【25软考网工笔记】第二章（6）脉冲编码调制PCM、通信和交换方式

一、脉冲编码调制PCM

1. 脉冲编码调制的数字化过程

采样 定义: 按照一定的时间间隔对模拟信号进行取样，把信号的当前值作为样本。 奈奎斯特采样定理: 如果模拟信号的最高频率为fmax，若以大于等于2fmax的采样频率对其进行采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。例如，语音信号的最高频率为4kHz，则采样频率需至少为8kHz。 量化 定义: 把取样后得到的样本由连续值转换为离散值，离散值的个数决定了量化的精度。例如，用8个等级进行量化，或用256个数值进行量化，后者精度更高。 编码 定义: 把量化后的样本值变成相应的二进制代码。例如，量化值0用二进制000表示，量化值0.1用二进制001表示。

2. PCM计算

• 计算过程: 对声音信号进行数字化时，若语音最高频率为4kHz，则取样频率为8kHz。
• 若用128个等级量化，log2N=log2 128=7,则每个样本用7bit表示。
• 在数字信道上传输这种数字化后的语音信号的速率是7*8000=56 Kbps。
• 如果量化等级为256，则每个样本用8bit表示。

3. 应用案例

1）例题1

题目解析

• 审题过程: 题目给出模拟信号的频率范围为3~9MHz，问采样频率需大于多少才能使样本信号不失真。
• 解题思路: 应用奈奎斯特采样定理，采样频率需大于等于信号最高频率的两倍，即2×9MHz=18MHz。
• 答案: C. 18MHz
• 易错点: 注意不要与带宽公式混淆，带宽公式为f2−f1。

2）例题1

题目解析

• 审题过程: 题目给出信道带宽为5000Hz，采样周期为125us，每个样本量化后为256个等级，问信道速率是多少。
• 解题思路: 首先通过采样周期计算采样频率，采样频率等于周期的倒数，即1/125μs=8000Hz。然后，每个样本用8bit表示（因为2^8=256）。最后，信道速率等于采样频率乘以每个样本的比特数，即8000×8=64000bps=64Kbps 。
• 答案: D. 64Kbps
• 易错点: 注意单位换算，微秒需转换为秒，以及比特与字节的换算。

3）例题3

题目解析

• 审题过程: 题目问下列哪种传输方式属于基带传输。
• 解题思路: 基带传输也叫数字传输，PCM会经过采样、量化和编码的过程，把模拟信号转换为数字信号进行传输。因此，选择经过PCM编码的传输方式。
• 答案: B. PCM编码传输
• 易错点: 注意区分基带传输和宽带传输，基带传输传的是数字信号，而宽带传输传的是模拟信号。

4.知识小结

二、通信和交换方式

1.数据通信方式分类

1）按通信方向分

单工通信

• 定义: 信息只能在一个方向传送，发送方不能接收，接收方不能发送。
• 典型应用: 电视、广播。

半双工通信

• 定义: 通信的双方可以交替发送和接收信息，但不能同时接收或发送。
• 典型应用: 对讲机、Hub（集线器）。

全双工通信

• 定义: 通信双方可同时进行双向的信息传送。
• 典型应用: 电话、交换机。
  • 注意: 交换机默认是全双工模式，但可以通过命令配置成半双工，不过这会降低通信效率，不推荐使用。

2） 按同步方式分

异步传输

• 定义: 把各个字符分开传输，在字符之间插入同步信息，如起始位和停止位。
• 优点: 实现简单。
• 缺点: 引入了起止位，影响传输效率，速率不会太高。

同步传输

• 定义: 发送方在传送数据之前，先发送一串同步字符SYNC，接收方检测到2个以上SYNC字符就确认已经进入同步状态，开始准备接收数据。
• 优点: 传输效率更高。
• 应用场景: 短距离高速数据传输。

3）例题1

• 题干: 在异步通信中，每个字符包含1位起始位，7位数据位，1位奇偶位和1位终止位，每秒钟传送100个字符，采用DPSK调制，求码元速率和有效数据速率。
• 码元速率计算: 码元速率 = (1 + 7 + 1 + 1) * 100 = 1000 波特
• 有效数据速率计算: 有效数据速率 = 7 / (1 + 7 + 1 + 1) * 1000 = 700 b/s 或使用公式 R = B log₂N，由于采用DPSK，N=2，则B=1000，结果相同。
• 答案: (14)C (15)C

4）例题 2

• 题干: 若双工无线蜂窝系统总的频谱为20 MHz，每个单工信道的带宽为25 KHz，求双工信道数。
• 解题思路: 双工信道需要两个单工信道的带宽，25x2=50KHz,即50 KHz。总频谱20 MHz需转换为KHz单位，即20,000 KHz。
• 计算: 双工信道数 = 20,000 KHz / 50 KHz = 400
• 答案: A. 400

5）例题 3

• 题干: 某网络中，PC和服务器均与交换机连接，PC可以正常访问服务器但速度较慢，执行ping无丢包，查看交换机连接PC的接口显示信息，分析可能原因。
• 关键信息: 最后两行显示接口配置为speed 100，duplex half（半双工）。
• 分析: 交换机常规工作模式为全双工，配置为半双工会降低通信效率，导致访问速度变慢。
• 排除其他选项:
  • ARP包超过配置阈值：广播报文为0，不符合。
  • 交换机性能太低：一般家用级交换机性能瓶颈不在此。
  • 接口流量过大：利用率不到1%，不符合。
• 答案: A. 接口双工模式配置不合理
• 注意: 跨厂商设备对接时，自动协商可能会出现问题，可手动配置速率和双工模式以解决问题。

2.数据交换方式

电路交换

• 定义与过程: 电路交换将数据传输分为电路建立、数据传输和电路拆除三个过程。
• 特点: 在数据传送之前需建立一条物理通路，在线路被释放之前，该通路将一直被用户完全占有。
• 典型代表: 早期电话，使用PBX交换机。

报文交换

• 定义: 报文从发送方传送到接收方采用存储转发的方式。
• 特点: 报文中含有每一个下一跳节点，完整的报文在一个个节点间传送，数据不拆分。
• 典型代表: 早期电报，电报内容需完整地在每个节点传送。
• 对节点缓存要求高: 每个节点需要能够存储完整的报文。

分组交换

• 定义: 将数据拆分成很小的分组进行传送。包括虚电路和数据报。
  • 数据报:每个分组被独立地处理,每个节点根据路由选择算法,被独立送到目的,路径和到达目的顺序都可能不一样。(IP)
  • 虚电路:在数据传送之前,先建立起一条逻辑上的连接,每个分组都沿着一条路径传输,不会乱序。(X.25、FR、ATM)
• 优势:
  • 减小了延迟，提高了吞吐量；
  • 可以按分组纠错，提高通信效率。

1）虚电路和数据报对比（重点）

2）例题4

• 题目: 下列分组交换网络中，采用的交换技术与其他3个不同的是哪一个？
• 答案: A（IP使用的是数据报交换技术，而其他选项X.25、帧中继、ATM使用的是虚电路交换技术）。

3）例题5

• 题目: 以下关于虚电路交换技术的叙述中，错误的是哪一个？
• 选项分析:
  • A. 虚电路交换可以实现可靠传输（正确）。
  • B. 虚电路交换可以提供顺序交付（正确）。
  • C. 虚电路交换与电路交换不同（正确）。
  • D. 虚电路交换不需要建立连接（错误）。
• 答案: D。

4）例题6

• 题目: 下列关于虚电路网络的叙述中，错误的是哪一个？
• 选项分析:
  • A. 虚电路建立后可以确保数据分组按序交付（正确）。
  • B. 路由选择在建立虚电路时进行（正确）。
  • C. 需要为每条虚电路预分配信道带宽（错误，虚电路不需要预分配信道带宽）。
  • D. 数据分组转发的依据是虚电路标识号(VCID)（正确）。
• 答案: C。

知识小结