基本概念
物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据和比特流，而不是具体的传输媒体，物理层的作用就是要屏蔽掉各种计算机传输媒体的通信手段的差异。物理规程也叫物理层协议，主要是确定与传输媒体的接口有关的一些特性。
(1)机械特性，指明接口的尺寸类型等
(2)电气特性，指明电缆的电压
(3)功能特性，指明电压的表示意义
(4)过程特性，指明功能出现的事件的出现次序
数据在计算机多采用并行的方式，但数据在通信线路（传输媒体上）一般都是串行传输。因此物理层还要进行传输方式的转换。
数据通信的基础知识
数据通信系统
一个数据通信系统可以划分为三大部分：源系统（发送端），传输系统，和目的系统（接收端），源系统一般包括源点和发送器，源点就是产生数据，发送器经常对数据进行编码，典型的发送器就是调制器。目的系统包括接收器和终点，接收器为转换收到的信息，典型的接收器就是解调器，终点则把信息进行输出。
通信的目的是传送消息，数据是运送消息的实体，通常是有意义的符号序列。信号是数据的电气或者电磁表现。
(1)模拟信号，或连续信号–代表消息的参数的取值是连续的
(2)数字信号，或离散信号–代表消息的参数的取值是离散的
信道
信道表示向某一个方向的传送信息的媒体，一条通信电路通常包含一条发送信道 ，和一条接受信道。基于信道有三种信息的交换方式:
(1)单向通信，又称单工通信，只有一个方向的交互。
(2)双向交替通行，又称半双工通信，双方可以发送信息但是不能同时发送信息，发送和接收需要交替进行。
(3)双向同时通信，又称全双工通信，即可以同时可以发送和接收信息。
来自源系统源点的信号称基带信号，基带信号有很多低频成分和直流，需要进行调制才能在信道上传输：
基带调制，又称编码：对信号的波形进行转换，变换后还是数字信号。
带通调制，使用载波将信号的频率提高，并转换为模拟信号，转换后的信号称为带通信号。
(1)编码方式
1.不归零：正电平为1，负电平为0
2.归零制：正脉冲为1，负脉冲为0
3.曼彻斯特编码：位周期中心的向上代表0，向下跳代表1（也可相反）
4.差分曼彻斯特码：为中心始终都跳变，位开始边界开始有跳变代表0没有跳代表1
(2)基本的带通调制方法
1.调幅，即载波的振幅随基带数字信号而变化
2.调频，即载波的频率随基带数字信号变化而变化
3.调相，即载波的初始相位随基带数字信号变化而变化。
信道的极限容量
在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，也称为一个码元。码元的传输速率越高，或信号的传输距离越远，或噪声的干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形就越严重。
限制信道的传输速率的因素
1.信道能通过的频率的范围。接收端在收到信号波形中若码元之间的界限不清晰，这种现象叫做码间串扰。奈氏准则：在任何信道中，码元的传输速率是由上限的，传输速率超过这个上限就会出现严重的码间串扰，使接收端不能识别。奈氏准则的意义：只要信道的频带越高就是通过的高频分量越多，就可以用更高的速率传送码元。
2.信噪比，信噪比是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为 S/N ,单位为 分贝（ dB ）。即 信噪比( dB ) = 10 * log10 (S/N)
香农公式
信道的极限信息传输速率为 C 是 C = W log2 (1 + S/N)( b/s )，W 为信道的带宽（单位为 Hz） ，公式表明：信道的带宽或信道中的信道比越大，信息的极限传输速率就越高。香农公式的意思在只要信息的传输速率低于信道的极限信息传输速率就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
码元传输速率受奈氏准则的限制，信息传输速率受香农公式的限制
传输媒体
引导型传输媒体
电磁波被导引沿着固体媒体传播
非引导型传输媒体。
指自由空间，在非引导型传输媒体中电磁波的传输为无限传输。
信道的复用
1.频分复用，所有的用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
2.时分复用，所有的用户在不同的时间暂用同样的频带宽度。这更有利于数字信号的传输。
3.波分复用，就是光的波分复用。
4.码分复用，CDM ，也称码分多址，每一个用户可在同样的时间使用同样的频带进行通信。
在 CDMA 中，每一个比特时间再划分为 m 个短的间隔，称为码片（chip）。通常 m 的值为 64 或 128。为了说明问题的需要和简单起见，我们设 m 为 8.
使用 CDMA 的每一个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列（chip sequence）。
一个站如果要发送比特 1 ，则发送它自己的 m bit 码片序列；如果要发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码；为了方便起见，我们按惯例将码片中的 0 写为 -1，将 1 写为 1。
现假定 S 站要发送信息的数据率为 b b/s。由于每个比特要转换成 m 个比特的码片，因此会将 S 站实际发送的数据率为 mb b/s（当然有效的还是 b b/s）。同时 S 站所占用的频带宽度也提高到原来数值的 m 倍。这种通信方式是扩频（spread spectrum），扩频通信通常有两大类：
直接序列扩频 DSSS，如上文所说的码片序列
跳频扩频 FHSS
实现码分多址的关键在于，需要为每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，而且还必须相互正交）（将码片序列视为码片向量，两序列正交即为两向量内积为 0）。在实用的系统中使用伪随机序列。
例，令向量 S 表示站 S 的码片向量 (-1, -1, -1, +1, +1, -1, +1, +1)，在令 T 表示其他任何站的码片向量 (-1, -1, +1, -1, +1, +1, +1, -1)。任意两个不 同站的码片序列正交，就是向量 S 和 T 的内积都是 0：任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1，任何一个码片向量和该码片的反码的向量的规格化内积都是-1。
现假定有一个 X 站要接收S 发送的数据， X 站先知道 S 所特有的码片序列， X 站收到的信号是各个站发送的序列之和，和 S 的码片序列求内积，结果为1则 s 站发送比特-1，结果为0 则s 站发送0.其他序列和S 的码片序列内积后都是0.
举例1.假定某信道受奈氏准则限制的最高码元速率为20000码元/秒。如果采用振幅调制，把码元的振幅划分为16个不同等级来传送，那么可以获得多高的数据率（b/s）?
答：C=R * Log2（16）=20000b/s * 4=80000b/s
2.用香农公式计算一下，假定信道带宽为为3100Hz，最大信道传输速率为35Kb/ｓ，那么若想使最大信道传输速率增加60%，问信噪比Ｓ/Ｎ应增大到多少倍？如果在刚才计算出的基础上将信噪比Ｓ/Ｎ应增大到多少倍？如果在刚才计算出的基础上将信噪比Ｓ/Ｎ再增大到十倍，问最大信息速率能否再增加20%？
答：C = W log2(1+S/N) b/s-àSN1=2 （C1/W）-1=2 （35000/3100）-1
SN2=2 （C2/W）-1 = 2 （1.6*C1/w）-1=2*（1.6*35000/3100）-1
SN2/SN1=100信噪比应增大到约100倍。
C3=Wlong2（1+SN3）=Wlog2（1+10*SN2）
C3/C2=18.5%
如果在此基础上将信噪比S/N再增大到10倍，最大信息通率只能再增加18.5%左右
3.共有4个站进行码分多址通信。4个站的码片序列为
A：（－1－1－1＋1＋1－1＋1＋1） B：（－1－1＋1－1＋1＋1＋1－1）
C：（－1＋1－1＋1＋1＋1－1－1） D：（－1＋1－1－1－1－1＋1－1）
现收到这样的码片序列S：（－1＋1－3＋1－1－3＋1＋1）。问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的是0还是1？
解：S·A=（＋1－1＋3＋1－1＋3＋1＋1）／8=1， A发送1
S·B=（＋1－1－3－1－1－3＋1－1）／8=－1， B发送0
S·C=（＋1＋1＋3＋1－1－3－1－1）／8=0， C无发送
S·D=（＋1＋1＋3－1＋1＋3＋1－1）／8=1， D发送1