數據機

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數據機（modem，modulator-demodulator的縮寫），暱稱小烏龜、魔電、貓，是一個將數位訊號調變到類比信號上進行傳輸，並解調收到的類比信號為數位訊號的電子設備。它的目標是產生能夠方便傳輸的類比信號並且能夠通過解碼還原原來的數位訊號。根據不同的應用場合，數據機可以使用不同的方法來傳送類比信號，比如使用光纖，射頻無線電或電話線等。

使用普通電話線音訊波段進行數據通信的電話數據機是人們最常接觸到的數據機。

其他常見的數據機還包括用於寬帶數據接入的有線電視電纜數據機、ADSL數據機和光纖數據機。數位式行動電話實際上也是一種無線方式的數據機。現代電信傳輸設備是為了在不同的介質上遠距離的傳輸大量資訊，因此也都以數據機的功能為核心。其中，微波數據機速率可以達上百萬比特每秒；而使用光纖作為傳輸介質的光數據機可以達到幾十Gbps以上，是現在電信傳輸的骨幹。

## 歷史

數據機起初是為1950年代的美軍半自動地面防空系統（Semi-Automatic Ground Environment，簡稱SAGE）研製，用來連接不同基地的終端，雷達站和指令控制中心到美國和加拿大的SAGE指揮中心。SAGE運行在專用線路上，但是當時兩端使用的設備跟今天的數據機根本不是一回事。IBM是SAGE系統中電腦和數據機的供貨商。幾年後美國航空的執行長與IBM一位區域經理的一次會晤促使「mini-SAGE」這種航空自動訂票系統。在這系統中，一個位於票務中心的終端連接在中心電腦上，用來管理機票有效性和時間。這個系統，叫做Sabre，是今天SABRE系統的早期原型。

1960年代早期，商業電腦的應用逐漸普及，加上上述技術成果，1962年，AT&T發布了第一個商業化數據機Bell 103。使用兩個音調表示1和0的移頻鍵控技術，103已經能夠實現300 bps的傳輸速度。很短時間後繼版本Bell 212就研製出來，轉移到更穩定的移相鍵控技術把數據速率提高到1200 bps。類似Bell 201的系統用雙向信號集在4對專用線路上實現了2400 bps。

賀氏智能數據機是一個重大的進步，1981年由賀氏通訊研製成功。最早的智能數據機是一個300 bps數據機，使用Bell 103通信協定標準，並內置了一個微控制器，可以讓電腦發送命令來控制電話線，例如摘機、撥號、重撥、掛機等功能。這些指令被廣為沿用，並逐漸擴充，被稱為海斯指令集（Hayes command set）。

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在智能數據機之前，幾乎所有的數據機都需要兩個步驟來產生一個連接：第一步，人工在電話機上撥叫對方的號碼，然後將聽筒放在數據機附帶的聲音耦合器（acoustic coupler）裡，一個用兩個橡膠杯組成的用來在聲音信號和電信號之間轉換的設備。使用智能數據機除了不需要聲音耦合器，更重要的是直接將數據機連接在標準電話線或插座上。然後電腦就能自動完成接通電話並撥叫號碼的功能。這個改變極大的簡化了電子佈告欄系統（BBS）的安裝和使用。

到1980年代數據機的速率一直沒有多大變化。美國一般使用一種與貝爾212類似的2400 bps的系統，而歐洲的系統稍有差別。到1980年代晚期大多數數據機都能支持當時所有的標準，2400 bps逐漸普及。大量特定用途的標準也被加了進來，通常都是使用高速信道接受低速信道發送，典型的例子就是法國的Minitel系統，使用者終端大部分時間都在接受資訊。Minitel終端的數據機用1200 bps接受數據75 bps發送命令反饋給伺服器。

## 原理

一般用於傳輸語音的頻率範圍是300—3400Hz，為了進行人聲訊號在電話系統中傳輸，在線路上給它分配一定的帶寬，國際標準取4KHz為一個標準的頻帶寬度。

在這個傳輸過程中，語音訊號以300—3400Hz頻率輸入，發送方的電話機把這個語音信號轉變成類比信號，這個類比信號經過一個頻分多路復用器進行變化，使得線路上可以同時傳輸多路類比信號，當到達接收端以後再經過一個解調的過程把它恢復到原來的頻率範圍的類比信號，再由接收方電話機把類比信號轉換成聲音信號。

電腦內的資訊是由「0」和「1」組成數位信號，而在電話線上傳輸的卻只能是類比信號，所以在電話線上傳輸數據，就必須將數位信號變換成類比訊號。

- 調製就是用基帶脈衝對載波波形某個參數進行控制，形成適合於線路傳送的信號。
- 解調就是當已調製信號到達接收端時，將經過調製器變換過的類比信號去掉載波恢復成原來的基帶數位信號。
- 採用數據機也可以把音訊信號轉換成較高頻率的信號和把較高頻率的信號轉換成音訊信號。所以調製的另一目的是便於線路復用，以便提高線路利用率。
- 基於載波信號的三個主要參數，可以把調製方式分為三種：調幅、調頻和調相。

## 回聲抑止

回聲抑止是數據機設計中的另一個主要進步。一般來說電話系統要發送一個小的聲音信號到講話方的聽筒，這樣就告訴說話方聲音正在傳送。然而同樣的信號會干擾數據機，使它分不清信號到底是自己發的還是對方發的。這也是為什麼把頻率分割頻率給應答和原聲；如果接受的頻率跟自己相同就可以簡單的忽略掉。通過改進電話系統可以允許更高的速度，分離的可用電話信號帶寬依然受到數據機強制半速限制。

數據機設計的最主要的進步是1990年代晚期推出的56 kbps標準。這個標準類似於更早的1980年代被使用者拒絕的高度／低速系統，但是隨著網際網路使用的普及稍微的犧牲一點速度換來使用性被逐漸接受。

## 描述

### 窄頻

今天標準的數據機在1980年被命名為「智慧數據機」。主要由兩個重要的部分組成：模擬部分用來產生信號和操作電話；數字部分用來設置和控制。這兩部分實際上集成進一塊晶片，只是理論上還是分開來說明。

數據機實際上工作在2種「模式」：數據模式時通過電話線發送或者接受數據給電腦；命令模式 時數據機監聽從電腦發來的命令數據並發送出去。一個典型的會話開始於經過自動假定設置的上電（一般是內置類型），然後數據機開始撥出一個電話號碼用來連接遠程的另一個數據機。連接成功之後數據機自動進入數據模式，可以收發數據了。當使用者使用完了，在大約1秒的暫停之後發送逸出序列「+++」，數據機就轉入命令模式，發送命令掛機。這樣處理有一個問題就是。數據機並不真的知道一個字串是命令還是數據。已知的解決方法，例如，可以使用轉義字符來解決連續「+++」的情況。

自1200 bps開始，在這裡波特和位元每秒有所區別的系統被實作出來。波特指的是系統的信號速率，300 bps的數據機每個信號發送1位數據，所以數據速率和信號速率是一致的。1200 bps的系統就不是這樣了，實際數據機工作在600波特。這導致了80年代BBS上一系列的激烈爭論。

幾乎所有的現代數據機都可以作為傳真機使用。1980年代開始的數位化傳真只是一種特定的圖像格式，通過高速數據機（4800/9600/14400 bps）來傳送。電腦中的傳真軟體可以轉換任何圖像為數據機可以發送的傳真格式。這種軟體開始曾經需要另外購買，現在已經十分的普遍了。

Winmodem或者軟體數據機，是一個為Windows系統簡化的數據機，它用軟體實現了部分硬體的功能。在這種情況下電腦內置的聲音硬體（音效卡）用來產生數據機模擬部分的聲音信號。另外的問題就是WinModems因為只能在過於依賴特定作業系統而缺乏靈活性，可能不會被其他作業系統（例如Linux）所支持，因為他們的製造商可能既不支持其他作業系統也不提供足夠的技術支持和驅動程序。如果他們的驅動程序沒有集成進系統的驅動程序庫，後續的微軟Windows系統可能也不會（或者不能很好的）支持Winmodem。

今天的現代語音數據機（ITU-T V.92標準）已經十分接近公共電話網（PSTN）電話信道的香農信道容量（Shannon capacity）。它們都是即插即用的傳真／數據／語音數據機（廣播語音資訊和錄音，音訊響應）。

### 無線數據機

不同的無線數據機有不同的類型，不同的帶寬和速度。無線數據機經常分成透明和智能兩類。他們傳送經過調製到載波頻率上的資訊，這樣有很多無線通訊鏈路就可以在相同或者不同的無線頻率工作。

透明數據機運行類似於他們的表親電話線數據機。典型的，他們是半雙工的，這就意味著他們不能同時發送和接受數據。另外典型的特點是，透明數據機循環可以收集位於分散位置而又不容易布設線路的地方的數據。透明數據機一般用於公司有效地匯集數據。

智能數據機內置介質訪問控制器來避免因衝突和重發引起的未正確接受數據產生隨機數據。智能數據機因此較之普通透明數據機需要額外的帶寬，特別的還要更多的無線頻率帶寬。IEEE 802.11標準包含了一個近程數據機標準，大規模應用於全球的網路。無線數據機被用於Wi-Fi或者WiMax標準。

### 寬頻

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DSL（數碼使用者迴路）數據機，是通過銅線或者本地電話網提供數碼連接的一種技術。

- ADSL（非對稱使用者數字線路）數據機，俗稱寬頻貓，主要區別在於它不止局限在普通電話使用的語音載波的頻段。現在的ADSL數據機使用編碼正交頻分調變。
- VDSL（超高速數位使用者迴路）數據機，允許用戶端利用現有銅線獲得高頻寬服務，而不必採用光纖，VDSL和ADSL一樣。

線纜數據機（cable modem）使用的是射頻（RF）電視頻道的一段載波頻段。多個線纜數據機可以使用一條電視電纜的相同頻段，通過低水平介質訪問協議來實現在同一通道共同工作。典型常的「上行」和「下行」信號用頻分復用來隔離。

新型的寬頻數據機也開始普及了，例如雙路衛星和電力線數據機。

### 光學數據機

光學數據機（英語：Optical modem）或光modem，中國大陸俗稱光貓，指通過光纖介質傳輸信號，並將光信號調製解調為其他信號的數據機。常見於光纖到戶的設備。

## 網際網路訪問

提起數據機很多人就會聯想到網路訪問。加利福尼亞大學洛杉磯分校於2001年的調查顯示81.3%的美國網民使用電話數據機，11.5%的網民使用線纜數據機，數量遠超過其他方法。

但是寬頻服務的日趨完善給寬頻數據機提供廣闊的市場空間。特別是ADSL在歐洲和亞洲的安裝數量一直保持旺盛的增長。1 Mbps以上的連接越來越多的取代窄帶的撥號方式。

在中國，由於電話線路密集，為避免干擾，通訊電纜無法在一根電纜承載過多的ADSL信號。因此電信運營商提供更多的接入方式，例如單純的IP網路或者電力線等，甚至無線手機也加入到接入服務的競爭中。在2024年，中國的主要城市已幾乎不再使用傳統數據機進行網際網路接入，而是隨著FTTH方式的普及更多使用光纖數據機（在中國大陸地區俗稱為「光貓」）。