精选
【作者注：这是作者1999年为少年儿童出版社《十万个为什么》写的稿。
ｍｏｄｅｍ是第一代的家庭上网工具，利用电话线的语音通道传输数字信号，使得计算机能与外界相连接。
现在的网虫们，有几个还记得“小猫”ｍｏｄｅｍ的？可是当年的ｍｏｄｅｍ凝聚了几乎所有数字通信研究的前沿结论，一个dB，甚至零点几个dB地向香农极限靠拢。那种“十年磨一剑”的做法，恐怕也是后无来者了。真希望能写一本ｍｏｄｅｍ历史的书。】
在选购调制解调器(modem)时，我们会注意到产品最重要的指标之一是速度．速度通常是以比特／秒（ｂｉｔ／ｓ）或千比特／秒来度量的．例如，２千比特／秒或２０００比特／秒表示调制解调器每秒钟能传送２０００位二进制数．调制解调器的速度越快，我们上网或交换文件就越方便．大约二十年前调制解调器刚问世时，速度是３００比特／秒．现在，市场上常见的是３３．６千比特／秒和５６千比特／秒．那么，调制解调器的速度是由什么决定的，在将来还会增加吗？
通讯所能达到的最大速度，是由发送和接收方之间的媒介（称为信道，ｃｈａｎｎｅｌ）决定的．比如我们说话，其沟通的速度就取决于我们能讲得多快（每分钟几个音节），和每个音节能表达多少意思．如果房间的回声很厉害，我们就不能讲得太快，否则前后发的音就会混在一起了．这种＂回声＂效应在通讯中用＂频率响应＂来度量．另一方面，如果周围的噪声很大而我们又不能再提高音量，那我们就应避免使用声音相近的音节，以免被听错．这就减少了每个音节所能表达的意思．在通讯中，用＂信噪比＂来度量噪声对信号的影响．信道的频率响应和信噪比是影响通讯速度的重要参数．
当然，在同一个信道，通讯速度还与所用的方式有关．仍以说话为例，我们可以选择适当的表达方式，使得听者即使听错了一些音节，仍然能明白我们说的意思．这也许需要更多的音节来表达同样意思，但由于我们可接受一定的错误率而减小了上面说到的信道影响，最终的通讯速度可能反而增加了．这在通讯中叫作编码技术．编码的好坏直接影响到通讯速度，而编码技术的选择又与信道特征密切相关．
１９４８年，贝尔实验室的科学家香农创立了通讯的数学理论，其中提出了根据一个信道的频率相应和信噪比计算传输速度极限的方法．只有所用速度低于这个极限，我们才能无错误地传送数据．但是至今人们还没有达到这一极限的一般方法．对每一个具体的信道，我们必须找到适当的方法纠正信号传送中的失真，并通过编码来发现和纠正由于噪声造成的错误．随着这些技术的不断改进，数据传送的速度也就得以不断提高，从最初的３００比特／秒到１２００，２４００，９６００，１４４００，１９２００比特／秒等．对电话线来说，目前达到的３３．６千比特／秒已经很接近香农极限了．
那么，我们又如何能超越香农极限而达到５６千比特／秒的速度呢？这是利用了电话线路的特殊性．当今绝大多数的电话网络都是数字式的．用户的语音或调制解调器的信号都是连续变化的电压，称为模拟信号．在通常情况下，它通过普通的电话线（称为本地环）送到电话分局（ＣＥＮＴＲＡＬ ＯＦＦＩＣＥ）．在分局的数字交换机（ＤＩＧＩＴＡＬ ＳＷＩＴＣＨＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ）上，这些电压被转换成数字信号（称为量化），再通过分局之间的数字网传到受话者所在的分局．在那里，这些数字信号再被还原成模拟信号，通过本地环传给受话者．上述的量化过程是不很精确的．在电话系统中，每个模拟信号只被量化成８位二进制数．也就是说，系统中有２５６（２的８次方）个预设的电压值，每个对应于一个８位数．量化时，交换机根据用户送来的模拟信号，送出与之最接近的预设值所对应的数字．而最终受话者得到的，就是这个预设值．所以，用户实际发送的电压与交换机所选预设值之间的差别就成了信道中的误差或噪声，称为量化噪声．这种设计对语音传送是比较理想的，但对传统的调制解调器（３３．６千比特／秒）来说，量化噪声就构成了信道噪声的主要来源，从而限制了调制解调器的最高速度．
而５６千比特／秒的技术则不同【注】．这种技术要求通讯的一方直接接入数字电话网．通常这是网络服务提供商（ＩＳＰ）．而我们用户则通过本地环接入电话网．在下传（ｄｏｗｎｌｉｎｋ）方向（从ＩＳＰ到用户方向），发送方直接将数据送入数字电话网，而不经过量化．这样就没有量化噪声．用户的调制解调器只要根据所收到的模拟信号判明分局交换机发送的是那一个预设值，就能得到所要接收的数据．而在上传（ｕｐｌｉｎｋ）方向（用户到ＩＳＰ），仍然要量化，所以也仍采用传统的技术，最大速度为３１．２千比特／秒．因为大多数用户很少上传大的文件，这种非对称的安排是较合适的．
可见，我们之所以能在下传方向达到高速度，是因为所用的信道与以前不同了．这并不违反香农的理论．由于电话网内部给每个用户的容量是６４千比特／秒，我们又需要牺牲一些速度来补偿本地环上的信道失真，５６千比特／秒的速度也几乎达到了这种技术的极限．
需要注意的是５６千比特／秒的速度并不是随处都能达到的．首先，它只适用于对方是直接接入数字网的情形，而且只是在下传方向．其次，在电话的数字和模拟线路中，有很多因素会使我们达不到最高速度．通常，能达到四十几千比特／秒就很不错了．相比之下，传统的调制解调器达到其最高速度的可能性比较大些．
由上所述，目前调制解调器的速度已接近电话系统能力的极限．再要进一步提高，就需要使用语音以外的频率范围，比如采用ＩＳＤＮ，ＤＳＬ等技术．这些技术都需要在交换机一方变更目前的设备．
另外，用户要注意的是，调制解调器的标示速度并不等于实际的文件传送速度．首先，调制解调器会根据线路质量自动选择最优速度，并不总是使用最高速度．其次，网络其他部分的情况，如英特网的速度，ＩＳＰ及被寻访站点的负荷，以及计算机与调制解调器之间接口的速度等，都会影响最终的传送速度．另外，所传送的文件的可压缩性也是一个重要因素．所以，要完全了解上网线路的性能，还需要很多细致的分析．
【注】作者后记：这里说的是V.90标准的技术。后来还有V.92标准，上行和下行都采用类似的消除量化噪声的技术。但v.92在本文首发时尚未成熟。
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自欧阳峰科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-309766-729701.html?mobile=1
收藏
