В вычислительных сетях проводные линии связи представлены коаксиальными кабелями и витыми парами проводов.
Используются коаксиальные кабели: “толстый” диаметром 12,5 мм и “тонкий” диаметром 6,25 мм. “Толстый” кабель имеет меньшее затухание, лучшую помехозащищенность, что обеспечивает возможность работы на больших расстояниях, но он плохо гнется, что затрудняет прокладку соединений в помещениях, и дороже “тонкого”.
Существуют экранированные (STP - Shielded Twist Pair) и неэкранированные (UTP - Unshielded Twist Pair) витые пары проводов. Экранированные пары сравнительно дороги. Неэкранированные витые пары имеют несколько категорий (типов). Обычный телефонный кабель - пара категории 1. Пара категории 2 может использоваться в сетях с пропускной способностью до 4 Мбит/с. Для сетей Ethernet (точнее, для ее варианта с названием 10Base-T) разработана пара категории 3, а для сетей Token Ring - пара категории 4. Наиболее совершенной является витая пара категории 5, которая применима при частотах до 100 МГц. В паре категории 5 проводник представлен медными жилами диаметром 0,51 мм, навитыми по определенной технологии и заключенными в термостойкую изолирующую оболочку. В высокоскоростных ЛВС на UTP длины соединений обычно не превышают 100 м. Затухание на 100 МГц и при длине 100 м составляет около 24 дБ, при 10 МГЦ и 100 м - около 7 дБ.
Витые пары иногда называют сбалансированной линией в том смысле, что в двух проводах линии передаются одни и те же уровни сигнала (по отношению к земле), но разной полярности. При приеме воспринимается разность сигналов, называемая парафазным сигналом. Синфазные помехи при этом самокомпенсируются.

При амплитудной модуляции на входы модулятора поступают сигнал V и несущая U. Например, если сигнал есть гармоническое колебание
V = Vm*sin(W *t+j )
с амплитудой Vm, частотой W и фазой j , то на выходе нелинейного элемента в модуляторе будут модулированные колебания
UАМ = Um*(1+m*sin(W *t+j ))*sin(v *t+y ),
где m = Vm/Um - коэффициент модуляции. На выходе модулятора в спектре сигнала присутствуют несущая частота v и две боковые частоты v +W и v -W .
При амплитудной модуляции во избежание искажений, называемых качанием фронта, нужно выполнение условия v >> W , где v и W - соответственно несущая и модулирующая частоты. Соблюдение этого условия при стандартной (для среднескоростной аппаратуры передачи данных) несущей частоте 1700 Гц не может обеспечить информационные скорости выше 300 бит/с. Поэтому в модемах применяют дополнительное преобразование частоты: сначала производят модуляцию несущей, имеющей повышенную частоту, например Fнд = 10 кГц, затем с помощью фильтра выделяют спектр модулированного сигнала и с помощью преобразователя частоты переносят модулирующие колебания на промежуточную частоту, например 1700 Гц. Тогда при боковых полосах до 1400 Гц спектр сигнала согласуется с полосой пропускания телефонных линий. Однако достигаемые при этом скорости передачи данных остаются невысокими.
Скорости передачи повышаются с помощью квадратурно-амплитудной или фазовой модуляции за счет того, что вместо двоичных модулирующих сигналов используются дискретные сигналы с большим числом возможных значений.

В сравнительно простых модемах применяют частотную модуляцию (FSK - Frequency Shift Keying) со скоростями передачи до 1200 бит/с. Так, если необходима дуплексная связь по двухпроводной линии, то возможно представление 1 и 0 в вызывном модеме частотами 980 и 1180 Гц соответственно, а в ответном модеме - 1650 и 1850 Гц. При этом скорость передачи составляет 300 бод.
Обычно для передачи сигнала об ошибке от приемника к передатчику нужен канал обратной связи. При этом требования к скорости передачи данных по обратному каналу могут быть невысокими. Тогда в полосе частот телефонного канала образуют обратный канал с ЧМ, по которому со скоростью 75 бит/с передают 1 частотой 390 Гц и 0 частотой 450 Гц.
Фазовая модуляция (PSK - Phase Shift Keying) двумя уровнями сигнала (1 и 0) осуществляется переключением между двумя несущими, сдвинутыми на полпериода друг относительно друга. Другой вариант PSK изменение фазы на p /2 в каждом такте при передаче нуля и на 3/4*p , если передается единица.

Квадратурно-амплитудная модуляция (QAM - Quadrature Amplitude Modulation, ее также называют квадратурно-импульсной) основана на передаче одним элементом модулированного сигнала n бит информации, где n = 4…8 (т.е. используются 16… 256 дискретных значений амплитуды). Однако для надежного различения этих значений амплитуды требуется малый уровень помех (отношение сигнал/помеха не менее 12 дБ при n = 4).
При меньших отношениях сигнал/помеха лучше применять фазовую модуляцию с четырьмя или восемью дискретными значениями фазы для представления соответственно 2 или 3 бит информации. Тогда при скорости модуляции в 1200 бод (т.е. 1200 элементов аналогового сигнала в секунду, где элемент - часть сигнала между возможными сменами фаз) и четырехфазной модуляции скорость передачи данных равна 2400 бит/с. Используются также скорости передачи 4800 бит/с (при скорости модуляции 1600 бод и восьмифазной модуляции), 9600 бит/с и более при комбинации фазовой и амплитудной модуляций.

Для организации дуплексной связи используются следующие способы:
четырехпроводная линия связи - одна пара проводов для прямой и другая для обратной передачи;
частотное разделение - прямая и обратная передачи ведутся на разных частотах, т.е. полоса для каждого направления сужается более чем вдвое по сравнению с полосой симплексной связи;
эхо-компенсация - при установлении соединения с помощью посылки зондирующего сигнала определяются параметры (запаздывание и мощность) эха - отраженного собственного сигнала; в дальнейшем из принимаемого сигнала вычитается эхо собственного сигнала

В многоканальной аппаратуре одна (или несколько) линия связи разделяется между сообщениями по частоте или времени. В широкополосных аналоговых каналах используется частотное разделение. Каналы группируются в первичные (полоса 60…108 кГц), вторичные (312…552 кГц), третичные (812…2044 кГц) и т.д. В группе первичных каналов помещаются 12 каналов тональной частоты, в группе вторичных каналов - пять первичных групп и т.д.
В современных телекоммуникационных технологиях большее распространение получили цифровые каналы передачи данных.

Протоколы физического уровня определяют в телекоммуникационных технологиях способ модуляции, направленность передачи (дуплекс, симплекс, полудуплекс), ориентированность на выделенный или коммутируемый канал. Возможно отражение в протоколах и некоторых других характеристик передачи, например способа исправления ошибок и/или сжатия информации.
Протокол V.21 используется в простых модемах на 300 бит/с, применена частотная модуляция с передачей по двухпроводной линии. Используются четыре частоты (от 980 до 1850 Гц) для представления 1 и 0 в прямом и обратном направлениях передачи.
Протокол V.22 характеризуется скоростью 1200 бит/с, используются частотное разделение каналов (для дуплекса) и двукратная фазовая модуляция (ФМ), т.е. ФМ с четырьмя значениями фазы. В V.27 с помощью трехкратной ФМ (с восемью значениями фазы) достигается скорость 4800 бит/с по дуплексным выделенным каналам.
Возможно применение квадратурно-амплитудной модуляции. В протоколе V.22bis используются несущие частоты 1200 и 2400 Гц, при скорости модуляции 600 бод скорость передачи данных составляет 2400 бит/с, так как каждый элемент сигнала отражает одно из 16 значений четырехбитовой комбинации (для каждого значения - своя амплитуда). В протоколе V.29 скорость составляет 9600 бит/с, используется четырехпроводный выделенный канал.
В модемах, соответствующих V.32, достигается скорость 9600 бит/с за счет фазовой модуляции и отфильтровывания эха собственного передатчика от принимаемых сигналов. Специальный процессор автоматически снижает скорость передачи при наличии шумов в линии. Используется помехоустойчивое кодирование.
В протоколе V.32bis при тех же несущих и бодовой скорости пропускная способность повышена до 14,4 кбит/с за счет комбинирования квадратурно-амплитудной и фазовой модуляций. Расширение V.32terbo этого протокола уже рассчитано на скорости 16,8 и 19,2 кбит/с.
Современные высокоскоростные модемы строятся в соответствии с протоколом V.34 или его предшественником V.FC. Здесь скорости составляют от 2,4 до 28,8 кбит/с с шагом 2,4 кбит/с. Протокол предусматривает адаптацию передачи под конкретную обстановку, изменяя несущую в пределах 1600…2000 Гц, а также автоматическое предварительное согласование способов модуляции в вызывающем и вызывном модемах. В протоколе V34.bis скорости могут достигать 33,6 кбит/с.

В последнее время стали выпускаться модемы на 56 кбит/с по технологии, названной х2. Однако пока отсутствуют стандарты на х2 и двукратного ускорения передачи еще получить не удалось.
Протокол V.42 относится к стандартам, устанавливающим способы защиты от ошибок, а V.42bis, кроме того, - способы сжатия данных. Наряду с протоколом V.42, для коррекции ошибок применяют протоколы MNP (Microcom Network Protocol).
В качестве примера организации передачи сообщений рассмотрим протокол V.42, являющийся вариантом протокола HDLC.
Установление соединения (вход в протокол) происходит в асинхронном байт-ориентированном режиме. Запрос на соединение осуществляется посылкой двухбайтовых сигналов ОDP. Для соединения необходимо согласие приемника в виде посылки ответа ADP. После этого образуется соединение, осуществляется переход в синхронный бит-ориентированный режим. В начале сообщения передаются управляющие, а затем информационные кадры.
Краткие сведения о некоторых протоколах (двухпроводных на основе RS-232C) подытожены ниже (указаны имя протокола, способ модуляции, скорость в килобитах в секунду и возможно другие особенности).
• V.21_ЧМ_0.3_ для “1″ используются частоты 980 и 1650 Гц, для “0″ - 1180 и 1850 Гц.
• V.22_ФМ_1,2_ частотное разделение прямого и обратного каналов, несущие частоты 1200 и 2400 Гц; четыре значения фазы.
• V.22bis_QAM дуплекс_2,4_ частотное разделение каналов; QAM четырех и 16-позиционная; модуляционная скорость 600 бод; основной протокол для среднескоростных модемов.
• V/29_ QAM _9,6_ QAM 16-позиционная, дуплекс при выделенных каналах (четырехпроводная) или полудуплекс при коммутируемых каналах (двухпроводная).
• V.32_QAM_9,6_ QAM 16-позиционная, выделенные или коммутируемые каналы.
• V.32bis_QAM_14,4_ QAM 128-позиционная.
• V.32ter_ QAM_19,2_ QAM, дуплекс, выделенные или коммутируемые каналы.
• V.34_ QAM_ 28,8_ QAM 256-позиционная, дуплекс.
Перечисленные протоколы предназначены для работы в телефонных аналоговых сетях с коммутацией каналов. Они опираются на двухпроводные линии связи и начиная с V.29 используют эхо-компенсацию. На выделенных телефонных линиях с интенсивным трафиком часто применяют четырехпроводные линии для дуплексной и двухпроводные для полудуплексной связи (протоколы V.23, V.26, V.27, V.29).
В высокоскоростных выделенных каналах можно использовать аналоговые протоколы V.35, V.36, V.37, рассчитанные соответственно на скорости 48, 72, 168 кбит/с.

Центральное место среди канальных протоколов телекоммуникаций занимают протоколы передачи файлов по телефонным каналам. Функции канальных протоколов: управление потоком данных, координация работы передатчика с приемником. Различают протоколы по способам обнаружения и исправления ошибок, по реакции на возникновение ошибок (старт-стопные и конвейерные), по способам защиты от несанкционированного доступа.
Способы обнаружения и исправления ошибок рассмотрены ниже.
Старт-стопный протокол характеризуется тем, что, прежде чем посылать новый кадр информации, передатчик ждет подтверждения о правильном получении приемником предыдущего кадра, в конвейерных протоколах такое подтверждение может быть получено после передачи нескольких кадров. В последнем случае меньше задержки на ожидание подтверждений (квитанций), но больше затраты на повторную пересылку в случае ошибок.
Защита от несанкционированного доступа реализуется или аппаратно в модеме, или в связной (коммутационной) программе.
Обычно в протоколах предусматриваются режимы командный и обмена данными.
Примеры действий, выполняемых по командам в командном режиме: имитация снятия трубки и ответ на вызов; имитация снятия трубки и набора номера (после того как связь установится, модем переходит в режим обмена данными); переход из дуплексного режима в полудуплексный; отключение внутреннего динамика модема и др.
Команды может набирать пользователь, но в большинстве почтовых программ типовые последовательности команд выполняются автоматически после обращения к соответствующим процедурам.
Стандартом “де-факто” стал набор команд, реализуемый фирмой Hayes в своих модемах, это так называемые AT- или Hayes-команды.

Основой для многих протоколов модемной связи стал протокол XModem. В базовом варианте этого протокола используется старт-стопное управление, размер одного блока сообщения (пакета) равен 128 байт и 1 байт отводится под контрольную сумму. В варианте XModem-CRC реализован более жесткий контроль ошибок за счет использования циклического кода с 16-разрядной проверяющей комбинацией. В варианте XModem-1k дополнительно введено автоматическое увеличение длины блока до 1024 байт при малой частоте ошибок. В варианте YModem по сравнению с XModem-CRC разрешена групповая передача файлов. В наиболее распространенном протоколе ZModem используется конвейерное управление (иначе называемое оконным), длина пакета автоматически меняется от 64 до 1024 байт в зависимости от качества канала. Если на приемном конце ZModem не поддерживается, то автоматически протокол переходит в Ymodem. Прерванная передача продолжается с места прерывания.

Кодово-импульсная модуляция (КИМ или PCM - Pulse Code Modulation) используется для передачи аналоговых сигналов по цифровым каналам связи.
Этот вид модуляции сводится к измерению амплитуды аналогового сигнала в моменты времени, отстоящие друг от друга на dt, и к кодированию этих амплитуд цифровым кодом. Величина dt определяется по теореме Котельникова: для неискаженной передачи нужно иметь не менее двух отсчетов на период колебаний, соответствующий высшей составляющей в частотном спектре сигнала. В цифровых каналах ISDN (Integrated Services Digital Network) за основу принята передача голоса с частотным диапазоном до 4 кГц, а кодирование производится восемью (или семью) битами. Отсюда получаем, что частота отсчетов (передачи байтов) равна 8 кГц, т.е. биты передаются с частотой 64 кГц (или 56 кГц при семибитовой кодировке).
При преобразовании амплитуды А аналогового сигнала в цифровой код К желательно учитывать нелинейность амплитудных характеристик приборов и иметь зависимость К от А мнонотонно убывающей с ростом амплитуды.
Разновидностями КИМ являются дельта-модуляция (ДМ), дифференциальная ДМ (ДДМ) и адаптивная ДМ (АДДМ). В них передаются разности амплитуд А1 и А2 соседних отсчетов. При этом в ДМ А1 - амплитуда на входе модулятора, а А2 - амплитуда отсчета, которая соответствует переданному сигналу в предыдущем временном такте. Для представления разности используется всего 1 бит (т.е. передается знак разности), поэтому нужна достаточно высокая частота отсчетов, чтобы не было “запаздывания” изменений передаваемого сигнала по сравнению с реальными изменениями.
ДДМ отличается от ДМ тем, что знак разности А1-А2 передается только в момент пересечения величиной А1 одного из уровней квантования. В АДДМ шаги отсчетов адаптируются к динамике изменения величины сигнала.