【作者註：這是作者1999年為少年兒童出版社《十萬個為什麼》寫的稿。

ｍｏｄｅｍ是第一代的家庭上網工具，利用電話線的語音通道傳輸數字信號，使得計算機能與外界相連接。

現在的網蟲們，有幾個還記得“小貓”ｍｏｄｅｍ的？可是當年的ｍｏｄｅｍ凝聚了幾乎所有數字通信研究的前沿結論，一個dB，甚至零點幾個dB地向香農極限靠攏。那種“十年磨一劍”的做法，恐怕也是後無來者了。真希望能寫一本ｍｏｄｅｍ歷史的書。】

 在選購調製解調器(modem)時，我們會注意到產品最重要的指標之一是速度．速度通常是以比特／秒（ｂｉｔ／ｓ）或千比特／秒來度量的．例如，２千比特／秒或２０００比特／秒表示調製解調器每秒鐘能傳送２０００位二進制數．調製解調器的速度越快，我們上網或交換文件就越方便．大約二十年前調製解調器剛問世時，速度是３００比特／秒．現在，市場上常見的是３３．６千比特／秒和５６千比特／秒．那麼，調製解調器的速度是由什麼決定的，在將來還會增加嗎？

通訊所能達到的最大速度，是由發送和接收方之間的媒介（稱為信道，ｃｈａｎｎｅｌ）決定的．比如我們說話，其溝通的速度就取決於我們能講得多快（每分鐘幾個音節），和每個音節能表達多少意思．如果房間的回聲很厲害，我們就不能講得太快，否則前後發的音就會混在一起了．這種＂回聲＂效應在通訊中用＂頻率響應＂來度量．另一方面，如果周圍的噪聲很大而我們又不能再提高音量，那我們就應避免使用聲音相近的音節，以免被聽錯．這就減少了每個音節所能表達的意思．在通訊中，用＂信噪比＂來度量噪聲對信號的影響．信道的頻率響應和信噪比是影響通訊速度的重要參數．

當然，在同一個信道，通訊速度還與所用的方式有關．仍以說話為例，我們可以選擇適當的表達方式，使得聽者即使聽錯了一些音節，仍然能明白我們說的意思．這也許需要更多的音節來表達同樣意思，但由於我們可接受一定的錯誤率而減小了上面說到的信道影響，最終的通訊速度可能反而增加了．這在通訊中叫作編碼技術．編碼的好壞直接影響到通訊速度，而編碼技術的選擇又與信道特徵密切相關．

１９４８年，貝爾實驗室的科學家香農創立了通訊的數學理論，其中提出了根據一個信道的頻率相應和信噪比計算傳輸速度極限的方法．只有所用速度低於這個極限，我們才能無錯誤地傳送數據．但是至今人們還沒有達到這一極限的一般方法．對每一個具體的信道，我們必須找到適當的方法糾正信號傳送中的失真，並通過編碼來發現和糾正由於噪聲造成的錯誤．隨着這些技術的不斷改進，數據傳送的速度也就得以不斷提高，從最初的３００比特／秒到１２００，２４００，９６００，１４４００，１９２００比特／秒等．對電話線來說，目前達到的３３．６千比特／秒已經很接近香農極限了．

那麼，我們又如何能超越香農極限而達到５６千比特／秒的速度呢？這是利用了電話線路的特殊性．當今絕大多數的電話網絡都是數字式的．用戶的語音或調製解調器的信號都是連續變化的電壓，稱為模擬信號．在通常情況下，它通過普通的電話線（稱為本地環）送到電話分局（ＣＥＮＴＲＡＬ　ＯＦＦＩＣＥ）．在分局的數字交換機（ＤＩＧＩＴＡＬ　ＳＷＩＴＣＨＩＮＧ　ＳＹＳＴＥＭ）上，這些電壓被轉換成數字信號（稱為量化），再通過分局之間的數字網傳到受話者所在的分局．在那裡，這些數字信號再被還原成模擬信號，通過本地環傳給受話者．上述的量化過程是不很精確的．在電話系統中，每個模擬信號只被量化成８位二進制數．也就是說，系統中有２５６（２的８次方）個預設的電壓值，每個對應於一個８位數．量化時，交換機根據用戶送來的模擬信號，送出與之最接近的預設值所對應的數字．而最終受話者得到的，就是這個預設值．所以，用戶實際發送的電壓與交換機所選預設值之間的差別就成了信道中的誤差或噪聲，稱為量化噪聲．這種設計對語音傳送是比較理想的，但對傳統的調製解調器（３３．６千比特／秒）來說，量化噪聲就構成了信道噪聲的主要來源，從而限制了調製解調器的最高速度．

而５６千比特／秒的技術則不同【注】．這種技術要求通訊的一方直接接入數字電話網．通常這是網絡服務提供商（ＩＳＰ）．而我們用戶則通過本地環接入電話網．在下傳（ｄｏｗｎｌｉｎｋ）方向（從ＩＳＰ到用戶方向），發送方直接將數據送入數字電話網，而不經過量化．這樣就沒有量化噪聲．用戶的調製解調器只要根據所收到的模擬信號判明分局交換機發送的是那一個預設值，就能得到所要接收的數據．而在上傳（ｕｐｌｉｎｋ）方向（用戶到ＩＳＰ），仍然要量化，所以也仍採用傳統的技術，最大速度為３１．２千比特／秒．因為大多數用戶很少上傳大的文件，這種非對稱的安排是較合適的．

可見，我們之所以能在下傳方向達到高速度，是因為所用的信道與以前不同了．這並不違反香農的理論．由於電話網內部給每個用戶的容量是６４千比特／秒，我們又需要犧牲一些速度來補償本地環上的信道失真，５６千比特／秒的速度也幾乎達到了這種技術的極限．

需要注意的是５６千比特／秒的速度並不是隨處都能達到的．首先，它只適用於對方是直接接入數字網的情形，而且只是在下傳方向．其次，在電話的數字和模擬線路中，有很多因素會使我們達不到最高速度．通常，能達到四十幾千比特／秒就很不錯了．相比之下，傳統的調製解調器達到其最高速度的可能性比較大些．

由上所述，目前調製解調器的速度已接近電話系統能力的極限．再要進一步提高，就需要使用語音以外的頻率範圍，比如採用ＩＳＤＮ，ＤＳＬ等技術．這些技術都需要在交換機一方變更目前的設備．

另外，用戶要注意的是，調製解調器的標示速度並不等於實際的文件傳送速度．首先，調製解調器會根據線路質量自動選擇最優速度，並不總是使用最高速度．其次，網絡其他部分的情況，如英特網的速度，ＩＳＰ及被尋訪站點的負荷，以及計算機與調製解調器之間接口的速度等，都會影響最終的傳送速度．另外，所傳送的文件的可壓縮性也是一個重要因素．所以，要完全了解上網線路的性能，還需要很多細緻的分析．

【注】作者後記：這裡說的是V.90標準的技術。後來還有V.92標準，上行和下行都採用類似的消除量化噪聲的技術。但v.92在本文首發時尚未成熟。