调制解调器

调制解调器（英语：Modem，modulator-demodulator的英文缩写）是一个将数字信号调变到模拟信号上进行传输，并解调收到的模拟信号以得到数字信号的电子设备。它的目标是产生能够方便传输的模拟信号并且能够通过解码还原原来的数字信号。根据不同的应用场合，调制解调器可以使用不同的手段来传送模拟信号，比如使用光纤，射频无线电或电话线等。使用普通电话线音频波段进行数据通信的电话调制解调器是人们最常接触到的调变解调器。在口语中，根据英语发音，很多人取首音节将电话调变解调器称为“猫”，或是称为“魔电”。其他常见的调制解调器还包括用于宽带数据接入的有线电视电缆调制解调器、ADSL调制解调器和光纤调制解调器。数字式移动电话实际上也是一种无线方式的调制解调器。现代电信传输设备是为了在不同的介质上远距离的传输大量信息，因此也都以调制解调器的功能为核心。其中，微波调制解调器速率可以达上百万比特每秒；而使用光纤作为传输介质的光调制解调器可以达到几十Gbps以上，是现在电信传输的骨干。调制解调器起初是为1950年代的美军半自动地面防空系统（Semi-Automatic Ground Environment（英语：Semi-Automatic Ground Environment），简称SAGE）研制，用来连接不同基地的终端，雷达站和指令控制中心到美国和加拿大的SAGE指挥中心。 SAGE运行在专用线路上，但是当时两端使用的设备跟今天的调制解调器根本不是一回事。IBM是SAGE系统中计算机和调制解调器的供货商。几年后美国航空的首席执行官与IBM一位区域经理的一次会晤促使“mini-SAGE”这种航空自动订票系统。在这系统中，一个位于票务中心的终端连接在中心电脑上，用来管理机票有效性和时间。这个系统，叫做Sabre，是今天SABRE系统的早期原型。1960年代早期，商业计算机的应用逐渐普及，加上上述技术成果，1962年，AT&T发布了第一个商业化调制解调器Bell 103。使用两个音调表示1和0的移频键控技术，103已经能够实现300 bps的传输速度。很短时间后继版本Bell 212就研制出来，转移到更稳定的移相键控技术把数据速率提高到1200 bps。 类似Bell 201的系统用双向信号集在4对专用线路上实现了2400 bps。贺氏智能调制解调器（Hayes Smartmodem（英语：Hayes Smartmodem））是一个重大的进步，1981年由贺氏通讯研制成功。最早的智能调制解调器是一个300 bps调制解调器，使用Bell 103通信协议标准，并内置了一个微控制器，可以让计算机发送命令来控制电话线，例如摘机、拨号、重拨、挂机等功能。这些指令被广为沿用，并逐渐扩展，被称为海斯指令集（Hayes command set）。在智能调制解调器之前，几乎所有的调制解调器都需要两个步骤来产生一个连接：第一步，人工在电话机上拨叫对方的号码，然后将听筒放在调制解调器附带的声音耦合器（acoustic coupler）里，一个用两个橡胶杯组成的用来在声音信号和电信号之间转换的设备。使用智能调制解调器除了不需要声音耦合器，更重要的是直接将调制解调器连接在标准电话线或插座上。然后电脑就能自动完成接通电话并拨叫号码的功能。这个改变极大的简化了电子布告栏系统（BBS）的安装和使用。到1980年代调制解调器的速率一直没有多大变化。美国一般使用一种与贝尔212类似的2400 bps的系统，而欧洲的系统稍有差别。到1980年代晚期大多数调制解调器都能支持当时所有的标准，2400 bps逐渐普及。大量特定用途的标准也被加了进来，通常都是使用高速信道接受低速信道发送，典型的例子就是法国的Minitel系统，用户终端大部分时间都在接受信息。Minitel终端的调制解调器用1200 bps接受数据75 bps发送命令反馈给服务器。一般用于传输语音的频率范围是300—3400Hz，为了进行人声讯号在电话系统中传输，在线路上给它分配一定的带宽，国际标准取4KHz为一个标准的频带宽度。在这个传输过程中，语音讯号以300—3400Hz频率输入，发送方的电话机把这个语音信号转变成模拟信号，这个模拟信号经过一个频分多路复用器进行变化，使得线路上可以同时传输多路模拟信号，当到达接收端以后再经过一个解调的过程把它恢复到原来的频率范围的模拟信号，再由接收方电话机把模拟信号转换成声音信号。电脑内的信息是由“0”和“1”组成数位信号，而在电话线上传输的却只能是模拟信号，所以在电话在线传输数据，就必须将数位信号变换成模拟信号。回声抑止是调制解调器设计中的另一个主要进步。一般来说电话系统要发送一个小的声音信号到讲话方的听筒，这样就告诉说话方声音正在传送。然而同样的信号会干扰调制解调器，使它分不清信号到底是自己发的还是对方发的。这也是为什么把频率分割频率给应答和原声；如果接受的频率跟自己相同就可以简单的忽略掉。通过改进电话系统可以允许更高的速度，分离的可用电话信号带宽依然受到调制解调器强制半速限制。调制解调器设计的最主要的进步是1990年代晚期推出的56 kbps标准。这个标准类似于更早的1980年代被用户拒绝的高度／低速系统，但是随着互联网使用的普及稍微的牺牲一点速度换来使用性被逐渐接受。今天标准的调制解调器在1980年被命名为“智能调制解调器”。主要由两个重要的部分组成：模拟部分用来产生信号和操作电话；数字部分用来设置和控制。这两部分实际上集成进一块芯片，只是理论上还是分开来说明。调制解调器实际上工作在2种“模式”：数据模式时通过电话线发送或者接受数据给计算机；命令模式 时调制解调器监听从计算机发来的命令数据并发提交去。一个典型的会话开始于经过自动假定设置的上电（一般是内置类型） ，然后调制解调器开始拨出一个电话号码用来连接远程的另一个调制解调器。连接成功之后调制解调器自动进入数据模式，可以收发数据了。当用户使用完了，逸出序列，“+++”跟在大约1秒的暂停之后，调制解调器就转入命令模式，发送命令挂机。这样处理有一个问题就是。调制解调器并不真的知道一个字符串是命令还是数据。已知的解决方法，例如，可以使用转义字符来解决连续“+++”的情况。自1200 bps开始，在这里波特和比特每秒有所区别的系统被实作出来。波特指的是系统的信号速率，300 bps的调制解调器每个信号发送1位数据，所以数据速率和信号速率是一致的。1200 bps的系统就不是这样了，实际调制解调器工作在600波特。这导致了80年代BBS上一系列的激烈争论。几乎所有的现代调制解调器都可以作为传真机使用。1980年代开始的数字化传真只是一种特定的图像格式，通过高速调制解调器（4800/9600/14400 bps）来传送。计算机中的传真软件可以转换任何图像为调制解调器可以发送的传真格式。这种软件开始曾经需要另外购买，现在已经十分的普遍了。Winmodem或者软件调制解调器，是一个为Windows系统简化的调制解调器，它用软件实现了部分硬件的功能。在这种情况下计算机内置的声音硬件（声卡）用来产生调制解调器模拟部分的声音信号。 另外的问题就是WinModems因为只能在过于依赖特定操作系统而缺乏灵活性，可能不会被其他操作系统（例如Linux）所支持，因为他们的制造商可能既不支持其他操作系统也不提供足够的技术支持和驱动程序。如果他们的驱动程序没有集成进系统的驱动程序库，后续的微软Windows系统可能也不会（或者不能很好的）支持Winmodem。今天的现代语音调制解调器（ITU-T V.92标准）已经十分接近公共电话网（PSTN）电话信道的香农信道容量（Shannon capacity）。它们都是即插即用的传真／数据／语音调制解调器（广播语音信息和录音，音频响应）。不同的无线调制解调器有不同的类型，不同的带宽和速度。 无线调制解调器经常分成透明和智能两类。他们传送经过调制到载波频率上的信息，这样同时有很多无线通讯链路就可以在相同或者不同的无线频率工作。透明调制解调器运行类似于他们的表亲电话线调制解调器。典型的，他们是半双工的，这就意味着他们不能同时发送和接受数据。另外典型的特点是，透明调制解调器循环可以收集位于分散位置而又不容易布设线路的地方的数据。透明调制解调器一般用于公司有效地汇集数据。智能调制解调器内置介质访问控制器来避免因冲突和重发引起的未正确接受数据产生随机数据。智能调制解调器因此较之普通透明调制解调器需要额外的带宽，特别的还要更多的无线频率带宽。IEEE 802.11标准包含了一个近程调制解调器标准，大规模应用于全球的网络。无线调制解调器被用于Wi-Fi或者WiMax标准。DSL (数字用户回路)数 据机是一种调制解调器是通过铜线或者本地电话网提供数字连接的一种技术。ADSL（非对称用户数字线路）调制解调器也是一种调制解调器，俗称宽带猫主要区别在于它不止局限在普通电话使用的语音载波的频段。 现在的ADSL调制解调器使用编码正交频分调变。.VDSL (超高速数字用户回路) 数据机也是一种调制解调器，VDSL允许客户端利用现有铜线获得高带宽服务而不必采用光纤。VDSL和ADSL一样，线缆调制解调器（cable modem）也是一种调制解调器。它使用的是射频（RF）电视频道的一段载波频段。多个线缆调制解调器可以使用一条电视电缆的相同频段，通过低水平介质访问协议来实现在同一通道共同工作。典型的“上行”和“下行”信号用频分复用来隔离。新型的宽带调制解调器也开始普及了，例如双路卫星和电力线调制解调器。提起调制解调器很多人就会联想到网络访问。洛杉矶加利福尼亚大学于2001年的调查显示81.3%的美国网民使用电话调制解调器，11.5%的网民使用线缆调制解调器，数量远超过其他方法。但是宽带服务的日趋完善给宽带调制解调器提供广阔的市场空间。特别是ADSL在欧洲和亚洲的安装数量一直保持旺盛的增长。1 Mbps以上的连接越来越多的取代窄带的拨号方式。在中国，由于电话线路密集，为避免干扰，通讯电缆无法在一根电缆承载过多的ADSL信号。因此电信运营商提供更多的接入方式，例如单纯的IP网络或者电力线等，甚至无线手机也加入到接入服务的竞争中。