调制解调器

定义

调制解调器是兼有调制与解调两种功能的信号变换设备，其英文 modem 即由调制器（modulator）与解调器（demodulator）缩合而成^[2][5]。在数据通信体系中，它被归入数据电路终端设备，位置处于数据终端设备与传输线路之间，负责信号变换与编码^[6]。

调制解调器并不等于全部网络接入设备：它承担的是数模转换这一层工作，地址分配、多设备共享等任务通常由 路由器 等设备完成^[7]。传输速率是其核心指标，单位为每秒比特数（bit/s，常写作 bps）。

原理

传统电话线路按传输人声设计，可用频带约为 300 赫兹到 3400 赫兹，国际标准以一个 4 千赫的标准话路作为带宽单位。计算机内部处理的是由 0 和 1 构成的数字信号，若直接送入这种信道会产生严重失真，因此必须把数字信号搬移到话路允许的音频频段之内。

调制是用基带脉冲去控制载波的某个参量，使输出波形适合线路传送；解调则是在接收端去掉载波，恢复原来的基带数字信号。按载波被控制的参量不同，基本调制方式分为调幅、调频、调相三类。早期电话调制解调器多用频移键控或差分相移键控，每个符号只承载 1 至 2 个比特；宽带调制解调器则普遍采用正交幅度调制，同时改变载波的幅度与相位，使每个符号携带更多比特^[1]。

设备内部通常由基带处理、调制解调、信号放大与滤波、均衡等部分构成，发送支路把数字脉冲变为已调模拟信号，接收支路把模拟信号还原为数字脉冲^[7]。由于两端需按同一套调制方法工作，通信双方的设备必须遵循相同规范，国际电信联盟电信标准化部门为此制定了一系列建议书^[6][1]。

flowchart LR

A[计算机 数字信号] --> B[调制器]

B --> C[模拟信号 经电话线/同轴电缆传输]

C --> D[解调器]

D --> E[计算机 数字信号]

发展历程

调制解调器的早期研制与 20 世纪 50 年代的半自动地面防空系统（SAGE）有关，该系统用此类设备把不同基地的终端、雷达站与指挥中心连到指挥中心，国际商业机器公司（IBM）是其计算机与调制解调器的供货方。1958 年，AT&T 推出首个商用调制解调器 Bell 103，采用频移键控以两个音调表示 1 和 0，速率 300 bit/s；随后 Bell 212 改用相移键控，把速率提高到 1200 bit/s。

1981 年贺氏通讯研制出智能调制解调器，内置小型控制器，可由计算机发送命令完成摘机、拨号、重拨、挂机等操作，不再需要把听筒放进声耦合器，这使电子公告板系统的安装与使用大为简化。整个 20 世纪 80 年代，速率提升有限，2400 bit/s 的系统到该年代末才逐渐普及。

1990 年代速率演进明显加快，14.4 kbit/s、28.8 kbit/s、33.6 kbit/s 的产品相继出现^[8]。56K 调制解调器起初存在 X2 与 K56flex 两种互不兼容的方案，1998 年 2 月国际电信联盟就统一的 56K 标准达成技术共识，即后来的 V.90，该建议书于 1998 年 9 月获批，规定下行最高 56000 bit/s、上行最高 33600 bit/s^[9][10]。

进入宽带时期，国际电信联盟于 1999 年 7 月通过 G.992.1 建议书，规范了非对称数字用户线（ADSL）的收发设备，在同一对铜双绞线上把语音频段留给电话、把高频段用于数据，最低下行 6.144 Mbit/s、上行 640 kbit/s^[11][12]。此后光纤到户逐步普及，具备光电信号转换功能的 光调制解调器 在 2010 年代取代铜线调制解调器成为家庭接入终端。

应用

在拨号上网阶段，调制解调器是计算机接入公用电话交换网的必备设备，用户经电话线拨号连到网络服务提供商，另一端也有调制解调器把音频信号还原为数据^[3]。设备形态包括插在主板扩展槽上的内置式、经串口连接的外置式、面向笔记本的 PC 卡式，以及电信机房集中安放的机架式^[13]。

ADSL 调制解调器通常配有一个 RJ-11 电话线接口和一个 RJ-45 以太网接口，并与信号分离器配合使用：分离器把线路上的音频信号送往电话交换机，把高频数字信号送入调制解调器，从而在打电话的同时保持数据连接^[14]。有线电视网络则使用电缆调制解调器，它只占用某个频段传输数据，其余频段仍可传送电视信号，用户还可获得独立地址^[4][13]。

在光纤接入场景中，光网络终端部署在用户侧，把局端经光分配网送来的光信号转为以太网电信号，反向则把用户数据调制成光信号回传，并可同时承载上网、网络电视与固定语音等业务^[15]。除民用接入外，调制解调器也用于卫星通信、电力与工业监控等专线数据链路^[2]。

局限

调制解调器的能力受信道带宽与线路质量约束。56K 产品的速率已接近话路信道理论上限，传统设备使用人耳可分辨的频率传输数据，速率因此偏低^[14]。ADSL 的性能随铜线环路长度下降，距离市话局约 5 至 6 千米以上往往难以维持服务，桥接抽头与线对间串扰也会削弱高频信号^[16]。

拨号调制解调器占用话路时，同一条电话线无法同时通话；即便 ADSL 借助频分方式实现了语音与数据共用一对线，仍受铜介质容量限制^[4][17]。此外，调制解调器本身只完成信号变换，不承担路由、地址分配与多终端共享，多设备上网仍需额外的网关设备；光网络终端在术语上也常被笼统称作调制解调器，严格说其调制对象是光信号，与传统话路调制解调器并不相同^[7]。

参见

• 路由器 —— 负责在网络间选择路径并让多台设备共享一条接入线路的设备

• 光调制解调器 —— 在光纤接入中完成光电信号转换的用户侧终端

• 非对称数字用户线 —— 利用电话铜双绞线高频段传输数据的宽带接入技术

• 正交幅度调制 —— 同时改变载波幅度与相位、提高每符号比特数的调制方式

• 数据电路终端设备 —— 调制解调器在数据通信体系中所属的设备类别