物理层的作用是尽可能地屏蔽计算机网络中的物理设备、传输媒体、通信方式等方面的差异，使数据链路层感觉不到这些差异。
1、物理层的基本概念
物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性：
- 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
- 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
- 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
- 规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
将计算机内部的“并行”转为通信线路的“串行”
2、数据通信的基础知识
1）数据通信系统的模型
一个数据通信系统可划分为三大部分：
- 源系统：源点、发送器
- 传输系统
- 目的系统：接收器、终点
通信的目的是传送消息(message)，数据(data)是运送消息的实体，信号(signal)是数据的电气或电磁的表现
- 模拟信号（连续信号）：代表消息的参数的取值是连续的
- 数字信号（离散信号）：代表消息的参数的取值是离散的，代表不同离散数值的基本波形称为码元(symbol)
2）信道的基本概念
信道(channel)一般是用来表示向某一个方向传送信息的媒体，一条通信电路往往包括一条发送信道和一条接收信道
（1）交互方式
- 单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
- 双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送或同时接收
- 双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息
（2）调制
来自信源的信号称为基带信号（即基本频带信号），包含较多的低频成分，需要进行调制(modulation)后才可以在信道中传输
- 基带调制：仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应，变换后的信号仍然是基带信号（编码）
- 不归零制：正电平代表1，负电平代表0
- 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0
- 曼切斯特编码：位周期中心的向上跳代表0，向下跳代表1。也可以反过来定义
- 差分曼切斯特编码：在每一位中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，没有跳变代表1.
- 带通调制：使用载波(carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，调制后的信号称为带通信号（调制）
- 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化
- 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化
- 调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化
- 正交振幅调制(QAM)：多元制的振幅相位混合调制方法
3）信道的极限容量
限制码元在信道上的传输速率的因素：
- 信道的频率范围：（奈奎斯特定理）在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能（奈氏准则）
- 信噪比：（香农定理）信号的平均功率和噪声的平均功率之比（S/N），信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高
香农公式：信道的极限信息传输速率 C = W * log(2)(1+S/N)，其中 W 为信道的带宽
- 表示信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高
- 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就存在某种方法实现无差错的传输
- 提高信息的传输速率：用编码的方式使每一个码元携带更多比特的信息量
3、传输介质及其特性
传输媒体是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路，可以分为导向传输媒体和非导向传输媒体
（1）导向传输媒体
指电磁波被导向沿着固体媒体传播
- 双绞线：电话线、局域网
- 同轴电缆：有线电视
- 光缆：多模光纤、单模光纤
- 架空明线：已近淘汰
（2）非导向传输媒体
指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输称为无线传输
- 短波通信：电离层反射。多径效应
- 微波接力通信：地面中继站。维护费用高，不隐蔽
- 同步卫星通信：人造同步卫星。传播时延大，保密性差
- 低轨道卫星通信
4、信道复用技术
复用(multiplexing)是在发送端使用一个复用器将多个信道合并，使用一个共享信道进行通信，在接收端再使用分用器将信息分别送往相应的终点
- 频分复用FDM：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源
- 时分复用TDM：所有用户在不同的时间占用同样的带宽资源
- 统计时分复用STDM：（异步时分复用）。缓存用户的输入，将缓存按顺序放入帧中，帧满即发。需要假定用户间歇工作，否则缓存溢出。
- 波分复用WDM：是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个频率接近的光载波信号。
- 码分复用CDM：（码分多址CDMA）。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，可以在同样的时间使用同样的频带进行通信，相互之间不会造成干扰
5、数字传输系统
历史系统缺点：
- 速率标准不统一
- 不是同步传输
1988美国新推出标准：同步光纤网SONET。
基于SONET，制定出国际标准：同步数字系列SDH，也适用于微波和卫星传输。
6、宽带接入技术
（1）ADSL技术
非对称数字用户线 ADSL 技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造。
低频留给电话，高频用来上网。
（2）光纤同轴混合网（HFC网）
光纤同轴混合网（HFC网）是在有线电视网的基础上开发的。
需要机顶盒、解调器。
大量用户同时上网会使网速慢很多。
（3）FTTx 技术
光纤到户 FTTH，将光纤铺入家门口。
光配线网 ODN，使数十家庭共用一根光纤干线。