零反转（NRZ-I）之间的区别是什么?
答：
见第104页。
不归零制指在每个信号单元整个持续时间保持同一状态而不回到零电平（这是相对于信号单元持续的中间要回到零电平的归零制编码而言的）。
NRZ-L是以绝对不同的两个电平来分别代表二进制信息的两个值；而NRZ-I是一种差分编码，对于所表示的二进制信息的某一个值，由前一信号单元原有电平跳变到极性相反的另一电平，而对于另一二进制值，则保持前一信号单元的原有电平不变，用有无变化来区分二值信息。
5.4请描述两种多电平二进制数字到数字编码技术。
答：
见第105页。
两个编码方案实际上都是伪三进制编码，实际用+A，0，-A三级电平表示的是二进制值，一种是交替信号反转（AMI）编码，用交替的+A和-A两个电平标识二进制1，0电平标识二进制0。
另一种正好相反的编码是伪三元码（pseudoternary，也称伪三进制码），用交替的+A和-A两个电平标识二进制0，0电平标识二进制1.双极电平交替表示相同的一种值的目的是使信号交变以消除直流分量（0电平本身也不具有直流分量），同时提供连续的该值或二值交替变化时的同步能力，缺点是对连续的另一值同步能力较差，可通过扰码技术来解决。
5.5请给出双相位编码的定义并描述两种双相位编码技术。
答：
见第105到106页。
双相位指无论代表的二进制值是什么，每个信号单元中间都要反相，也就是每个信号单元持续期间都有两个相位的变化。
曼彻斯特码是绝对的相位，比如对于0值取由正跳变到负的相位，对于1值则取由负跳变到正的相位。
差分曼彻斯特码是一种差分编码，每个信号单元的中间都要改变一次相位，此外，对0值，在信号单元前沿再改变一次相位，而对于1值则前沿不发生相位改变。
5.6请指出与数字到数字编码技术相关的扰码的功能。
答：
阅读第107到109页。
扰码技术通常是为解决AMI或伪三元码中代表不交替变化的另一值的0电平的同步问题而使用的。
扰码技术主要有北美的双极性8零替换（B8ZS）和欧洲的高密度双极性3零（HDB3）两种方案（ISDN的主速率接口的两种规范分别使用，1.544Mbps接口使用具有B8ZS的AMI码，2.048Mbps接口使用具有HDB3的AMI码），采用某种交替规律来替换连续零电平，使编码信号在传输过程中减少缺乏同步能力的零点平数目。
5.7调制解调器的作用是什么?
答：
见第109页。
调制解调器功能是将要发送的数字数据转换成模拟信号在模拟信道上传输，或将从模拟信道上接收到的模拟信号还原为数字数据。
5.8在幅移键控中二进制信息是如何表示的这种方式的局限性是什么?
答：
见109页。
用有无载波或调制载波的振幅来表示二进制不同的二值。
由于多个振幅不易控制和辨别，因此以一个多电平信号单元传递连续多个二进制值难以实现，由此效率较低。
5.9正交相移键控（QPSK）和偏移正交相移键控（OQPSK）之间的区别是什么?
答：
阅读第113到114页。
对于连续两个二进制比特，QPSK以偏差一个正交相位的两路（Il流和Q流）并行地分别调制，OQPSK在其中的Q流引入一个比特的时延，区别仅在于此。
为什么要采用OQPSK呢因为QPSK将分别调制后的两路模拟信号叠加后传输，因此，叠加后的信号速率是原来输入比特流速率的一半，就有可能一对比特同时改变符号，从而使得在调制后的信号流的一个信号单元到另一个信号单元之间会产生类似BPSK的180度相位转变。
所以，采用OQPSK，通过引入一路时延，使任何时候一对比特中只有一个比特可以改变符号，使叠加后的信号的相位变化永远不超过90度，保持信号正交的特性。
5.10什么是正交调幅（QAM）?
答：
见第117到178页。
实际上是数字调幅与数字调相的结合，也可认为是QPSK的扩展（请对照一下图5.11，图5.14和图8.19），可以以更大的并行度，将连续的多个比特分别调制再叠加后在模拟信道上传输。
使在相同带宽模拟信道上提供比QPSK还要快得多的信号速率。
因此在现代调制解调器中提供了超越音频话路信道34kbps的香农极限的56kbps速率。
而且此技术还运用于ADSL/DMT和无线传输信道中，所以ADSL能提供超越10Mbps的下行流速率。
5.11在考虑模拟信号所要求的采样速率时，从采样原理可知什么?
答：
见第119页。
根据奈奎斯特采样原理，采样速率应是模拟信号最高主频率的两倍，以此速率采集的样本则包含了原始信号的全部信息。
根据这些样本，通过低通滤波器可以恢复出与原信号相近的新信号（相近不是说采样样本数不够，是对样本进行量化时因量化级别不够而产生的量化噪声所致）。
5.12角度调制，调相和调频三者的区别时什么?
答：
见第126到127页。
公式（5.13）所示是角度调制一般表达式，可以定义为具有固定载频2πfct，恒定振幅Ac和瞬时相角θ（t）=2πfct+φ（t）的正弦波。
若正弦波的瞬时相角θ（t）与调制信号m（t）呈线性函数关系，就称为调相（PM）波。
若正弦波的瞬时频率fc与调制信号m（t）呈线性函数关系，则称之为调频（FM）波。
PM和FM是角度调制的特例，或者说PM波和FM波是角调波的不同形式，但二者并无本质区别。
由于载波相位的任何变化都将引起频率变化，反之亦然。
因此，PM与FM密切相关。
PM与FM只是频率和相位的变化规律不同而已。
在PM中，角度随调制信号而线性变化；而在FM中，角度随调制信号的积分而线性变化。
若将m（t）先积分而后使它对载波进行PM，即得FM；反之，若将m（t）先微分而后使它对载波进行FM，即得PM。
第6章
6.1在异步传输中，如何区分一个字符的传输与下一个字符的传输
答：
见第134到135页。
在每个传输的字符前增加一个起始比特和一至两个停止比特来区分字符之间的传输。
起始比特和停止比特还起启停字符内的比特同步的作用。
6.2异步传输的主要缺点是什么?
答：
见第135页到136页。
异步传输的最大缺点是效率低，一是每个比特需附加2至3个比特，额外开销大；二是连续的字符流传输时，每个字符进行重新同步，有效吞吐率打折扣。
6.3同步传输中是如何提供同步的?
答：
见第136页。
在发送方与接收方之间通过外同步或自同步方式保持两者的时钟同步，按照时钟比特提供的比特间隔，对每个比特块以稳定的比特流形式传输。
块之间的同步问题则由在每块增加前同步码和后同步码的方法解决。
6.4什么是奇偶校验比特?
答：
见第139页。
奇偶校验比特增加到需要校验的数据块末尾，根据数据块中值1的比特个数来决定该奇偶比特取值1或0，根据是奇校验和偶校验，使连同奇偶校验比特在内的整个数据块中值1的比特数为奇数或偶数。
这里附加一点常识，对每个字符采用奇偶校验时，是利用7单位ASCII码（即IRA编码）只占用了字符低7位的特点，将每个字符的最高位用作奇偶校验比特，因为按照规定奇偶校验比特增加到需要校验的数据块末尾，因此，字符传输时是先低位后高位。
为什么校验比特要放在末尾呢如果放在数据快前面，接收方最先收到校验比特，需要先将其存放起来，然后对后续收到的数据进行校验，生成信的校验比特，再与存放起来的原校验比特进行比较。
因此，放在末尾不需要先保存校验比特，先利用收到的数据比特生成新的校验比特，直接与后收到的原校验比特进行比较，这样实现起来效率更高。
6.5什么是CRC?
答：
见第139页。
循环冗余检验码（CRC）有这样一种特性：
其码集内的任一个码字，进行循环移位后，仍然是该码集中的码字，因此而取名循环码。
"冗余"是检错和纠错编码的关键，CRC是在k比特原始码字上增加r个冗余比特从而生成长度为n=k+r个比特且具有检错能力的新码字。
该r=n-k个比特称为帧检验序列（FCS），具体来说是由发送器将k比特原始码字左移r比特然后用精心选择的生成多项式（实际上是一个r+1比特长的二进制序列）去除所得到的余数。
6.6你为什么认为CRC比奇偶校验能够检查出更多的差错?
答：
阅读第145到148页。
实际上是一个码距大小的问题，冗余比特序列越长，码距越大，检错和纠错的能力越强。
奇偶校验比特只为每个数据块增加一个比特，而CRC增加的冗余比特无疑要多不少，因此能检查出更多的差错。
6.7列出可以描述CRC算法的三种不同方式。
答：
阅读第139到144页。
CRC算法的三种等价的实现方式分别是：
模2除法运算，多项式除法，数字逻辑除法电路。
6.8有没有可能设计一种ECC，它能够纠正某些双比特差错，但不能纠正所有的双比特差错,为什么?
答：
许多教材都会提到二维奇偶校验码（水平垂直奇偶校验，检错纠错原理请自行到网络上搜寻）。
它能检测出所有3比特或3比特以下的错误，包括纠正奇数个错和发现部分偶数个错，即部分偶数个错不能测出。
也就是说，尽管能纠错，但只能纠单比特，不能纠双比特错，不符合题意。
那么有没有能纠双比特错的纠错码（ECC）呢?
有。
根据教材第148页上关于纠错编码的最小汉明距离与检错纠错能力之间关系的描述，知道一种编码的校验和纠错能力取决于它的海明距离（码距）。
为检测出t比特错，需要使用最小码距t+1的编码；因为t个单比特错决不可能将一个有效的码字转变成另一个有效的码字。
当接收方看到无效的码字，它就能明白发生了传输错误。
同样，为了纠正t比特错，必须使用最小码距为2t+1的编码，这是因为有效码字的距离远到即使发生t个变化，这个发生了变化的码字仍然比其它码字都接近原始码字，因此可以将该变化了的码字按认定的原始码字进行纠正。
作为纠错码的一个简单例子，考虑如下只有4个有效码字的编码：
0000000000，0000011111，1111100000和1111111111.每个码字都有五个比特不同，即该编码的所有的码距均为5，根据前面的结论，它能纠正双比特错（因为2t+1=5，所以t=2）。
比如码字0000000111到达后，接收方知道这是一个不合法的码字，说明原始码字中的某些比特发生了变化，如果限定只能纠正双比特错，则认为原始码字是0000011111，其中两个比特由1变成了0；如果允许纠正三个比特错，该0000000111也有可能是0000000000中的三个0变成了1；那么到底将它纠正为0000011111呢还是纠正为0000000000所以这只能是一个能纠正双比特的ECC码。
上面的例子是一个能纠正所有双比特错的编码。
能否只允许纠正某些双比特错但不能纠正所有双比特错，如果选用最小码距2t，可以做到这一点。
仍选用上例，有效码字在0000000000，0000011111，1111100000和1111111111基础上增加1010101010.它与其它四个码字的最大码距为6，最小码距为4，当接收到0000000111，肯定仍纠正为0000011111.如果收到1111101010，则可能是1010101010从左数第二个比特和第四个比特由0变成1，是双比特错；也可能是由1111100000从右数第二个比特和第四个比特由0变成1，也是双比特错；究竟原始码字是什么，就无法纠错了。
由此得知设计题目所要求的ECC码是可能的，条件是纠正部分t比特错的最小码距为2t。
6.9在（n，k）分组纠错码中，n和k分别代表什么?
答：
见第147页。
（n，k）分组纠错码中，k代表重现在合法码字中的k个原始数据比特，n代表包含原始数据比特以及附加（n-k）个检验比特形成的n比特码字。
6.10DEC是什么它的功能是什么?
答：
见第151页。
DCE和DTE都是与传统数据通信网络相关的术语。
DCE是数据线路端接设备（DataCircuit-terminatingEquipment）的英文缩写，有时DCE又称为数据通信设备（DataCommunicationEquipment）。
DTE则是指完成数据处理的网络端系统，称为数据终端设备（DataTerminalEquipment）。
DEC负责与网络的连接并帮助DTE通过网络与远端的另一个DTE交换数据。
也可以将DCE看成是DTE接入网络的设备。
使用"Circuit-terminating（电路端接，也可译成电路终结"）很形象，比如，两个端系统通过通信网络建立起一条电路（或虚电路），该电路逐眺连接网络中间节点直到到两端的DCE就终结了，所以，从网络的角度看，DCE实际上是网络的端节点。
从端系统一侧看，DCE是DTE的通信装置（包含收发器），调制解调器（包括拨号Modem，ADSLModem和CableModem）就是一种DCE装置。
局域网的网卡也是这样一种装置。
第7章
7.1列出并简单定义经由数据链路的有效通信需要什么?
答：
见第163页。
（1）帧同步：
能辨别每帧的开始和结束；
（2）流量控制：
发送帧的速度不能超越接收站点接纳能力，即不能导致接收缓存溢出；
（3）差错控制：
传输中的差错必须被纠正；
（4）寻址：
在多点直接连接链路上要能够识别帧的发送站点和接收站点；
（5）能够从传输的数据中区分用户信息和控制信息；
（6）链路管理：
数据交换的初始化，维护和终止以及站点之间的协同。
其中，初始化工作涉及以下方面，
（1）站点类型：
主站，从站，混合站。
（2）链路设置：
链路接入的站点为主从关系（主
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