物理层需要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比特流，而不是指具体的传输媒体。
可以将物理层的主要任务描述为确定于传输媒体的接口有关的一些特性：
(1)机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等等。平时所见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。
(2)电气特性 指明接口电缆的各条线上的出现的电压的范围。
(3)功能特性 指明某条线上出现的某一点评的电压表示何种意义。
(4)过程特性 指明对于不同功能可能事件的出现顺序。
数据在计算机多采用并行传输方式，但是在通信线路上一般都采用串行传输方式。
一、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，即源系统(发送端或发送方)、传输系统(传输网络)和目的系统（接收端或接收方）
源系统一般包括两部分：
源点
源点设备产生要传输的数据，例如PC端的键盘输入汉字，PC产生输出数字的比特流。源点有称为源站或信源。
发送器
通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。PC机一般都是内置调制解调器。
目的系统一般也包括两个部分：
接收器
接收器接收传输系统传送过来的信号，并把它转化为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。
终点
终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。终点又称为目的站，或新宿。
在源系统和目的系统之间的传输系统可能是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂的网络系统。
通信的目的是传送消息。数据时运送消息的实体。信号则是数据的电气或者电磁的表现。
信号可以分为两大类：
模拟信号或连续信号--代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号或离散信号--代表消息的参数的取值是离散的。
在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就称为码元。
信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。从通信的双方信息交互的方式来看，通信有三种情形：
单向通信
单向通信又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于单向通信。
双向交替通信
双向交替通信又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但是双方不能同时发送信息。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。
双向同时通信
双向同时通信又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送或者接收消息。
单向通信只有一条信道，但是双向同时通信或双向交替通信都需要两条信道。显然，后者的效率更高。
来自信源的信号通常都称为基带信号。基带信号是基本频带信号的简称。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往都带有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或者直流分量，为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制。
调制可以分为两大类：一类是仅仅对基带信号的波形进行调制，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，这类调制称为基带调制；另一类调制则需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号，而使用载波的调制方式称为带通调制。最基本的带通调制的方式有：
调幅（AM），即载波的政府随着基带数字信号而变化，0和1分别代表有无载波。
调频（PM），即载波的频率随着基带数字信号而变化，f1和f2分别代表0和1
调相（PM），即载波的初始相位随着基带数字信号而变化，0或1分别对应于相位的0度或者180度。下面的图片能够很好的解释调频，调幅和调相的区别。
实际使用过程中，为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法，如正交振幅调制。
二、信道的极限容量
1.信道能够同过的频率范围。
具体的信道能够通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能够通过信道。如矩形脉冲信号，它包含了丰富的高频分量。如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和波形后沿就变得不那么陡峭，每一个码元所占的时间界限就不在那么明显了。在接收端接收的波形信号失去了码元变得模糊而无法识别，这种现象叫做码间串扰。严重的码间串扰使得本来分的很清楚的的一串码元变得很模糊而无法识别。
奈氏准则
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后就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判决称为不可能。
2.信噪比
噪声存在于所有的电子设备和通信信道中，由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有时可能会很大。噪声回事接收端对码元的判决产生错误，但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。所谓信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为S/N，并且用分贝（dB）作为计量单位。
信噪比（dB）= 10 log10（S/N)
香龙公式
信息论的创始人香龙推导出了注明的香龙公式，信道的极限信息传输速率C是
C = W log2（1+S/N） 单位是b/s
其中，W为信道带宽，以Hz为单位；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率 。香龙公式表明，信道的带宽越大，信道的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。香龙公式指出了信息传输速率的上限，同时它告诉我们，只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种方法来实现无差错的传输。但是在实际信道中，信息传输速率往往比香龙的极限传输速率低很多，这是因为在实际的信道中，信号还要受到其他的一些损伤，如各种脉冲干扰和在传输中产生的失真等，而这些因素在香龙公式的推导过程中都没有考虑。
三、传输媒体
传输媒体或传输介质或传输媒介指的是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体分为导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传输媒体中，如，铜线或光纤，电磁波是沿着固定的媒体进行传播。而非导向的传输媒体就是在自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输通常称为无线传输。
1.导向传输媒体
双绞线
两根互相绝缘的铜线，并排放在一起，然后用规则的方法互相校核在一起就构成了双绞线。双绞线的绞合可减少对相邻导线的电磁波的干扰。
同轴电缆
同轴电缆有内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层，网状编织的外导体屏蔽层，以及保护塑料外层所组成。目前同轴电缆主要用于有线电视网的居民小区中。
光缆
光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。光纤是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源，可以采用发光二极管或者半导体激光器，它们在脉冲的作用下能产生光脉冲。在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时还可以还原电脉冲。光纤通常是由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。若光纤的直径小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可以是光线一直向前传播，而不会产生多次反射，这样的光纤就称为单模光纤。光纤具有以下特点：
（1）通信容量非常大
（2）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
（3）抗雷电和电磁干扰性能好。
（4）无串音干扰，保密性好，也不容易被窃听或截取数据。
（5）体积小，重量轻。
2.非导向传输媒体
多径效应 多径效应是指同一个信号经过不同的反射路径到达同一点，但反射路径的衰减和时延都不相同，使得最后的合成信号失真很大。
短波通信主要靠电离层的反射，但是由于电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，使得短波信道的通信质量很差。因此，当必须使用短波无线电传输数据时，一般都是低速率传输。