调制解调器定义

引言

一种将数字数据信号转换为适合通过模拟电信电路传输的调制模拟信号的电子设备称为调制解调器（modem，来自“调制器/解调器”）。调制解调器还接收并解码调制信号，以恢复数字信号供数据设备使用。因此，调制解调器允许现有电信基础设施支持数据通信，例如个人计算机之间的电子邮件、传真机之间的传真传输以及从万维网服务器向家用个人计算机下载音视频文件。

大多数调制解调器是“语音频带”设备，允许数字终端设备通过为适应人声有限带宽需求而创建的电话线进行通信。另一方面，有线调制解调器通过最初用于提供高带宽电视服务的混合光纤同轴电缆传输数据。语音频带和有线调制解调器都以独立的、书本大小的模块出售，它们连接到电话或有线电视插座以及个人计算机上的一个端口。此外，语音频带调制解调器作为电路板内置于传真机和PC中。它们还可以作为微型笔记本电脑即插即用卡大小的设备购买。

操作参数

调制解调器必须遵守兼容的操作标准或协议才能相互通信。国际电信联盟 (ITU) 电信标准化部门发布的 V 系列建议是语音频带调制解调器的全球基准。这些标准定义了可比较的调制和编码系统，确保了相似的传输速率，并指定了调制解调器开始和结束连接的信令过程等。为了处理较慢的调制解调器，调制解调器可能会“回落”到较低的速度。提供“全双工”传输和接收的标准支持交互式通信。“半双工”标准也支持双向通信，但不能同时进行；这些调制解调器适用于传真传输。

二进制数字，即表示两个值的位0和1，通过反复交替形成数据信号。与人声的音调类似，模拟信号由随时间变化的波状值变化组成。调制解调器使用多种技术来实现这一点；它们列在下面关于开发语音频带调制解调器的一节中。

波特是测量调制载波波的每个改变分量（例如频率或相位偏移）的单位。早期语音频带调制解调器（可追溯到20世纪60年代初）以每秒300波特（或更简单地，300波特）运行，以300比特每秒的速度传输数据，因为在当时，1波特等于1比特。由于当前调制解调器中的1波特可能代表多个比特，因此比特或千比特（每秒千比特）是评估传输速率更精确的方式。调制解调器的吞吐量在其发展过程中从每秒300比特（bps）增加到每秒56千比特（Kbps）甚至更高。有线调制解调器的吞吐量为每秒数兆比特（Mbps；每秒百万比特）。在最高比特率下必须使用信道编码技术来最大程度地减少传输错误。不同的源编码技术可以将数据“压缩”成更少的比特，从而在不增加比特率的情况下提高信息传输速度。

语音频带调制解调器的发展

第一代

虽然贝尔系统在20世纪30年代对电传照片机（现代传真机的前身）的早期研究与数字数据传输没有直接关系，但它确实产生了克服电话电路中存在的某些信号缺陷的策略。这些进展包括用于均衡传真信号以防止模糊以及将传真信号转换为可通过电话发送的1,800赫兹载波信号的技术。

20世纪50年代北美防空数据传输的需求激发了最初的数字调制解调器开发尝试。到那个十年末，通过传统电话连接每秒传输750比特的数据。美国电话电报公司（AT&T）于1962年发布了贝尔103调制解调器，这是美国第一款商用调制解调器。贝尔103使得通过传统电话连接以高达每秒300比特的速度进行全双工数据传输成为可能。它使用两个频率（每方向一对）通过电话电路传输和接收二进制数据。一个频率对的改变表示二进制1，而另一个频率对的改变表示二进制0。这种数字调制被称为频移键控（FSK）。贝尔103发布后不久，贝尔212调制解调器也发布了。贝尔212使用相移键控（PSK）调制1,800赫兹的载波信号，并通过全双工电话连接以每秒1,200比特（即1.2千比特）的速率传输数据。单个载波信号的相移是PSK数据表示的基础。因此，二进制1可以表示为180度相移，而二进制0可以表示为零度相移。

在 1965 年至 1980 年间，大量工作致力于开发具有更高传输速度的调制解调器。这些举措旨在消除直接抑制数据传输的许多电话线缺陷。贝尔实验室的罗伯特·卢基 (Robert Lucky) 于 1965 年发明了一种自动自适应均衡器，用于解决由于电话电路传输故障导致数据符号混合的问题。尽管均衡是一个众所周知的原理，在电话线路和电缆中使用了多年，但以前的均衡器是固定的，通常需要人工调整。自动均衡器的引入使得通过公共交换电话网络 (PSTN) 进行高速数据传输成为可能，无需人工干预；此外，由于复杂的调制技术允许以更快的​​数据速率通过语音电路的标称三千赫兹带宽进行传输，因此自适应均衡技术补偿了该带宽内的缺陷。正交幅度调制 (QAM) 是一种有效的调制技术。在 QAM 中，二进制数字以两个电磁波相位的离散幅度发送，每个相位与另一个相位偏移 90 度。载波信号的频率介于 1,800 至 2,400 赫兹之间。QAM 和自适应均衡使得通过四线连接进行 9.6 千比特每秒的数据传输成为可能。到 1980 年，由于调制解调器技术的进一步发展，第一代调制解调器能够通过四线租用线路以 14.4 千比特每秒的速度传输。

第二代

国际电报电话咨询委员会（CCITT，ITU 的前身）在 1980 年代初联合推动定义一个新的调制解调器标准，该标准允许通过在 PSTN 上运行的单对电路以 9.6 千比特每秒的速度进行全双工数据传输。在这项工作中，需要两项突破。首先，需要回声消除技术，以适应单条电话线上的高速全双工数据传输，并防止发送调制解调器的广播信号被其接收器接收。其次，创建了一种新型的编码调制，以实现在非调节 PSTN 连接上的新标准。纠错码是编码调制中调制过程的关键组成部分，它降低了信号对噪声的敏感性。1984 年发布的 V.32 标准是第一个包含这两项技术进步的调制解调器标准。该标准使用了格栅编码调制（TCM），一种编码调制。七年后发布了修订后的 V.32 标准，允许通过单个 PSTN 信道以 14.4 千比特每秒的速度进行全双工数据传输。

CCITT 于 1990 年中期首次提出了通过 PSTN 以比改进的 V.32 标准允许的更快速度进行全双工传输的可能性。这项努力促成了 1994 年 V.34 调制解调器标准的发布，该标准允许 28.8 千比特每秒的传输速度。

第三代

从贝尔 103 到 V.34 标准的调制解调器设计都基于一个理念，即通过 PSTN 进行数据传输意味着模拟传输，即 PSTN 是一个使用模拟组件的电路交换网络。V.34 标准是语音带调制解调器所能达到的最佳性能，预计此类网络的理论最大容量约为 30 Kbps。

公共交换电话网络（PSTN）实际上已经从一个纯模拟网络（使用模拟交换机和模拟传输方法）演变为一个混合网络，该网络由数字交换机、数字“骨干网”（通常由光纤组成的长途干线）和模拟“本地环路”（从中心局到客户场所的连接）组成。许多互联网服务提供商（ISP）和其他数据服务也使用完全数字连接来访问PSTN，通常使用T1或T3线路或光纤电缆。当模拟传输发生在单个本地环路中时，调制解调器信号可以以超过28.8 Kbps的速度发送。研究人员在1990年代中期发现，在没有任何数据压缩的情况下，PSTN可以支持高达56 Kbps的下行速率和33.6 Kbps的上行速率。对于上行传输（用户到中心局），这个速率只需要使用V.34标准的传统QAM。为了减少下行方向（即从中心局到用户）由于较高速率在低频处造成的衰减和失真，信号必须进行“频谱整形”（改变频域表示以匹配信道的频率损伤）。

对于 56 Kbps 调制解调器，ITU 于 1998 年批准了 V.90 标准。所有 V.90 调制解调器都是“速率自适应的”，因为不同的规则和信道限制可能会限制准确的比特率。ITU 最终于 2000 年接受了 V.92 调制解调器标准，该标准比 V.90 标准提高了上行数据速率。V.92 标准使用虚拟数字环路进行拨号连接到 ISP。预编码技术将上行数据速率提高到 40 Kbps 以上，在发送端而不是接收端均衡信道。V.92 标准的下行数据路径保持了 V.90 标准的 56 Kbps。

有线调制解调器

有线调制解调器通过连接到用户所在位置的有线电视系统，通常连接到互联网服务提供商（ISP），从而实现通过有线电视系统进行双向数据传输。通常，一条以10或100 Mbps线速运行的以太网连接将有线调制解调器连接到计算机或路由器。有线电视网络通过有线调制解调器终端系统（CMTS）连接到互联网，该CMTS位于有线电视系统的“前端”或中央分发点。由于有线调制解调器系统与有线电视系统并行运行，因此必须仔细选择上行（用户到CMTS）和下行（CMTS到用户）频率，以避免干扰电视信号。

直到20世纪90年代中期，互联网使用率大幅提高，有线电视业务运营商也大量整合，双向功能在有线电视系统中并不常见。1995年，有线调制解调器首次投放市场。起初，所有调制解调器都不兼容，但随着有线电视运营商的整合，制定标准变得必要。1997年，北美和南美的有线电视运营商团体制定了数据通过有线电视服务接口规范（DOCSIS）。DOCSIS 1.0标准为单个用户提供了基本的双向数据连接，下行速度为27-56 Mbps，上行速度高达3 Mbps。1999年，首批DOCSIS 1.0调制解调器上市。同年发布的DOCSIS 1.1标准引入了VoIP（互联网语音协议）功能。这使得通过有线电视网络进行电话通信成为可能。DOCSIS 2.0于2002年推出，并由ITU标准化为J.122，提供了约30 Mbps的改进上行数据速度。

每个DOCSIS 1.0有线调制解调器都使用QAM在六兆赫兹的电视频道上进行下行传输。所有有线调制解调器都在混合同轴光纤分支上同时发送和接收数据。在两兆赫兹的信道中，上行数据使用正交相移键控（QPSK）或QAM调制以突发形式发送。通过调整载波信号的相位以匹配发送的信息，相移键控（PSK）允许数字数据传输。在使用二进制相移键控时，载波采用+90°和-90°相位发送一位数据；而在使用QPSK时，载波采用+45°、+135°、-45°和-135°相位发送两位数据。所有用户必须共享可用带宽，因为有线电视分支是一个共享信道。因此，有线调制解调器的实际吞吐量取决于分支上的流量；随着更多用户使用系统，每个用户的总吞吐量会下降。通过缩短单个光纤同轴分支的总长度，有线电视提供商可以在其网络上处理更多数据流量。

DSL调制解调器

如语音带调制解调器发展一节所述，通过本地电话环路可传输的最有效数据速率约为 56 Kbps。这假定本地环路仅用于直接 PSTN 连接。然而，如果数字信息旨在通过电话以外的网络进行交换，则使用数字技术可以通过本地环路传输远大于此的数据速率。数字用户线路 (DSL) 系统是这些完全数字技术的统称。

20世纪80年代创建的ISDN（综合业务数字网）是第一个DSL。在世界许多地方，ISDN系统都在使用中。尽管它们也可以通过适配卡提供64或128 Kbps的互联网接入，但它们通常用于提供数字电话服务。然而，ISDN并非总是用于互联网连接，因为这些数据速率并不比56 Kbps V.90语音带调制解调器提供的明显更高。

大约在 1990 年，HDSL——高比特率 DSL——利用了 ISDN 的部分相同技术而创建。为了通过两对双绞线传输 1.544 Mbps，HDSL 采用了 2B1Q 调制。实际上，HDSL 系统以与 T1 相当的低成本为消费者提供电话中心局的接入。ISDN 和 HDSL 系统的上行和下行数据速率相同，这意味着它们是对称的。

在 20 世纪 90 年代初，异步 DSL，也称为 ADSL，最初是为通过本地电话线提供的视频点播服务而开发的。与 HDSL 或 ISDN 不同，ADSL 旨在提供比上行数据速率更高的下行数据速率——因此得名“异步”。尽管传统的电话服务也与数据连接同时提供，但 ADSL 网络最常用于为互联网服务提供商 (ISP) 提供高速接入。为了提供更有效的互联网连接，DSL 接入复用器（DSLAM）在本地电话公司对通过 ADSL 系统传输的数据包进行统计复用。

ITU 于 1999 年标准化了两个 ADSL 系统。最初的系统 G.991.1 或 G.DMT 要求下行数据传输速率高达 8 Mbps，上行数据传输速率高达 864 Kbps。调制技术名为离散多音 (DMT)，它在许多小载波中的每个载波上使用 QAM 调制来传输数据（如前文语音带调制解调器发展部分所述）。根据信道情况，DMT 调制可以通过改变所用载波的数量来实现速率自适应。G.991.1 系统要求在客户所在地安装一个“分离器”来过滤和隔离模拟语音信道和高速数据信道。为了节省雇佣技术人员安装分离器的成本，创建了第二个 ADSL 标准，即 G.991.2、G.lite 或无分离器 ADSL。这个双重标准也采用 DMT 调制以达到与 G.991.1 相同的速率。家中每个电话机都必须安装用户可安装的滤波器，而不是分离器。