位于ZigBee协议栈结构最底层的是IEEE 802.15.4物理层，定义了物理无线信道和MAC层之间的接口。物理层包括物理层数据服务实体（Physical Layer Data Entity，PLDE）和物理层管理实体（Physical Layer Management Entity，PLME），分别提供物理层数据服务和管理服务。前者是指从无线物理信道上收发数据，后者是指维护一个由物理层相关数据组成的数据库。
1.物理层参考模型
物理层参考模型如图3-8所示。
图3-8 物理层参考模型
管理实体提供的管理服务有：信道能量检测（ED）、链路质量指示（LQI）、空闲信道评估（CCA）等。
信道能量检测主要测量目标信道中接收信号的功率强度，为上层提供信道选择的依据。信道能量检测不进行解码操作，检测结果为有效信号功率和噪声信号功率之和。
链路质量指示对检测信号进行解码，生成一个信噪比指标，为上层提供接收的无线信号的强度和质量信息。
空闲信道评估主要评估信道是否空闲。IEEE 802.15.4中有3种空闲信道评估模式：
1）通过信道的信号能量来判断信道是否空闲：为要检测的信道设定一个门限值，当信号能量低于该门限值时就认为信道空闲。
2）通过信道中传输的无线信号的特征来判断信道是否空闲，考察的信号特征包含扩频信号特征和载波频率。
3）第三种判断方法是前两种方法的综合，即同时检测信号强度和信号特征，进行判断。
2.物理层无线信道的分配
根据IEEE 802.15.4标准的规定，物理层有3个载波频段：868～868.6MHz、902～928MHz和2400～2483.5MHz。3个频段上数据传输速率分别为20kbit/s、40kbit/s和250kbit/s。各个频段的信号调制方式和信号处理过程都有一定的差异。
根据IEEE 802.15.4标准，物理层3个载波频率段共有27个物理信道，编号从0～26。不同的频段所对应的宽度不同，标准规定868～868.6MHz频段有1个信道（0号信道）；902～928MHz频段包含10个信道（1～10号信道）；2400～2483.5MHz频段包含16个信道（11～26号信道）。每个具体的信道对应着一个中心频率，这些中心频率定义如下：
k=0时，F=868.3MHz
k=1，2，…，10时，F=906+2（k-1）MHz
k=11，12，…，26时，F=2405+5（k-11）MHz
式中，k为信道编号；F为信道对应的中心频率。
不同地区的ZigBee工作频率不同。根据无线电管理委员会的规定各地标准见表3-1。
表3-1 不同地区的ZigBee标准
3.物理层帧结构
不同设备间的数据和命令以包的形式互相传输。包的普通结构如图3-9所示。
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图3-9 ZigBee的包结构
物理层包由以下三部分组成：
同步头（SHR）、物理层帧头（PHR）和物理层有效载荷，见表3-2。
表3-2 物理层协议数据单元
同步头使接收机能够同步并锁定数据流，物理层帧头（PHR）包含帧长信息，物理层载荷是由上层提供给接收者的数据或者命令信息。
引导序列：收发信机通过引导序列来获得码片和符号同步，由32位全0组成。
帧起始分隔符（Start Frame Delimiter，SFD）：表示引导序列的结束和数据帧的开始，是一个8位的二进制序列，格式为11100101。
帧长：指定了物理层数据包中所包含的字节数，它的取值范围从0～127。
物理层数据包：可变长度的字段，由网络高层提供。表示物理层所要传输的数据。
4.物理层主要功能
1）完成无线发射机的激活和开启。
2）对当前信道进行能量检测。
3）接收分组的链路质量指示。
4）基于CSMA-CA的空闲信道评估。
5）选择信道频率。
6）传输和接收数据。
5.2.4GHz频段的物理层技术
由于我国应用的是2.4GHz频段，这里我们简要介绍2.4GHz频段的物理层技术。2.4GHz频段主要采用了十六进制准正交调制技术（O-QPSK调制）。调制原理如图3-10所示。PPDU发送的信息进行二进制转换，再把二进制数据进行比特-符号映射，每字节按低4位和高4位分别映射成一个符号数据，先映射低4位，再映射高4位。再将输出符号进行符号-序列映射，即将每个符号被映射成一个32位伪随机码片序列（共有16个不同的32位码片伪随机序列）。在每个符号周期内，4个信号位映射为一个32位的传输的准正交伪随机码片序列，所有符号的伪随机序列级联后得到的码片再用O-QPSK调制到载波上。
图3-10 2.4GHz物理层调制方案
2.4GHz频段调制方式采用的是半正弦脉冲波形的O-QPSK调制，将奇位数的码片调制到正交载波Q上，偶位数的码片调制到同相载波I上，这样，奇位数和偶位数的码片在时间上错开了一个码片周期T，如图3-11所示。
图3-11 O-QPSK偏移关系
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