一、物理層的基本概念
首先強調指出，物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流而不是指具體的傳輸媒體。物理層的作用是要儘可能的屏蔽掉不同硬件設備、傳輸媒體、通信手段之間的差異，使得數據鏈路層感受不到這些差異，可以簡單的只考慮如何完成本層的協議和服務。用於物理層的協議也常稱爲物理層規程(procedure)。
物理層的主要任務可以描述爲確定與傳輸媒體的接口相關的一些特性，即：
(1) 機械特性： 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引腳數目和排列、固定和鎖定裝置等等。平時常見的各種規格的接插件都要嚴格的標準化的規定。
(2) 電氣特性： 指明在接口電纜的各條線上出現的電壓範圍。
(3) 功能特性： 指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。
(4) 過程特性：指明對於不同功能的各種可能事件的的出現順序。
另外，數據在通信線路上的傳輸方式一般都是串行傳輸(處於經濟考慮)，即逐個比特按照時間順序傳輸。然而數據在計算機中多采用並行傳輸，所以物理層還需要完成傳輸方式的轉換。
二、通信原理基礎
- 常用術語和基本概念
(1) 數據(data)：運送消息的實體。
(2) 信號(signal)：數據的電氣或電磁的表現。根據信號中代表消息的參數的取值方式不同，信息可以分爲兩大類：模擬信號(連續信號)和數字信號(離散信號)。
(3) 信道(channel)：用於表示向某一個方向傳送信息的媒體。(一條通信電路往往包含一條發送信道和一條接受信道)
(4) 從通信雙方的信息交互的方式來看，有以下三種基本方式：
a. 單向通信：只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互，例如無線電廣播、有線電廣播或電視廣播。
b. 雙向交替通信：通信的雙方都可以發送信息，但是雙方不能同時發送(當然也就不能同時接受)。這種通信方式是一方發送另一方接收，過一段時間後再反過來。
c. 雙向同時通信：通信的雙方可以同時發送和接受信息。
(5) 基帶信號：來自信源的信號，往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道並不能傳輸這種低頻分量或直流分量。
(6) 調製(modulation)：將基帶信號轉換成適合信道傳輸的形式。調製可以分爲兩大類：
a. 基帶調製：僅僅對基帶信號的波形進行變換，使其能夠與信道特性想適應，調製後的信號仍然是基帶信號。
b. 帶通調製：使用載波(carrier) 進行調製，把基帶信號的頻率範圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸。調製後的信號稱爲帶通信號。最基本的帶通調製方法包含調幅(AM，載波的振幅隨基帶數字信號而變化)、調頻(FM，載波的頻率隨基帶數字信號而變化)、調相(PM，載波的初始相位隨基帶數字信號而變化)。 - 信道的極限容量
限制碼元在信道上的傳輸速率的因素有兩個：
(1) 信道能夠通過的頻率範圍
信號中的許多高頻分量(如矩形脈衝信號)在傳輸時會受到衰減，在接收端收到的波形前沿和後沿就變得不那麼陡峭，每一個碼元所佔的時間界限也不再明確，而是前後都拖了“尾巴”，也就是擴散了的碼元波形所佔的時間也變寬。在接收端收到的信號波形失去了碼元之間的清晰界限，這種現象叫做碼間串擾。嚴重的碼間串擾會使得本來分的很清楚的一串碼元變得模糊而無法識別。
奈式(Nyquist)準則：在假定的理想條件下，爲了避免碼間串擾，碼元傳輸速率的上限值爲信道帶寬的兩倍，即$B=2W(Baud)$。
如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾。
(2) 信噪比
信噪比是信號的平均功率和噪聲的平均功率之比，常記爲S/N，並用分貝(dB)作爲度量單位。即$SNR(dB)=10log_{10}(S/N) (dB)$。
香農公式指出了信道的極限信息傳輸速率C是$C=Wlog_2(1+S/N)(b/s)$。
式中，W位信道帶寬(單位爲Hz)，S爲信道內所傳信號的平均功率；N爲信道內部的高斯噪聲功率。
香農公式表明，信道的帶寬或信道中的信噪比越大，信息的極限傳播速率就越高。香農公式的意義在於只要信息傳輸速率低於信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種方法來實現無差錯的傳輸。
由以上所述也可以知道，對於頻帶寬度和信噪比確定，且碼元傳輸速率達到上限值的心都，提高信息傳輸速率的方法就是用編碼讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。
三、信道複用技術
- 頻分複用FDM(Frequency Division Multiplexing)和時分複用TDM(Time Division Multiplexing)
頻分複用：用戶在同樣的時間佔用不同的帶寬資源(頻率帶寬)。
時分複用：用戶在不同的時間佔用同樣的頻帶寬度。
這兩種複用方法的優點是技術比較成熟，但缺點是不夠靈活。時分複用則更加有利於數字信號的傳輸。
在進行通信時，複用器(multiplexer) 總是和分用器(demultiplexer) 成對地使用。在複用器和分用器之間是用戶共享的高速信道。分用器的作用與複用器相反，它把高速信道傳送過來的數據進行分用，分別送交到相應的用戶。
當使用時分複用系統傳送計算機數據時，由於計算機數據的突發性質，一個用戶對已經分配到的子信道的利用率一般是不高的，當用戶某一段時間暫時無數據傳輸時，已經分配到手的子信道就只能空閒着，其他用戶也無法使用。這導致複用後的信道利用率不高。
統計時分複用STDM(Statistic TDM) 是一種改進的時分複用，明顯地提高信道的利用率。各用戶有了數據就隨時發往集中器的輸入緩存，然後集中器(concentrator)按順序依次掃描輸入緩存，把緩存中的輸入數據放入STDM幀中，對於沒有數據的緩存就跳過去，當一個幀放滿了就發送出去。因此STDM鎖骨按需動態分配時隙的。舉例如圖1所示：
可以看出，在輸出線路上，某一個用戶所佔用的時隙並不是週期性出現，所以統計複用又稱爲異步時分複用。注意集中器能正常工作的前提是假定各用戶都是間歇地工作(否則集中器內部設置的緩存都將溢出)。
由於STDM幀中的時隙並不是固定地分配給某個用戶，因此每個時隙中必須有用戶的地址信息，這是統計時分複用必須要有的和不可避免的一些開銷。 - 波分複用WDM(Wavelength Division Multiplexing)
波分複用就是光的頻分複用。由於光載波的頻率很高，因此習慣上用波長而不用頻率來表示所使用的光載波。波分複用使用一根光纖來同時傳輸多個平率很接近的光載波信號。 - 碼分複用CDM(Code Division Multiplexing)
更常用的名詞是碼分多址CDMA(Code Division Multiple Access)。各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此各用戶之間不會造成干擾。這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似於白噪聲，不易被敵人發現。在無線局域網中，採用CDMA可提高通信的話音質量和數據傳輸的可靠性，減少干擾對通信的影響，增大通信系統的容量，降低手機的平均發射功率等等。
在CDMA中，每一個比特時間再劃分爲爲m個短的間隔，稱爲碼片(chip)。通常m的值是64或128。使用CDMA的每一個站被指派一個唯一的m bit碼片序列(以m=8爲例，比如00011011)，若要發送比特1，則發送它自己的m bit碼片序列(00011011)；若要發送比特0，則發送該碼片序列的二進制反碼(11100100)。現在假定S站要發送的數據率爲b b/。由於每一個比特要轉換成m個比特的碼片，因此S站實際上發送的數據率提高到mb b/s。同時S站所佔用的頻帶寬度也提高到原來數值的m倍。這種通信方式是擴頻(spread spectrum)通信的一種。
CDMA系統的一個重要特點就是這種體制給每一個站分配的碼片序列不僅必須各不相關，並且還必須互相正交(這樣接收站才能區分出不同站點發送的內容，求內積可以過濾掉其他站點的內容)。在實用系統中使用僞隨機碼序列。
四、寬帶接入技術
- xDSL技術：用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造。
- HFC網(光纖同軸混合網)：在目前覆蓋面很廣的有線電視網CATV的基礎上開發得以居民寬帶接入網，HFC網除了傳送CATV外，還提供電話、數據和其他寬帶交互型業務。
- FTTx技術(光纖到……)：x可代表不同的意思，如FTTH(Fiber To The Home)，即將光纖鋪設到用戶家庭。
五、參考文獻
[1] 謝希仁. 計算機網絡(第五版)
