一、物理层接口特性
物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是具体的传输媒体。
物理层主要任务是确定与传输数据有关的特性（定义标准）。
物理层定义的标准：
1）机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引脚数目、引脚数量和排列情况。
2）电气特性：定义传输二进制位时，线路上信号的电压范围、传输速率和距离限制等。
3）功能特性：指某条线路上的电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。（描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义）
4）规程特性：定义各条物理线路的工作规程和时序关系。
二、数据通信系统模型
数据通信系统的基本组成一般包括发送端、接收端以及收发两端之间的信道三个部分。如图：
信息源是信息或信息序列的产生源，它泛指一切发信者，可以是人也可以是机器设备，能够产生诸如声音、数据、文字、图像、代码等电信号，信息源发出信息的形式可以是连续的，也可以是离散的。
发送设备把信息源发出的信息变换成便于传输的形式，使之适应于信道传输特性的要求并送入信道的各种设备。
信道是指传输信号的通道。根据传输媒介的不同，可分为有线信道（电缆、光纤等）和无线信道（微波、卫星），只经信道经码而不经调制就直接送到电缆去传输的数字信号称为数字基带信号，经调制后的信号称为频带信号。信道噪声，可能是进入信道的各种外部噪声，也可能是通信系统中各种电路、器件或设备自身产生的内部噪声。
接收设备接收从信道传输过来的信息，并转换成信息宿便于接收的形式，功能与发送设备的功能刚好相反。
信息宿是接收发送端信息的对象，它泛指一切信息接收者。
按照信道中所传输信号的不同形式，通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统，如图是数字通信系统模型：
信源编码的主要功能是把语音、文字、图像等模拟信号转换成数字信号，即模/数（A/D）转换。
信道编码是将数字信号转换成与调制方式和传输信道匹配的形式，降低传输误码率，提高传输的可靠性。
调制是根据信道媒介特性，对编码后的数字信号经调制后送入信道中，如光纤信道的光调制，无线信道中的调频、调相、调幅。
解调、信道解码、信源解码分别是调制、信道编码、信源解码的逆过程。
2.1 数据通信术语
通信的目的是传送消息。
数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。
数字信号：代表消息的参数取值是离散的。
模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。
信源：产生和发送数据的源头。
信宿：接收数据的目的站。
信道：信号的传输媒介，一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
信道根据传输的信号类型可以分为模拟信道（传送模拟信号）、数字信道（传送数字信号）。
信道根据传输介质的不同可以分为无线信道、有线信道。
2.2 数据通信的方式
从通信双方信息的交互方式看，可以分成三种基本方式：
单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。
半双工通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方不能同时发送和接收，需要两条信道。
全双工通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。
2.3 串行传输与并行传输方式
数据的传输方式可以分为两种，分别是串行传输、并行传输。
串行传输：指数据一个Bit接一个Bit的序列，从发送端向接收端传输。
并行传输：指数据一次并行发送N个Bit的序列，接收方也可以同时接收N个Bit的序列数据。
串行传输与并行传输的优缺点
串行传输：速度慢，费用低、适合远距离传输。
并行传输：速度快，费用高、适合近距离传输。
注：串行传输与并行传输的费用的高低，取决于相同距离条件下，串行传输使用的信道更少，并行传输使用的信道更多。
2.4 同步传输与异步传输
远距离传输数据时通常采用串行通信的方式，通信双方之间的数据沿着传输线路进行传输，这时要考虑的问题就是同步。
异步传输：在异步起止方式中，接收方和发送方各自内部有时钟发生器，但频率必须一致。通信双方进行异步串行通信必须遵守异步串行通信控制规程，其特点是通信双方以字符作为数据传输单位，且发送方传送字符的间隔时间是不定的。典型的应用是ATM。
同步传输：在同步串行通信方式中，以某种方式将发送方的时钟信号也发送出去，发送端和接收端具有统一的时钟信号，发送和接收的每一位信号都受同步信号的调整，同步串行通信一次传送的信息量比异步串行通信大，但是付出的代价是设备复杂。典型的应用是HDLC。
异步传输与同步传输的区别
（1）异步传输是面向字符的传输方式，而同步传输是面向比特的传输。
（2）异步传输的单位是字符而同步传输的单位是帧。
（3）异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住同步的机会，而同步传输则是以数据中抽取同步信息。
（4）异步传输对时序的要求较低，同步传输通过特定的时钟线路协调时序。
（5）异步传输相对于同步传输效率较低。
2.5 同步的实现
同步的实现方法包括位同步、字符同步、帧同步几种。
1）位同步是接收器从收到的信号中恢复原数据信号的基础。实现位同步的方法有插入导频法和自同步法两种。插入导频法是在发送端发送的信号中插入专门的位同步导频信号，接收端把这个专门的导频信号检测出来作为位同步信号，如FM制编码、MFM制编码等。自同步法是发送端不发送专门的位同步导频信号，只是控制连续0的个数，接收端设法从收到的数字信号中提取同步信息，如HDB3 编码。
2）字符同步以字符为传输单位，一个字符单位除表示信息的数据位外，还有若干个附加位：1位起始位，恒定为0；可选的1位奇偶位；可选的停止位，可为1位、1.5位或2位，恒定为1。传送一个字符，须以起始位开始，以停止位结束。如图：
3）帧同步是在帧之间插入时间间隔，依赖计时技术识别帧的开始和结束。但是这种方法在网络上很难保证准确计时，所以又提出了其他方法。
（1）字符计数法
字符计数法用一个特殊的字符表示一帧的开始，然后用一个字段标明该帧包含的字节数，当接收方收到帧时，根据此字段，便可知道帧的结束位和下一帧的开始位。这种方法的问题是，如果计数字段在传输中出错，则接收方无法判断传输帧的结束位，也无法知道下一帧的开始，使发送方和接收方无法同步。即使接收方通过差错控制得知传输出错，也不知道应该让发送方跳回多少字符重传。
（2）带字符填充的首尾界符法
在每一帧的头部用帧开始字符标记，在帧的尾部用帧结束字符标记，但在数据传输中，如果帧首尾定界符出现在信息字段中，将会造成对数据的错误接收，为避免这种现象出现，采用在信息位中出现的定界符前填充转义字符的方法来区别。
（3）带位填充的首尾标志法
使用特定的位模式01111110作为帧的开始和结束标志，为不使信息字段中出现的比特流01111110被误判为帧的首尾标志，发送方在信息位中每遇到5个连续的比特1时，将自动在其后插入一个比特0，在接收方收到连续的5个比特1时，则自动删除后面紧跟的一个比特0。
（4）物理编码违例法
将数据位“1”编码成高-低电平对，数据位“0”编码成低-高电平对，这样每一个数据位在中间都有一次跳变，使接收方容易将帧的边界这位。
三、码元、波特、速率、带宽
3.1 码元
码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为K进制码元，而该时长称为码元宽度，当码元的离散状态有M个值时（M大于2），此时码元为M进制码元。
1个码元可以携带多个Bit的信息量，如在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。
3.2 速率、波特
速率指数据的传输速率，表示在单位时间内传输数据的量，可以用码元传输速率和信息传输速率表示。
注：信号的传输速率与信号的传播速率的区别，信号的传输速率指主机把数据发送到链路上的速度，也叫发送速率；而信号的传播速率指数据在链路上的传播速度。
1）码元传输速率：别名码元速率、波形速度、调制速率、符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（脉冲信号变化的次数），单位是波特（Baud），1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元，码元可以是多进制的，码元速率与进制数无关。
码元传输速率 = 1S传输多少个码元
2）信息传输速率：别名信息速率、比特率，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位是比特/秒（b/s）。
信息传输速率 = 1S传输少个个比特
注：若一个码元携带n bit的信息量，则M Buad的码元传输速率对应的信息传输速率为 M * n bit/s。
3.3 带宽
带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点能通过的“最高数据率”，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力，单位是b/s。
四、失真
失真指信号在传输的过程中发生变形或扭曲使得信号失去真实性。
影响失真的几个因素：1.码元传输速率 2.信号传输距离 3. 噪声干扰 4. 传输媒介质量
4.1 失真--码间串扰
假如我们传输的线路是电话线，在模拟信道上传输需要使用模拟信号，那么我们传输到模拟信道上的信号需要经过调制的过程，在信道的实际传输过程中，信道上其实可以传输各种频率的信号，可以看到不是所有的频率的信号都可以通过传输介质进行传输的，只有在一定的频率范围的信号频率才可以通过传输介质，这样就引出了信道带宽的概念。
信道带宽是信道能通过的最高频率与最低频率之差。
3300Hz - 300Hz = 3000Hz
为什么某些信道频率的信号无法传输呢？
主要原因是信道频率过低或过高，使接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限从而不能识别。
五、奈氏准则（奈奎斯特定理）
为了提高数据的传输速率，我们希望在一定时间内传输更多的码元，然而在实际的传输过程中会因各种失真及干扰达不得理想值。
在1924年，奈奎斯特就推导出在理想低通信道（无噪声、带宽受限），为了避免码间串扰，最高码元传输速率为2W Baud，W是理想低通信道的带宽，单位是Hz。
在奈奎斯特定理中，信道带宽的单位是Hz，在计算机网络中，带宽的单位是b/s，这个要区分开来。
什么是低通？
低通指的是带宽受限，信道带宽指的是信道的最高频率与最低频率之差，只有低于最高频率和高于最低频率的信号才能通过信道传输。
那么使用奈奎斯特定理，如何计算数据的传输数率？
码元传输速率 = 2W （Baud）
那么
数据的传输速率 = 2W log2V （b/s）；V代表几种码元/码元的离散电平数目
根据奈奎斯特定理可以推导出：
1）在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，若传输速率超过上限，就会出现码间串扰问题，使接收端对码元不能正确识别。
2）在信道中，要想提高码元传输速率，只有采用提高信道带宽的方法。
3）在信道中，要想提高数据的极限传输速率，可以采用提高信道带宽的方式和多元制数据的调试方法。
例：在无噪声的情况下，若通信的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位有4种振幅的QAM调制技术，则该信道的最大传输速率是多少？
数据的极限数据传输速率 = 2W log2V = 2 * 3k log2 16 = 2 * 3k * 4 = 24kb/s
六、香农定理
噪声存在于所有电子设备和通信信道中，由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生影响，但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小，因此，有信噪比参数用于衡量噪声对信道的影响。
信噪比 = 信号的平均功率 / 噪声的平均功率，常记为S/N，单位为分贝dB。即
信噪比（dB）= 10 log10 （S/N）
香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，不产生误差，信道的数据传输速率的上限值。
数据的传输速率 = W log2（1 + S/N）（b/s）
根据香农定理可以推导出：
1）信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信道的数据极限传输速率就越高。
2）信息的传输速率低于信道的极限传输速率，那么就可以实现无差错的传输。
3）在信道中，要想提高数据的极限传输速率，可以采用提高信道带宽的方式和提高信道信噪比的方法。
例：电话系统的信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则该系统最大数据传输速率是多少？
数据的极限数据传输速率 = W log2（1 + S/N） = 3000 log2（1 + 1000） = 30kb/s
例：二进制信号在信噪比为127:1的4kHz信道上传输，最大的数据速率可达多少？
奈斯 = 2W log2V = 2 * 4k * log22 = 8kb/s
香农 = W log2（1 + S/N） = 4K * log2（1 + 127）= 28kb/s