第2章 物理层
王道计算机网络第二章物理层思维导图脑图
通信双方可以同时发送信和接受信息，也需要两条信道 Eg：打电话
串行传输&并行传输
串行传输 并行传输
将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送 速度慢，费用低，适合远距离 将表示一个字符的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
同步传输
在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称 区块传输，在传送数据时，需先送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据
多模光纤
光纤
单模光纤
分类
1.传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
2.抗雷电和电磁干扰性能好 3.无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
特点
4.体积小，重量轻
自由空间，介质可以是空气、真空、海水等
信号向所有方向传播 较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（如手机通信）
无线电波
信号固定方向传播
基带信号与宽带信号
宽带信号
将基带信号进行调制后形成的频分复用信号，再传输到模拟信道上去传输（宽带传输）
把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中 传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）
在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内 容不易发生变化）
再生，放大信号
对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输 入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度， 不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备
功能
集线器不能分割冲突域
集线器（多口中继器）
连在集线器上的工作主机平分带宽
物理层设备
传输介质和物理层设备
计算机网络第四版(课后练习答案)
计算机网络第四版(课后练习答案)计算机网络第四版（课后练习答案）第一章：计算机网络与因特网1. 计算机网络的基本概念与体系结构计算机网络是指将分散的、独立的计算机系统通过通信设备和线路连接起来，实现信息共享和资源共享的系统。
它由硬件、软件和协议等组成，并遵循一定的体系结构。
2. 因特网的发展与组成因特网是全球最大的计算机网络，由大量的自治系统（AS）组成，采用TCP/IP协议族作为通信协议，实现全球范围内的信息交流和资源共享。
第二章：物理层1. 传输媒体的基本概念和分类传输媒体是信息在计算机网络中传输的介质，主要包括双绞线、同轴电缆、光纤和无线媒体等，根据传输方式分类可分为有线传输媒体和无线传输媒体。
2. 信道复用与调制信道复用是指多路复用技术，用于将多个通信信道中的数据通过一个物理通道传输。
调制技术是将数字信号转换为模拟信号的过程，常用的调制方式有ASK、FSK、PSK等。
第三章：数据链路层1. 数据链路层的基本概念和功能数据链路层在物理层之上，提供有点到点的数据传输服务，主要功能包括帧的封装与解封装、错误检测与纠正、流量控制和访问控制等。
2. 介质访问控制介质访问控制是指多个计算机节点在共享传输媒体时的竞争与协调机制，主要包括载波侦听、轮询、令牌传递和CSMA等。
第四章：网络层1. 网络层的基本概念与功能网络层是计算机网络中的核心层，负责将分组从源节点传输到目的节点，主要功能包括寻址与路由、分组的转发与接收、拥塞控制和互联互通等。
2. 网际协议（IP）IP协议是因特网中最主要的协议之一，它定义了数据报的格式和传输规则，实现了数据包的路由和转发功能，是因特网的核心协议之一。
第五章：运输层1. 运输层的基本概念与功能运输层负责对网络层传输的数据进行可靠或无需可靠地传输，主要功能包括端到端的连接建立与释放、数据的分段与重组、流量控制和拥塞控制等。
2. 传输控制协议（TCP）TCP是因特网中最重要的运输层协议之一，它提供可靠的、面向连接的数据传输服务，通过确认应答和超时重传等机制，保证了数据的可靠性和可恢复性。
第2章 物理层
第2章物理层一、填空题1、根据信号在信道上的传输方向，把数据通信方式分为（）、（）和（）。
2、物理层协议定义了硬件接口的一系列标准归结起来有四个特性：（）、（）、（）和（）。
3、信噪比为30dB，带宽为4KHz的随机噪声信道的最大数据传输速率为（）。
4、在将计算机与10BASE-T集线器进行连接时，使用（）接口，UTP电缆的长度不能大于（）米。
5、多路复用技术主要包括频分多路复用技术和（）技术两种。
6、假设某以太网段的最大连接距离是300米，若将以太网的长度扩大到1000米，需要的中继器个数为（）。
7、在采用电信号表达数据的系统中，数据有数字数据和（）两种。
8、根据传输点模数的不同，光纤可分为（）和（）光纤。
9、Modem的作用是：在计算机发送数据时，把计算机发出的数字信号（）成电话线能传输的模拟信号；而在计算机接收数据时，则把电话线上传来的模拟信号（）成计算机能接受的数字信号。
10、在10Base5：10代表（）；Base代表（）， 5代表（）。
11、计算机网络中，常用的三种有线传输媒体是：（）、（）、（）。
12、利用电话拨号连接Internet过程中所不可缺少的一个非常重要的硬件设备是（）。
13、在全双工以太网中，一个站点可以同时进行数据帧的（）和（）。
14、最常用信道复用技术有（）、（）和（）。
15、局域网中常用的通信介质分为（）和（）两大类。
16、信号调制常用的三种方法是：（）、（）和（）。
17、双绞线可以分为（）和（）两类.18、传输媒体可以分为（）和（）两大类。
19、OC-1的线路速率为（）。
二、单选题1、采用全双工通信方式，通信双方信息交互的方式是（）。
A、可以在两个方向上同时传输B、只能在一个方向上传输C、可以在两个方向上传输，但不能同时进行D、以上均不对2、对于带宽为6MHz的低通信道，若用8种不同的状态来表示数据，在不考虑热噪声的情况下，该信道每秒最多能传送的位数为（）。
A、36×106B、18×106C、96×106D、48×1063、调制解调器（MODEM）的主要功能是（）。
第2章 物理层
• 5、为什么要使用信道复用技术？常用的信 道复用技术有哪些？ • 答：复用技术就是在一个信道上同时传输多 个信号的技术。 由于传输介质的带宽大于单 一信号所需的传输带宽，而且为了在一条物 理线路上可能地并发传输多个数据。常用的 信道复用技术有频分FDM、时分TDM、波 分WDM、码分CDM。
• 6、共有4个站进行码分多址通信。4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？
计算机网络原理
第2章 物理层课后习题解析（参考）
• 1、数据在信道中的传输速率受哪些因素的 限制？信噪比能否任意提高？香农公式在数 据通信中的意义是什么？比特率和波特率有 何区别？ • 答：数据在信道中的传输速率受信道能够通 过的频率范围和信噪比两个因素的限制。 • 信噪比不能任意提高，因为信号功率提高， 相应的噪声功率也会提高。
• 3、假定要用3KHz带宽的电话信道传送 64kb/s的数据（无差错传输），问这个信 道应具有多高的信噪比？ • 解：由香农公式C=W×log2(1+S/N)(b/s) 得： 64×103=3×103×log2(1+S/N)，10 log10S/N=64.2db
• 4、计算工作在1200nm到1400nm之间以及 工作在1400nm到1600nm之间的光波的频 率宽度。假定光在光纤中的传播速率为 2×108米/秒。 • 解：设光波长为λ，频率为f，光速为c，则 有关系式：f=c/λ，有：Δf=c* Δλ /λ2 • Δλ=200nm=200×10-9=2×10-7m， λ=1300nm=1.3×10-6m • Δf=(2*108)/(1.3*10-6)2*2*10-7=23.7*1012
CH02物理层_4
第3次课知识点
2.7 传输媒体可分为两大类：导引型传输媒体和 非导引型传输媒体
2.8 导引型传输媒体可分为：双绞线、同轴电缆、 光纤
2.9 导引型传输媒体的特点 习题：2-10、11、12
随堂测试2
单选题 问答题
单选题
1. 通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送 的通信方式称为（ ）。
C2
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（请注 意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。
频率 频带 n
第 2 章 物理层
五层协议的体系结构
5 应用层 4 运输层 3 网络层 2 数数据据链链路路层层 1 物理层
应用层 (application layer) 运输层 (transport layer) 网络层 (network layer) 数据链路层 (data link layer) 物理层 (physical layer)
用户 Aa
时分复用 当某用户暂时无数据发送时，
a t①
在时分复用帧中分配给该用户 的时隙只能处于空闲状态。
Bb b
t②
C
cc
t③
④
D
dt
ab #1
bc
ca d
t #2 #3 #4
4 个时分复用帧
时分复用可能会造成线路资源的浪费
统计时分复用 STDM (Statistic TDM)
用户 Aa
统计
STDM 帧不是固定分配时
第2章物理层12课件
2.2 数据通信的基础知识
3、信道的最高码元传输速率
▪ 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，在信道 的输出端的波形的失真就越严重。
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▪ 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。
▪ 若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则 M Baud 的码元传 输速率所对应的信息传输速率为 M n b/s。
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4、信道的极限信息传输速率 ▪ 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。 ▪信信息道论是的运极用限概信率息论与传数输理速统率计的C方可法表研达究信为息、信息熵、
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导向传输媒体
•双绞线是综合布线工程中最常用的一种传输介质。 •双绞线——两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，用规则
的方法绞合起来(降低信号干扰)。
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屏蔽双绞线 (STP)
Shielded Twisted Pair
以铝箔屏蔽以减少电磁 干扰和串音，适合于配 电房附近等区域布线。
非屏蔽双绞线 (UTP)
▪ 波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。 - 波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码 元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。 - 比特是信息量的单位。
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2.2 数据通信的基础知识
▪ 信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特 ”在数量上却有一定的关系。
▪ 若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和“ 波特”在数值上相等。
理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)
计算机网络知识精讲 第二章 物理层
第二章物理层(一) 通信基础1. 信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念2. 奈奎斯特定理与香农定理3. 编码与调制4. 电路交换、报文交换与分组交换5. 数据报与虚电路(二) 传输介质1. 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质2. 物理层接口的特性(三) 物理层设备1. 中继器2. 集线器2.1 通信基础2.1.1 信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念（1）信道：向某一个方向传送信息的媒体。
（2）信号：数据的电磁或电气表现。
（3）带宽：媒介中信号可使用的最高频率和最低频率之差，或者说是频带的宽度，Hz；另一定义是信道中数据的传送速率，bps。
（4）码元：在使用时间域（简称时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
（5）波特：单位时间内传输的码元数。
（6）比特率：单位时间内传输的比特数。
（7）信源（8）信宿计算机网络的性能计算1. 速率比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。
一个比特就是二进制数字中的一个1 或0。
速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。
速率的单位是b/s（bps），kb/s, Mb/s, Gb/s 等“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或b/s (bit/s)，bps。
更常用的带宽单位是千比每秒，即kb/s （103 b/s）兆比每秒，即Mb/s（106 b/s）吉比每秒，即Gb/s（109 b/s）太比每秒，即Tb/s（1012 b/s）请注意：在计算机界，K = 210 = 1024M = 220, G = 230, T = 240。
3. 时延(delay 或latency)传输时延（发送时延）发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。
第2章 物理层协议
网络协议
第2章 物理层协议
本章小结
1.物理层解决的问题
2.物理层接口的四个特性
机械特性、电气特性、功能特性、规程特性 EIA RS-232 CCITT X.21
3.物理层协议示例
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网络协议
第2章 物理层协议
思考题
1．RS-232C的电气规范如何定义的？ 2．简述RS-232C工作过程。
状态。ON状态表示在进行数据传输，OFF状
态表示数据传输阶段已经结束。
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网络协议
第2章 物理层协议
各个信号功能
（5）位定时线（S）：DCE向DTE提供的位定
时信号，通知DTE码元的开始和结束，据此
DTE能知道每一位的开始和结束时间。 （6）字节定时（B）：DCE向DTE提供的字节 定时信息，表示DTE一个字节的开始和结束， 它是任选项。
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网络协议
第2章 物理层协议
3．X.21功能特性
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网络协议
第2章 物理层协议
各个信号功能
（1）保护地（G）。
（2）发送数据线（T）： DTE送往DCE的数据
信号和呼叫控制信号。 （3）接收数据线（R）：DCE送往DTE的数据 信号和呼叫控制信号。 （4）指示线（I）：表示DCE送往DTE的控制
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网络协议
第2章 物理层协议
举例：X.21接口数据传过程
DCE送回呼叫进行信号：R=呼叫进行信号
返回远端DTE对呼叫的响应结果：若呼叫成功，
则 R=1，I=ON
DTE发送数据：T=数据，C=ON
发送结束：T=0，C=OFF 线路释放：R=0，I=OFF 恢复初始状态：T=1，C=OFF，R=1，I=OFF
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用TDM的方法封装成TDM帧，形成一个PCM基群。 国际上推荐的PCM基群有E1和T1两种标准。 我国和欧洲国家都采用E1标准的PCM基群。 E1的一个TDM帧划分了32时间片，每个时间片传输8bit。 在32个时间片中，有两个时间片分别用于传输帧同步和传 送信令，直接用于通话的时间片为30个，传输30路话音。 E1标准PCM基群速率为32*8bit/帧×8k帧/s＝2.048Mbps。
2.1.1 通信的基本概念
1．通信系统的组成
源系统包括信源和发送器两部分：信源产生要传输的数 据，发送器将数据转换成传输系统可传输的信号。现在
的PC机一般都将发送器内置。
目的系统包括接收器和信宿两部分：接收器将传输系统 传过来的信号转换成信宿可以识别的数据，信宿对接收
的数据进行还原、处理等。
分复用技术（DWቤተ መጻሕፍቲ ባይዱM）。
使用EDFA（掺铒光纤放大器）将光信号直接放大传输。 传输的最大距离为600km。
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DWDM
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2.2.4 码分复用
码分多路复用技术（CDM）就是将不同码型的信号复用到一
个信道进行传输的技术。 许多时候人们将CDM等同于码分多址CDMA。 每个站分配一个唯一的m比特码片序列。
当要发送1时，就在信道中发送它m比特的码片序列； 当要发送0时，就发送它m比特的码片序列的二进制反码。 同一个CDMA系统中的每一个站分配的码片不但是唯一的，
而且任意两个站的码片还必须要互相正交。
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2.2.4 码分复用
假设向量A、B分别为站A、B的码片序列所对应的向量，若
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2.2.3 波分复用
波分多路复用技术（WDM）就是光的频分多路复用，它是把
不同波长的光信号复用到一根光纤中进行传输的技术。 一根单模光纤的传输速率一般最大为2.5Gbps。 最早的WDM技术只能在一根光纤上复用两路光载波信号。
现在可以复用80路甚至更多的光信号，这也被称为密集波
两个码片序列正交，则：
1 m A B Ai Bi 0 m i 1 1 m 1 m A B Ai Bi Ai Bi 0 m i 1 m i 1
1 m 1 m 2 1 m A A Ai Ai Ai (1)2 1 m i 1 m i 1 m i 1
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2.1.2 脉冲编码调制
模拟信号的数字化
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2.1.2 脉冲编码调制
语音数字编码
语音频率一般为300～3400Hz。 根据采样定理，采样频率大于或等于最高频率的两倍。
采样频率定为8000Hz，相当于采样周期T=125μs：
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第 2章
物理层
目 录
2.1 数据传输技术
2.1.1 通信的基本概念 2.1.2 脉冲编码调制 2.1.3 数字数据的模拟信号编码 2.1.4 数字数据的数字信号编码
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2.2 多路复用技术
2.2.1 频分复用 2.2.2 时分复用 2.2.3 波分复用 2.2.4 码分复用
户线的上行速率与下行速率不同。 ADSL上行速率512k～1Mb/s，下行速率1M～8Mb/s，传输距 离3～5km。 ADSL采用一种叫做DMT（离散多音调）的频分复用技术， 将40kHz以上到1.1MHz的高端频谱划分成多个子信道。 ADSL采用自适应调制技术使用户线传送尽可能高的速率。
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2.2.1 频分复用
频分多路复用技术（FDM）是按照不同的频率来区分信号的
一种方法。 频分多路复用实现简单，实现技术也比较成熟，如：模拟 电视、模拟无线广播、载波电话等。
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ADSL
ADSL就使用了频分多路复用技术。
DSL表示以电话线为传输介质的网络传输技术。 ADSL是一种非对称全双工的DSL技术，所谓非对称是指用
2.1 数据传输技术
2.1.1 通信的基本概念
现代通信指使用电波或光波传递信息的技术，也简称通 信，如电报、电话、传真等。 通信系统由源系统、传输系统、目的系统三部分组成。
数据 信源 PC 机 发送器
信号 信道
信号
接收器
数据 信宿 PC 机
源系统
传输系统
目的系统
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2.1.1 通信的基本概念
3．数据传输
<a>： 模拟数据 <b>：模拟数据 <c>： 数字数据
放大器 调制器 PCM 编码器 模拟信号
数字信号
调制器
模拟信号
<d>： 数字数据
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数字 发送器
数字信号
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2.1.2 脉冲编码调制
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2.1.3 数字数据的模拟信号编码
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2.1.3 数字数据的模拟信号编码
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数字数据常使用多进制（如4进制、16进制等）形式进行
传输，需要载波参数有多种不同的取值。 多进制相移键控（MPSK）就可以使用一个码元传输一个 多进制数据。 4PSK各相位之间的差为90°，是正交的，所以也叫正交相 移键控（QPSK）。 正交振幅调制（QAM）就是一种通过混合QPSK和ASK，实 现多进制数据使用一个码元传输。 16-QAM是最早的一种QAM，16种组合来表示四位十六进 制数。
群同步：传输的信息被分成若干“群”，每个群的前面
冠以起始位、结束处加上终止位。
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2.2 多路复用技术
多路复用技术可以使多个计算机或终端设备共享信道资源，
这就提高了信道的利用率。 常用的多路复用技术包括频分、时分、波分和码分等几种 类型。
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SONET/SDH
E1和T1两种标准互不兼容，其高次群(如：4个E1基群可以
复用成一个二次群E2，4个E2可以复用成一个三次群E3， 依次类推)更是难以兼容。 高次群必须要精确同步，也难以实现。 美国在1988年推出了同步光纤网SONET，能够和E1、T1两 种标准兼容。 SONET各网时钟都来自于一个非常精确的铯原子主时钟 ITU-T以SONET为基础，制定了同步数字系列SDH。 SDH以相当于2430个话路的155.52Mbps速率为基群STM-1， 标准已经制定到STM-256，速率约40Gbps。 SDH/SONET就可以将以E1和T1为基群的系统进行互连。
也不同。
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2.1.4 数字数据的数字信号编码
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2.1.4 数字数据的数字信号编码
同步是基带传输所要面对的一个重要问题。 两种同步方法：位同步和群同步：
位同步：接收端每一位数据都要和发送端同步。上述双
极性归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码都属于 位同步编码。
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2.1.1 通信的基本概念
2．数据与信号
数据：信源产生的需要通信系统传输的实体。 信号：数据的电气电磁表现，信道可高效传输的实体。
模拟：可取值的数量无限多的数据或信号。
数字：可取值被限制在有限个数值之内的数据或信号。 调制：将数据进行处理，并加到载波信号上。 解调：从携带数据的已调制信号中恢复数据的过程。 调制解调器
PCM技术简介
对模拟数据使用数字信号进行传输，可以提高信号的抗 干扰能力，并能对数字化的信号进行加密。
最常用的模拟数据数字信号编码方法是PCM技术，最初 用于话音信号的编码。
PCM是以采样定理为基础的：
若对连续变化的模拟信号进行周期性的采样，只要采样 频率大于或等于有效信号最高频率的两倍，采样值便可 包含原始信号的全部信息。
1 m 1 m 2 A A Ai Ai Ai 1 m i 1 m i 1
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2.2.4 码分复用
例如：码片分别为1010、1111、0011、1001的四个站A、B、
C、D，在某一时刻它们发送的比特分别为1、0、1、0。设 四个站的码片序列叠加后得到和为S，则：
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目 录
2.3 传输介质
2.3.1 双绞线 2.3.2 同轴电缆 2.3.3 光纤 2.3.4 无线通信
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2.4 综合布线技术
2.4.1 综合布线系统的设计 2.4.2 无屏蔽双绞线的制作与测试 2.4.3 光纤的制作与测试
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ADSL
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2.2.2 时分复用
时分多路复用技术（TDM）是将信道传输数据的时间划分成
一段段等长的时分复用帧（TDM帧），每个时分复用用户在 每个TDM帧中占用固定序号的时间片使用公共线路。 将一条物理信道按时间片轮流分配给多路信号使用。