一、物理層接口特性
物理層解決如何在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是具體的傳輸媒體。
物理層主要任務是確定與傳輸數據有關的特性（定義標准）。
物理層定義的標准：
1）機械特性：定義物理連接的特性，規定物理連接時所采用的規格、接口形狀、引腳數目、引腳數量和排列情況。
2）電氣特性：定義傳輸二進制位時，線路上信號的電壓范圍、傳輸速率和距離限制等。
3）功能特性：指某條線路上的電平表示何種意義，接口部件的信號線的用途。（描述一個物理層接口引腳處於高電平時的含義）
4）規程特性：定義各條物理線路的工作規程和時序關系。
二、數據通信系統模型
數據通信系統的基本組成一般包括發送端、接收端以及收發兩端之間的信道三個部分。如圖：
信息源是信息或信息序列的產生源，它泛指一切發信者，可以是人也可以是機器設備，能夠產生諸如聲音、數據、文字、圖像、代碼等電信號，信息源發出信息的形式可以是連續的，也可以是離散的。
發送設備把信息源發出的信息變換成便於傳輸的形式，使之適應於信道傳輸特性的要求並送入信道的各種設備。
信道是指傳輸信號的通道。根據傳輸媒介的不同，可分為有線信道（電纜、光纖等）和無線信道（微波、衛星），只經信道經碼而不經調制就直接送到電纜去傳輸的數字信號稱為數字基帶信號，經調制后的信號稱為頻帶信號。信道噪聲，可能是進入信道的各種外部噪聲，也可能是通信系統中各種電路、器件或設備自身產生的內部噪聲。
接收設備接收從信道傳輸過來的信息，並轉換成信息宿便於接收的形式，功能與發送設備的功能剛好相反。
信息宿是接收發送端信息的對象，它泛指一切信息接收者。
按照信道中所傳輸信號的不同形式，通信系統可以分為模擬通信系統和數字通信系統，如圖是數字通信系統模型：
信源編碼的主要功能是把語音、文字、圖像等模擬信號轉換成數字信號，即模/數（A/D）轉換。
信道編碼是將數字信號轉換成與調制方式和傳輸信道匹配的形式，降低傳輸誤碼率，提高傳輸的可靠性。
調制是根據信道媒介特性，對編碼后的數字信號經調制后送入信道中，如光纖信道的光調制，無線信道中的調頻、調相、調幅。
解調、信道解碼、信源解碼分別是調制、信道編碼、信源解碼的逆過程。
2.1 數據通信術語
通信的目的是傳送消息。
數據：傳送信息的實體，通常是有意義的符號序列。
信號：數據的電氣/電磁的表現，是數據在傳輸過程中的存在形式。
數字信號：代表消息的參數取值是離散的。
模擬信號：代表消息的參數取值是連續的。
信源：產生和發送數據的源頭。
信宿：接收數據的目的站。
信道：信號的傳輸媒介，一般用來表示向某一個方向傳送信息的介質，因此一條通信線路往往包含一條發送信道和一條接收信道。
信道根據傳輸的信號類型可以分為模擬信道（傳送模擬信號）、數字信道（傳送數字信號）。
信道根據傳輸介質的不同可以分為無線信道、有線信道。
2.2 數據通信的方式
從通信雙方信息的交互方式看，可以分成三種基本方式：
單工通信：只有一個方向的通信而沒有反方向的交互，僅需要一條信道。
半雙工通信：通信的雙方都可以發送或接收信息，但任何一方不能同時發送和接收，需要兩條信道。
全雙工通信：通信雙方可以同時發送和接受信息，也需要兩條信道。
2.3 串行傳輸與並行傳輸方式
數據的傳輸方式可以分為兩種，分別是串行傳輸、並行傳輸。
串行傳輸：指數據一個Bit接一個Bit的序列，從發送端向接收端傳輸。
並行傳輸：指數據一次並行發送N個Bit的序列，接收方也可以同時接收N個Bit的序列數據。
串行傳輸與並行傳輸的優缺點
串行傳輸：速度慢，費用低、適合遠距離傳輸。
並行傳輸：速度快，費用高、適合近距離傳輸。
注：串行傳輸與並行傳輸的費用的高低，取決於相同距離條件下，串行傳輸使用的信道更少，並行傳輸使用的信道更多。
2.4 同步傳輸與異步傳輸
遠距離傳輸數據時通常采用串行通信的方式，通信雙方之間的數據沿着傳輸線路進行傳輸，這時要考慮的問題就是同步。
異步傳輸：在異步起止方式中，接收方和發送方各自內部有時鍾發生器，但頻率必須一致。通信雙方進行異步串行通信必須遵守異步串行通信控制規程，其特點是通信雙方以字符作為數據傳輸單位，且發送方傳送字符的間隔時間是不定的。典型的應用是ATM。
同步傳輸：在同步串行通信方式中，以某種方式將發送方的時鍾信號也發送出去，發送端和接收端具有統一的時鍾信號，發送和接收的每一位信號都受同步信號的調整，同步串行通信一次傳送的信息量比異步串行通信大，但是付出的代價是設備復雜。典型的應用是HDLC。
異步傳輸與同步傳輸的區別
（1）異步傳輸是面向字符的傳輸方式，而同步傳輸是面向比特的傳輸。
（2）異步傳輸的單位是字符而同步傳輸的單位是幀。
（3）異步傳輸通過字符起止的開始和停止碼抓住同步的機會，而同步傳輸則是以數據中抽取同步信息。
（4）異步傳輸對時序的要求較低，同步傳輸通過特定的時鍾線路協調時序。
（5）異步傳輸相對於同步傳輸效率較低。
2.5 同步的實現
同步的實現方法包括位同步、字符同步、幀同步幾種。
1）位同步是接收器從收到的信號中恢復原數據信號的基礎。實現位同步的方法有插入導頻法和自同步法兩種。插入導頻法是在發送端發送的信號中插入專門的位同步導頻信號，接收端把這個專門的導頻信號檢測出來作為位同步信號，如FM制編碼、MFM制編碼等。自同步法是發送端不發送專門的位同步導頻信號，只是控制連續0的個數，接收端設法從收到的數字信號中提取同步信息，如HDB3 編碼。
2）字符同步以字符為傳輸單位，一個字符單位除表示信息的數據位外，還有若干個附加位：1位起始位，恆定為0；可選的1位奇偶位；可選的停止位，可為1位、1.5位或2位，恆定為1。傳送一個字符，須以起始位開始，以停止位結束。如圖：
3）幀同步是在幀之間插入時間間隔，依賴計時技術識別幀的開始和結束。但是這種方法在網絡上很難保證准確計時，所以又提出了其他方法。
（1）字符計數法
字符計數法用一個特殊的字符表示一幀的開始，然后用一個字段標明該幀包含的字節數，當接收方收到幀時，根據此字段，便可知道幀的結束位和下一幀的開始位。這種方法的問題是，如果計數字段在傳輸中出錯，則接收方無法判斷傳輸幀的結束位，也無法知道下一幀的開始，使發送方和接收方無法同步。即使接收方通過差錯控制得知傳輸出錯，也不知道應該讓發送方跳回多少字符重傳。
（2）帶字符填充的首尾界符法
在每一幀的頭部用幀開始字符標記，在幀的尾部用幀結束字符標記，但在數據傳輸中，如果幀首尾定界符出現在信息字段中，將會造成對數據的錯誤接收，為避免這種現象出現，采用在信息位中出現的定界符前填充轉義字符的方法來區別。
（3）帶位填充的首尾標志法
使用特定的位模式01111110作為幀的開始和結束標志，為不使信息字段中出現的比特流01111110被誤判為幀的首尾標志，發送方在信息位中每遇到5個連續的比特1時，將自動在其后插入一個比特0，在接收方收到連續的5個比特1時，則自動刪除后面緊跟的一個比特0。
（4）物理編碼違例法
將數據位“1”編碼成高-低電平對，數據位“0”編碼成低-高電平對，這樣每一個數據位在中間都有一次跳變，使接收方容易將幀的邊界這位。
三、碼元、波特、速率、帶寬
3.1 碼元
碼元是指用一個固定時長的信號波形（數字脈沖），代表不同離散數值的基本波形，是數字通信中數字信號的計量單位，這個時長內的信號稱為K進制碼元，而該時長稱為碼元寬度，當碼元的離散狀態有M個值時（M大於2），此時碼元為M進制碼元。
1個碼元可以攜帶多個Bit的信息量，如在使用二進制編碼時，只有兩種不同的碼元，一種代表0狀態，另一種代表1狀態。
3.2 速率、波特
速率指數據的傳輸速率，表示在單位時間內傳輸數據的量，可以用碼元傳輸速率和信息傳輸速率表示。
注：信號的傳輸速率與信號的傳播速率的區別，信號的傳輸速率指主機把數據發送到鏈路上的速度，也叫發送速率；而信號的傳播速率指數據在鏈路上的傳播速度。
1）碼元傳輸速率：別名碼元速率、波形速度、調制速率、符號速率等，它表示單位時間內數字通信系統所傳輸的碼元個數（脈沖信號變化的次數），單位是波特（Baud），1波特表示數字通信系統每秒傳輸一個碼元，碼元可以是多進制的，碼元速率與進制數無關。
碼元傳輸速率 = 1S傳輸多少個碼元
2）信息傳輸速率：別名信息速率、比特率，表示單位時間內數字通信系統傳輸的二進制碼元個數（即比特數），單位是比特/秒（b/s）。
信息傳輸速率 = 1S傳輸少個個比特
注：若一個碼元攜帶n bit的信息量，則M Buad的碼元傳輸速率對應的信息傳輸速率為 M * n bit/s。
3.3 帶寬
帶寬表示在單位時間內從網絡中的某一點到另一點能通過的“最高數據率”，常用來表示網絡的通信線路所能傳輸數據的能力，單位是b/s。
四、失真
失真指信號在傳輸的過程中發生變形或扭曲使得信號失去真實性。
影響失真的幾個因素：1.碼元傳輸速率 2.信號傳輸距離 3. 噪聲干擾 4. 傳輸媒介質量
4.1 失真--碼間串擾
假如我們傳輸的線路是電話線，在模擬信道上傳輸需要使用模擬信號，那么我們傳輸到模擬信道上的信號需要經過調制的過程，在信道的實際傳輸過程中，信道上其實可以傳輸各種頻率的信號，可以看到不是所有的頻率的信號都可以通過傳輸介質進行傳輸的，只有在一定的頻率范圍的信號頻率才可以通過傳輸介質，這樣就引出了信道帶寬的概念。
信道帶寬是信道能通過的最高頻率與最低頻率之差。
3300Hz - 300Hz = 3000Hz
為什么某些信道頻率的信號無法傳輸呢？
主要原因是信道頻率過低或過高，使接收端收到的信號波形失去了碼元之間清晰界限從而不能識別。
五、奈氏准則（奈奎斯特定理）
為了提高數據的傳輸速率，我們希望在一定時間內傳輸更多的碼元，然而在實際的傳輸過程中會因各種失真及干擾達不得理想值。
在1924年，奈奎斯特就推導出在理想低通信道（無噪聲、帶寬受限），為了避免碼間串擾，最高碼元傳輸速率為2W Baud，W是理想低通信道的帶寬，單位是Hz。
在奈奎斯特定理中，信道帶寬的單位是Hz，在計算機網絡中，帶寬的單位是b/s，這個要區分開來。
什么是低通？
低通指的是帶寬受限，信道帶寬指的是信道的最高頻率與最低頻率之差，只有低於最高頻率和高於最低頻率的信號才能通過信道傳輸。
那么使用奈奎斯特定理，如何計算數據的傳輸數率？
碼元傳輸速率 = 2W （Baud）
那么
數據的傳輸速率 = 2W log2V （b/s）；V代表幾種碼元/碼元的離散電平數目
根據奈奎斯特定理可以推導出：
1）在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，若傳輸速率超過上限，就會出現碼間串擾問題，使接收端對碼元不能正確識別。
2）在信道中，要想提高碼元傳輸速率，只有采用提高信道帶寬的方法。
3）在信道中，要想提高數據的極限傳輸速率，可以采用提高信道帶寬的方式和多元制數據的調試方法。
例：在無噪聲的情況下，若通信的帶寬為3kHz，采用4個相位，每個相位有4種振幅的QAM調制技術，則該信道的最大傳輸速率是多少？
數據的極限數據傳輸速率 = 2W log2V = 2 * 3k log2 16 = 2 * 3k * 4 = 24kb/s
六、香農定理
噪聲存在於所有電子設備和通信信道中，由於噪聲隨機產生，它的瞬時值有時會很大，因此噪聲會使接收端對碼元的判決產生影響，但是噪聲的影響是相對的，若信號較強，那么噪聲影響相對較小，因此，有信噪比參數用於衡量噪聲對信道的影響。
信噪比 = 信號的平均功率 / 噪聲的平均功率，常記為S/N，單位為分貝dB。即
信噪比（dB）= 10 log10 （S/N）
香農定理：在帶寬受限且有噪聲的信道中，不產生誤差，信道的數據傳輸速率的上限值。
數據的傳輸速率 = W log2（1 + S/N）（b/s）
根據香農定理可以推導出：
1）信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信道的數據極限傳輸速率就越高。
2）信息的傳輸速率低於信道的極限傳輸速率，那么就可以實現無差錯的傳輸。
3）在信道中，要想提高數據的極限傳輸速率，可以采用提高信道帶寬的方式和提高信道信噪比的方法。
例：電話系統的信道帶寬為3000Hz，信噪比為30dB，則該系統最大數據傳輸速率是多少？
數據的極限數據傳輸速率 = W log2（1 + S/N） = 3000 log2（1 + 1000） = 30kb/s
例：二進制信號在信噪比為127:1的4kHz信道上傳輸，最大的數據速率可達多少？
奈斯 = 2W log2V = 2 * 4k * log22 = 8kb/s
香農 = W log2（1 + S/N） = 4K * log2（1 + 127）= 28kb/s