【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
目录
一、脉冲编码调制PCM
1. 脉冲编码调制的数字化过程
1）采样
2）量化
3）编码
2. PCM计算
3. 应用案例
1）例题1
2）例题1
3）例题3
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
半双工通信
全双工通信
2） 按同步方式分
异步传输
同步传输
3）例题1
4）例题 2
5）例题 3
2.数据交换方式
电路交换
报文交换
分组交换
1）虚电路和数据报对比（重点）
2）例题4
3）例题5
4）例题6
知识小结
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。
知识小结
| 知识点 | 核心内容 | 考试重点/易混淆点 | 难度系数 |
| 脉冲编码调制（PCM） | PCM是数字化技术，将模拟信号转换为数字信号 | PCM的定义和数字化技术的理解 | 🌟 |
|
| PCM主要包括采样、量化和编码三个步骤 | PCM的三个步骤 | 🌟🌟 |
| 采样 | 按照一定时间间隔对模拟信号进行取样 | 采样定理（莱奎斯特采样定理） | 🌟🌟🌟 |
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| 采样频率需大于等于二倍模拟信号的最高频率（2f max） | 采样频率的计算与要求 | 🌟🌟🌟 |
| 量化 | 将采样得到的连续值转换为离散值 | 量化精度或等级的理解 | 🌟🌟 |
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| 离散值的个数决定了量化的精度 | 量化等级与精度的关系 | 🌟🌟 |
| 编码 | 将量化的数据用二进制编码表示 | 编码过程的理解 | 🌟 |
| PCM计算 | 通过具体例子讲解PCM的计算过程 | 采样频率、量化等级与数据量的关系 | 🌟🌟🌟 |
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| 如：声音信号数字化，最高频率4k，采样频率8k，量化等级128 | 具体计算步骤与结果 | 🌟🌟🌟 |
| 易混淆点 | 带宽公式（f2-f1）与采样定理（2f max）的区别 | 注意不要混淆两个公式 | 🌟🌟🌟🌟 |
| 练习题解析 | 解析具体练习题，如采样频率的计算、周期与频率的转换等 | 练习题中的考点与易错点 | 🌟🌟🌟 |
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| 强调频率与周期的关系，以及单位转换的重要性 | 频率、周期与单位转换的理解 | 🌟🌟🌟 |
| 基带传输 | 基带传输传的是数字信号，PCM属于基带传输 | 基带传输与宽带传输的区别 | 🌟🌟 |
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| PCM编码输出的是数字信号，与基带传输相匹配 | PCM在基带传输中的应用 | 🌟
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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）
| 对比项 | 虚电路 | 数据报 |
| 是否建立连接 | 需要先建立连接再传数据 | 不需要建立连接 |
| 地址 | 每个分组含有使用虚电路号 | 每个分组都有源和目的端地址 |
| 分组顺序 | 总是按发送顺序到达目的端(不乱序) | 排序发送,不一定按序接收(乱序) |
| 路由选择 | 在虚电路连接建立时进行,所有分组均按同一路由 | 每个分组独立选择路由 |
| 路由器出故障 | 所有通过了故障路由器的虚电路均不能工作 | 出故障的路由器可能会丢失分组,一些 路由可能会发生变化 |
| 典型网络 | X.25、帧中继、ATM | IP |
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
| 知识点 | 核心内容 | 考试重点/易混淆点 | 难度系数 |
| 数据通信方式 | 单工通信、半双工通信、全双工通信的定义及特点 | 单工、半双工、全双工的区别与典型应用 | ★★★ |
|
| - 单工通信：信息只能单向发送，如电视、广播 | 易混淆点：单工与半双工、全双工的区别 | ★★ |
|
| - 半双工通信：双方可交替发送和接收，但不能同时，如对讲机、集线器 |
| ★★ |
|
| - 全双工通信：双方可同时双向收发，如电话、交换机（默认全双工） |
| ★★ |
| 同步方式 | 异步传输与同步传输的定义及特点 | 异步传输与同步传输的优缺点及适用场景 | ★★★ |
|
| - 异步传输：字符分开传输，加入起始位和停止位 | 异步传输效率较低，但实现简单 | ★★ |
|
| - 同步传输：发送前先发同步字符串，效率高，适用于短距离高速传输 |
| ★★★ |
| 数据交换方式 | 电路交换、报文交换、分组交换（数据报、虚电路） | 分组交换中的数据报与虚电路的区别 | ★★★★ |
|
| - 电路交换：建立物理通路，独占线路，如早期电话 |
| ★★ |
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| - 报文交换：存储转发，完整报文传送，对节点缓存要求高，如早期电报 |
| ★★ |
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| - 分组交换：数据拆成小组传送，降低对节点缓存要求 |
| ★★★★ |
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| - 数据报：每个分组独立处理，路径和到达顺序可能不同 | 数据报可能乱序，但路由灵活 | ★★★★ |
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| - 虚电路：传送前建立逻辑连接，分组沿同一路径，不乱序 | 虚电路需要建立连接，路径固定 | ★★★★ |
| 练习题解析 | 异步通信字符位数计算、双工信道数计算、网络故障原因分析 | 练习题中的计算方法和故障排查思路 | ★★★★ |
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| - 异步通信字符位数：起始位+数据位+奇偶校验位+停止位 | 注意每位数的计算 | ★★★ |
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| - 双工信道数计算：总频谱资源/双工信道带宽 | 单位转换和计算方法 | ★★★ |
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| - 网络故障：交换机接口配置为半双工导致访问速度慢 | 识别并理解配置错误对性能的影响 | ★★★★ |