调制解调器的工作原理

“modem”（调制解调器）一词是“modulator-demodulator”（调制器-解调器）的缩写。调制解调器通常用于通过电话线发送数字数据。

发送调制解调器将数据调制成与电话线兼容的信号，接收调制解调器将信号解调回数字数据。无线调制解调器将数字数据转换成无线电信号，然后再转换回来。

调制解调器出现在20世纪60年代，作为一种允许终端通过电话线连接到计算机的方式。典型配置如下所示

在这种配置中，异地办公室或商店的哑终端可以“拨号”连接到大型中央计算机。20世纪60年代是分时计算机的时代，因此企业通常会从分时设施购买计算机时间，并通过300比特/秒（bps）的调制解调器连接到它。

哑终端只是一个键盘和一个屏幕。当时非常常见的哑终端被称为DEC VT-100，它成为了当时的标准（现在在全球范围内的终端模拟器中被纪念）。VT-100可以显示25行，每行80个字符。当用户在终端上输入一个字符时，调制解调器会将该字符的ASCII码发送给计算机。然后计算机再将该字符发回给计算机，使其显示在屏幕上。

当个人计算机在20世纪70年代末开始出现时，公告板系统（BBS）变得非常流行。一个人会设置一台带有一两个调制解调器和一些BBS软件的计算机，其他人则会拨号连接到公告板。用户会在他们的计算机上运行终端模拟器来模拟哑终端。

人们在300 bps的速度下运行了相当长一段时间。这种速度之所以可以忍受，是因为300 bps大约代表每秒30个字符，这比一个人打字或阅读每秒能处理的字符多得多。然而，一旦人们开始向公告板系统传输大型程序和图像，300 bps就变得无法忍受了。调制解调器速度大约每两年经历一次系列提升

（有关调制解调器技术发展和当前速度的更多信息，请查阅《DSL的工作原理》和《有线调制解调器的工作原理》。）

我们将以300 bps调制解调器作为起点，因为它们非常容易理解。300 bps调制解调器是一种使用频率偏移键控（FSK）通过电话线传输数字信息的设备。在频率偏移键控中，不同的音调（频率）用于表示不同的比特（有关音调和频率的讨论，请参阅《吉他的工作原理》）。

当终端的调制解调器拨打计算机的调制解调器时，终端的调制解调器被称为发起调制解调器。它传输1,070赫兹的音调表示0，传输1,270赫兹的音调表示1。计算机的调制解调器被称为应答调制解调器，它传输2,025赫兹的音调表示0，传输2,225赫兹的音调表示1。由于发起调制解调器和应答调制解调器传输不同的音调，它们可以同时使用线路。这被称为全双工操作。一次只能在一个方向传输的调制解调器被称为半双工调制解调器，它们很罕见。

假设连接了两个300 bps调制解调器，并且终端用户输入字母“a”。该字母的ASCII码是十进制的97或二进制的01100001（有关二进制的详细信息，请参阅《位和字节的工作原理》）。终端内部的一个名为UART（通用异步收发器）的设备将字节转换为其比特，并通过终端的RS-232端口（也称为串口）一次发送一个比特。终端的调制解调器连接到RS-232端口，因此它一次接收一个比特，其任务是通过电话线发送它们。

为了制造更快的调制解调器，调制解调器设计者不得不使用远比频率偏移键控更复杂的技??术。他们首先转向了相移键控（PSK），然后是正交幅度调制（QAM）。这些技术允许将大量信息塞入普通语音级电话线提供的3,000赫兹带宽中。56K调制解调器在除了绝对完美的线路外，实际连接速度约为48 Kbps，这大约是这些技术的极限（更多信息请参阅本文末尾的链接）。

所有这些高速调制解调器都包含逐渐降级的概念，这意味着它们可以测试电话线，如果线路无法处理调制解调器的最快速度，就会回退到较低的速度。

调制解调器演进的下一步是非对称数字用户线（ADSL）调制解调器。使用“非对称”一词是因为这些调制解调器在一个方向上的数据发送速度快于另一个方向。ADSL调制解调器利用了这样一个事实：任何普通的家庭、公寓或办公室都有一根专用铜线连接到电话公司最近的多路复用器或中心局。这根专用铜线可以承载比电话语音通道所需的3,000赫兹信号多得多的数据。如果电话公司的中心局和您的房屋都配备了ADSL调制解调器，那么您的房屋与电话公司之间的铜线部分就可以作为纯粹的数字高速传输通道。在理想条件下，家庭与电话公司之间的容量约为1兆比特每秒（Mbps）（上行），电话公司与家庭之间的容量为8 Mbps（下行）。同一条线路可以同时传输电话通话和数字数据。

ADSL调制解调器采用的方法原则上非常简单。电话线在24,000赫兹到1,100,000赫兹之间的带宽被分成4,000赫兹的频段，每个频段分配一个虚拟调制解调器。这249个虚拟调制解调器中的每一个都会测试其频段，并尽力利用其分配到的带宽。这249个虚拟调制解调器的总和就是该通道的总速度。

（有关最新DSL技术的信息，请参阅《DSL的工作原理》。）

­如今，没有人再使用哑终端或终端模拟器连接到单个计算机。相反，我们使用调制解调器连接到互联网服务提供商（ISP），而ISP将我们连接到互联网。互联网允许我们连接到世界上的任何机器（详见《Web服务器和互联网的工作原理》）。由于您的计算机、ISP和互联网之间的关系，发送单个字符已不再合适。相反，您的调制解调器正在您和您的ISP之间路由TCP/IP数据包。

通过调制解调器路由这些数据包的标准技术称为点对点协议（PPP）。其基本思想很简单——您的计算机的TCP/IP协议栈正常形成其TCP/IP数据报，然后这些数据报被交给调制解调器进行传输。ISP接收每个数据报并将其适当地路由到互联网。将数据从ISP传输到您的计算机也发生同样的过程。有关PPP的更多信息，请参阅此页面。

如果您想了解更多关于调制解调器、协议的信息，特别是如果您想更深入地研究PSK和QAM等内容，请查阅下一页的链接！