光学调制解调器

**數據機**（英語：modem，**mo**dulator-**dem**odulator 的縮寫）俗稱**貓**，或是**魔電**，是一個將數位訊號調變到類比訊號上進行傳輸，並解調收到的類比訊號為數位訊號的電子裝置。它的目標是產生能夠方便傳輸的類比訊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訊號，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資料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頻資料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。現代電信傳輸裝置是為了在不同的媒介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位元每秒；而使用光纖作為傳輸媒介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 執行在專用線路上，但是當時兩端使用的裝置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資料速率提高到 1200 bps。 類似 Bell 201 的系統用雙向訊號集在 4 對專用線路上實現了 2400 bps。

賀氏智慧型數據機（Hayes Smartmodem）是一個重大的進步，1981 年由賀氏通訊研製成功。最早的智慧型數據機是一個 300 bps 數據機，使用 Bell 103 通信協定標準，並內建了一個微控制器，可以讓電腦傳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）。

在智慧型數據機之前，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訊號和電訊號之間轉換的裝置。使用智慧型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援當時所有的標準，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傳送，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 接受資料 75 bps 傳送命令回饋給伺服器。

## 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，線上路上給它分配一定的頻寬，國際標準取 4KHz 為一個標準的頻頻寬度。

在這個傳輸過程中，語音訊號以 300—3400Hz 頻率輸入，傳送方的電話機把這個語音訊號轉變成類比訊號，這個類比訊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訊號，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訊號，再由接收方電話機把類比訊號轉換成聲音訊號。

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

* 調製就是用基頻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訊號。
* 解調就是當已調製訊號到達接收端時，將經過調製器變換過的類比訊號去掉載波恢復成原來的基頻數位訊號。
* 採用數據機也可以把音訊訊號轉換成較高頻率的訊號和把較高頻率的訊號轉換成音訊訊號。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。
* 基於載波訊號的三個主要參數，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傳送一個小的聲音訊號到講話方的聽筒，這樣就告訴說話方聲音正在傳送。然而同樣的訊號會干擾數據機，使它分不清訊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，分離的可用電話訊號頻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「智慧型數據機」。主要由兩個重要的部分組成：類比部分用來產生訊號和操作電話；數字部分用來設定和控制。這兩部分實際上整合進一塊晶片，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」：**資料模式**時通過電話線傳送或者接受資料給電腦；**命令模式** 時數據機監聽從電腦發來的命令資料並行送出去。一個典型的對談開始於經過自動假定設定的上電（一般是內建類型） ，然後數據機開始撥出一個電話號碼用來連接遠端的另一個數據機。連接成功之後數據機自動進入資料模式，可以收發資料了。當使用者使用完了，逸出序列，「+++」跟在大約 1 秒的暫停之後，數據機就轉入命令模式，傳送命令掛機。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資料。已知的解決方法，例如，可以使用跳脫字元來解決連續「+++」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。波特指的是系統的訊號速率，300 bps 的數據機每個訊號傳送 1 位資料，所以資料速率和訊號速率是一致的。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傳送的傳真格式。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建的聲音硬體（音效卡）用來產生數據機類比部分的聲音訊號。 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）所支援，因為他們的製造商可能既不支援其他作業系統也不提供足夠的技術支援和驅動程式。如果他們的驅動程式沒有整合進系統的驅動程式庫，後續的微軟 Windows 系統可能也不會（或者不能很好的）支援 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）。它們都是隨插即用的傳真／資料／語音數據機（廣播語音資訊和錄音，音訊回應）。

### 無線數據機

不同的無線數據機有不同的類型，不同的頻寬和速度。 無線數據機經常分成透明和智慧型兩類。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。

透明數據機執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傳送和接受資料。另外典型的特點是，透明數據機迴圈可以收集位於分散位置而又不容易布設線路的地方的資料。透明數據機一般用於公司有效地匯集資料。

智慧型數據機內建媒介存取控制器來避免因衝突和重發引起的未正確接受資料產生亂數據。智慧型數據機因此較之普通透明數據機需要額外的頻寬，特別的還要更多的無線頻率頻寬。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

**DSL (數位使用者迴路) 數 據機是一種數據機**是通過銅線或者本地電話網提供數位連接的一種技術。

ADSL（非對稱使用者數字線路）數據機也是一種數據機，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) 資料機也是一種數據機，**VDSL 允許使用者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）也是一種數據機。它使用的是射頻（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，通過低水平媒介存取協定來實現在同一通道共同工作。典型常的「上行」和「下行」訊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**，中國俗稱**光貓，**指通過光纖媒介傳輸訊號，並將光訊號調製解調為其他訊號的數據機。常見於光纖到戶的裝置。

## 網際網路存取

提起數據機很多人就會聯想到網路存取。加利福尼亞大學洛杉磯分校於 2001 年的調查顯示 81.3% 的美國網友使用電話數據機，11.5% 的網友使用線纜數據機，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頻的撥號方式。

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 訊號。因此電信業者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。

## 參看

* 調製 (調製技術列表)
* TCP/IP
* 撥號連線

## 參考文獻