调制解调器
| “调制解调器”的各地常用名称 | |
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| 中国大陆 | 调制解调器、猫[1] |
| 台湾 | 数据机、魔电、小乌龟[2][3] |
| 港澳 | 数据机 |
| 网际网路协议套组 |
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| 应用层 |
| 传输层 |
| 网路层 |
| 连结层 |
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| 调变方式 | |||||||||||||||
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| 连续调变 | |||||||||||||||
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| 脉冲调变 | |||||||||||||||
| 模拟 | PAM · PDM · PPM | ||||||||||||||
| 数字 | PCM · PWM | ||||||||||||||
| 扩频 | |||||||||||||||
| CSS · DSSS · THSS · FHSS | |||||||||||||||
| 另见 | |||||||||||||||
| 调变 · 线路码 · 调制解调器 · ΔΣ调变 · OFDM · FDM | |||||||||||||||
调制解调器（英语：modem，modulator-demodulator的缩写），昵称小乌龟[2]、魔电[4]、猫[1]，是一个将数字信号调变到类比信号上进行传输，并解调收到的类比信号为数位讯号的电子设备[5]。它的目标是产生能够方便传输的类比信号并且能够通过解码还原原来的数位讯号。根据不同的应用场合，数据机可以使用不同的方法来传送类比信号，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数据机是人们最常接触到的调制解调器。
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。数位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。
历史
[编辑]数据机起初是为1950年代的美军半自动地面防空系统（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数据机根本不是一回事。IBM是SAGE系统中计算机和数据机的供货商。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数据机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。
贺氏智能数据机（Hayes Smartmodem）是一个重大的进步，1981年由贺氏通讯研制成功。最早的智能数据机是一个300 bps数据机，使用Bell 103通信协定标准，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，并逐渐扩充，被称为海斯指令集（Hayes command set）。
在智能数据机之前，几乎所有的数据机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，然后将听筒放在数据机附带的声音耦合器（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。使用智能数据机除了不需要声音耦合器，更重要的是直接将数据机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年代数据机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年代晚期大多数数据机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终端的数据机用1200 bps接受数据75 bps发送命令反馈给服务器。
原理
[编辑]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类比信号，这个类比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类比信号，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类比信号，再由接收方电话机把类比信号转换成声音信号[6]。
电脑内的资讯是由“0”和“1”组成数位信号，而在电话线上传输的却只能是类比信号，所以在电话线上传输数据，就必须将数位信号变换成类比讯号。
- 调制就是用基带脉冲对载波波形某个参数进行控制，形成适合于线路传送的信号。
- 解调就是当已调制信号到达接收端时，将经过调制器变换过的类比信号去掉载波恢复成原来的基带数位信号。
- 采用数据机也可以把音频信号转换成较高频率的信号和把较高频率的信号转换成音频信号。所以调制的另一目的是便于线路复用，以便提高线路利用率。
- 基于载波信号的三个主要参数，可以把调制方式分为三种：调幅、调频和调相。
回声抑止
[编辑]回声抑止是数据机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数据机，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数据机强制半速限制。
数据机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。
描述
[编辑]窄频
[编辑]今天标准的数据机在1980年被命名为“智慧数据机”。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。
数据机实际上工作在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 时数据机监听从计算机发来的命令数据并发送出去。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） ，然后数据机开始拨出一个电话号码用来连接远程的另一个数据机。连接成功之后数据机自动进入数据模式，可以收发数据了。当用户使用完了，在大约1秒的暂停之后发送逸出序列“+++”，数据机就转入命令模式，发送命令挂机。这样处理有一个问题就是。数据机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，在这里波特和位元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的数据机每个信号发送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，实际数据机工作在600波特。这导致了80年代BBS上一系列的激烈争论。
几乎所有的现代数据机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，通过高速数据机（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数据机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系统简化的数据机，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）用来产生数据机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。
今天的现代语音数据机（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／语音数据机（广播语音信息和录音，音频响应）。
无线数据机
[编辑]不同的无线调制解调器有不同的类型，不同的带宽和速度。 无线数据机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。
透明数据机运行类似于他们的表亲电话线数据机。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，透明数据机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。透明数据机一般用于公司有效地汇集数据。
智能数据机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。智能数据机因此较之普通透明数据机需要额外的带宽，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。
宽带
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DSL（数码用户回路）数据机，是通过铜线或者本地电话网提供数码连接的一种技术。
- ADSL（非对称用户数字线路）数据机，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数据机使用编码正交频分调变。
- VDSL（超高速数位用户回路） 数据机，允许用户端利用现有铜线获得高频宽服务，而不必采用光纤，VDSL和ADSL一样，
线缆调制解调器（cable modem）使用的是射频（RF）电视频道的一段载波频段。多个线缆数据机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。典型常的“上行”和“下行”信号用频分复用来隔离。
新型的宽带数据机也开始普及了，例如双路卫星和电力线调制解调器。
光学调制解调器
[编辑]光学调制解调器（英语：Optical modem）或光modem，中国俗称光猫，指通过光纤介质传输信号，并将光信号调制解调为其他信号的调制解调器。常见于光纤到户的设备。
互联网访问
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提起数据机很多人就会联想到网络访问。加利福尼亚大学洛杉矶分校于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。在2024年，中国的主要城市已几乎不再使用传统调制解调器进行互联网接入，而是随着FTTH方式的普及更多使用光纤调制解调器（在中国大陆地区俗称为“光猫”）。
参看
[编辑]参考文献
[编辑]- ^ 1.0 1.1 辉达家电维修论坛 立民家维 (PDF). [2015-09-25]. （原始内容 (PDF)存档于2015-09-25）.
- ^ 2.0 2.1 PCuSER研究室. 密技偷偷報【密】字第陸拾號. PCuSER电脑人文化 (电脑人文化事业股份有限公司). 2011-10-30: 88. ISBN 9789861993102.
数据机一般被昵称为“小乌龟”
- ^ 蔡庆龙. 【產業研究報告】 WiFi射頻IC商機-立積. 钜亨网. 2022-12-27. （原始内容存档于2023-02-23）.
- ^ 寬頻上網導覽. [2015-09-25]. （原始内容存档于2015-09-25）.
- ^ 數據機的認識與安裝. [2015-09-25]. （原始内容存档于2015-10-07）.
- ^ 第十章_调制解调器. [2015-09-25]. （原始内容存档于2021-07-13）.
