第11章调制解调器new.docx
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第11章调制解调器new
第11章调制解调器
11.1异步调制解调器
如果用户想要连接到Internet上，调制解调器是通往其他计算机世界的一条途径。
过去的相当长的一段时间里，调制解调器是PC系统标准配置设备。
对于目前没有使用宽带的用户来说，调制解调器仍然是必须的。
调制解调器（Modem）一词（来自调制器MOdulator/解调器DEModulator）从本质上描述了一种将计算机使用的数字数据转换为适应于通过电话线进行传输的模拟信号，以及将模拟信号在目标站转换回数字数据的设备。
为了将进行模拟信号和数字信号转换的调制解调器与其他设备区分开来，我们所说的调制解调器通常是指模拟调制解调器。
典型的PC调制解调器是异步设备，意味着它是通过小信息包的断续流来发送数据的。
接收系统将获取信息包中的数据，并且将数据重新组合为计算机可以使用的形式。
注意即使对于不太熟练的计算机用户来说，“调制解调器”也已经成为很熟悉的术语了.严格地说，这个术语已经常常表示一些不是调制解调器的设备了。
本章后面所讲的最新的电缆调制解调器、DSL调制解调器、ISDN调制解调器等，它们都没有进行数字数据到模拟信号的转换；然而，由于这些设备与标准的调制解调器类似，主要用来连接PC与Internet或其他网络，因而它们也称为数字调制解调器。
异步调制解调器将数据的每个字节作为分开的信息包来单独发送。
同步调制解调器一般被用在租用线路中，这一类型的调制解调器在本章所覆盖的范围之外。
在所有形式的异步通信中都需要一个标识一次传输开始的开始位（通常是一位），和一个表示传输结束的停止位。
现在几乎所有的异步连接都因此被简写为N-8-1（无奇偶校验/8个数据位/1个停止位）。
每个参数的含义以及它们可能的变化如下所示：
·奇偶校验：
在错误纠正协议成为标准的调制解调器功能之前，一种简单的奇偶校验机制被用来提供软件级的基本错误检查。
现在，奇偶校验几乎不再被使用，该参数的值差不多总是被设置为无。
用户也许会在通信软件包中看到的其他可能的奇偶校验值是奇校验、偶校验、标记校验和空格校验。
·数据位：
该参数表示在信息包（不计起止位）的数据部分实际传送的比特数。
PC一般使用8个数据位，但是有些类型的计算机使用7比特字节，其他计算机也许需要其他的数据长度。
通信程序提供有该选项，以防系统将停止位与数据位相混淆。
·停止位：
该参数表示附加在每个字节上的停止位的数量。
PC一般使用1个停止位，但是其他类型的协议也许需要使用1.5或2个停止位。
在大多数情况下，用户从来不需要手动修改这些参数，但是几乎总是提供有这类控制。
例如在Windows9x/Me/2000/XP中，如果打开“调制解调器”控制面板，并查看调制解调器“属性”对话框的“连接”属性页，就可以看见“数据位”、“奇偶校验”和“停止位”选择器。
11.2模拟调制解调器
11.2.1调制解调器协议
如果两个调制解调器之间要进行通信，那么它们必须共用相同的协议。
协议是一种规约，它决定了两个实体进行通信的方式。
就像人类必须共用一种共同的语言和词汇来相互交谈一样，两台计算机或两个调制解调器必须共用共同的协议。
当使用调制解调器时，协议决定了设备从计算机的数字数据转换而来的模拟信号的属性。
经过这些年以后，出现了许多关于调制解调器通信的协议，其中大部分都是由双边委员会开发，被几乎所有调制解调器厂商所接受的。
随着硬件技术的改进，调制解调器通信已经变得速度更快、效率更高，利用硬件性能优势的新标准不断被开发出来。
对于那些无法享受宽带服务或支付不起宽带连接费用的计算机用户来说，调制解调器仍然是十分有用的设备。
注意协议一词也被用耒描述在不同计算机之间必须创建的支持计算机进行通信的软件标准，例如TCP/IP。
贝尔实验室和CCITT是两个已经提出了调制解调器标准的团体。
CCITT（ConsultativeCommitteeOnInternationalTelephoneandTelegraphy）是国际电报电话咨询委员会，该组织在20世纪90年代早期被改名为国际电信同盟（ITU），但是在老名称下推出的协议仍使用原有的名称。
新近开发的协议都被称为ITU-T标准，这些标准被称为ITU电信标准化部分。
虽然贝尔实验室的几种老标准仍在使用中，但是贝尔实验室已不再推出新的调制解调器标准。
在近年制造的调制解调器都遵照由CCITT开发的标准。
ITU是一个由技术专家组成的国际化实体，它负责开发全球的数据通信标准，其总部设在瑞士日内瓦。
该组织被归为联合国的分支机构，其成员包括来自主要调制解调器厂商、电信公司（例如AT&T）以及政府团体的代表。
ITU在许多领域创建了通信标准和协议，所以一个调制解调器根据其不同的特点和性能，经常要遵守许多不同的协议。
调制解调器协议可以分组为下列3个领域（参见表11-1）：
表11-1调制解调器协议
调制
纠错
数据压缩
Bell103
ITUV.42
ITUV.42bis
Bell212A
ITUV.44
CCITTV.21
ITUV.22bis
ITUV.29
ITUV.32
ITUV.32bis
ITUV.34
ITUV.90
ITUV.92
不同的公司（不是贝尔或ITU）已经开发了其他协议。
即使这些公司中的大多数将其协议的全部规约印刷出来，以便其他厂商可以开发使用这些协议的调制解调器，这些协议有时还是被称为专用协议。
表11-2显示了这些年来已经通用了的专用协议中的一部分：
表11-2调制解调器专用协议
调制
纠错
数据压缩
HST
MNP1-4
MNP5CSP
K56flex
HayesV系列
X2
为了保持向后兼容，调制解调器厂商一般都不仅对它们开发的新协议提供支持，并仍旧保留对老协议的支持。
调制解调器厂商过去常常声称其产品是Hayes兼容的，这个词组已经像谈到PC时说IBM兼容一样没有意义了。
现在调制解调器厂商改为说他们支持标准AT命令集，这也就是Hayes兼容的意思。
AT命令是由软件发送给调制解调器来激活调制解调器的功能的正文串。
例如，跟随有电话号码的ATDTS命令将使调制解调器以音频拨号方式来拨打该号码。
使用调制解调器的应用程序一般都会为用户生成AT命令，但是用户可以使用终端模式的通信程序，乃至是DOSECHO命令来直接控制调制解调器。
以下对几个在调制解调中的一些概念进行简要介绍
11.2.2比特与波特率
当讨论调制解调器的传输速度时，波特率和比特率这两个术语经常被混淆。
波特率（是以法国人EmileBaudot的名字命名的，这个法国人是异步印字电报机的发明者）是信号在两台设备之间1秒钟内变化的速率。
例如，如果两个调制解调器之间的一个信号每秒能够以300次的速率来改变频率或相位，那么可以说该设备以300波特的速率通信。
因此，波特是信号发送速率，而不是数据传输速率。
每一波特发送的比特数被用来决定实际的数据传输速率，比特率的单位是bps或Kbps，即每秒多少（千）位。
有时一个单一的调制变化被用来传送1个单一的比特。
在这种情况下，300波特就等于300bps。
如果每次信号变化调制解调器可以发送2个比特的数值，那么bps速率等于波特率的2倍，或者说每300波特等于600bps。
大多数调制解调器每波特可以传输多个比特，所以实际的波特率比bps速率慢得多。
实际上，人们经常错误地使用波特这个术语。
我们一般感兴趣的不是原始的波特率，而是bps速率，这才是衡量通信速度的真正标准。
就像在表11-3中显示的一样，新的调制解调器在每次信号变化时可以发送多个比特的数值：
表11-3信号速率与传输速率
波特率
比特/波特
调制解调器实际的每秒传输位数
600
4
2400
2400
4
9600
2400
6
14400
3200
9
28800
如前所述，波特率乘上每波特的比特数就可以决定调制解调器实际的传输速率。
因为在常规电话线上的速率很难达到2400波特，这就可以解释当电话线质量较差时28.8Kbps（28000bps）的调制解调器不能工作在19200bps以上的原因。
像大家随后将看到的，没有使用前面提到的波特来说明所谓56Kbps的调制解调器，因为这种调制解调器以完全不同的方式进行工作。
11.2.3调制与解调
调制解调器的工作是从调制开始的，它是调制解调器使用的电子信号方法（从调制到解调）。
调制是将一种信号经过编码加载到第二种信号上，使第二种信号发生了改变，以便进行传输的过程，而解调正好是这一过程的反过程。
调制与解调通常都做在一个设备中，所以我们日常所使用的调制解调器，既包含调制器，也包含解调器。
对于将计算机连接到Internet上的调制解调器来说，就是将在计算机内部使用的数字数据（ON-OFF，1-0）转换为电话公司的线路上所使用模拟数据，因为这些线路已经修建了许多年，并没有为计算机的使用作考虑。
这就是调制解调器中的“调制”。
当模拟信号被其他计算机接收时，信号又被从模拟波形转换回数字数据（参见图11-1），这就是调制解调器中的解调。
图11-1用于连接两台计算机的调制解调器的调制与解调
11.2.4调制解调器的通信方式
目前所有的调制解调器协议（X2、K56flex、V.90、V.92、V.34和V.34annex）的通信方式都是全双工协议。
全双工协议指的是依照该协议能够以相同速率同时在两个方向进行通信。
例如电话通话就是全双工的，因为双方可以同时交谈。
在半双工模式中，通信可以在两个方向进行，但是每次只能传输一方的数据。
无线电呼叫中每次只有一方可以说话，是半双工通信的一个实例。
11.2.5调制解调器协议与传输速率
调制解调器所使用的协议，是两端的调制解调器自动处理的。
基本上来说，调制解调器采用的是对两者共同而言为最快的协议，而且将其方式降低为速率/协议组合，这样将使调制解调器工作在呼叫期间线路条件的限制之下。
表11-4列出了目前使用的调制解调器协议及其支持的最大速率。
表11-4现有的调制解调器调制标准和传输速率
协议
最大传输速率
ITUV.34
28800bps（28.8Kbps）
ITUV.34annex
33600bps（33.6Kbps）
X2
56000bps（56Kbps）
K56flex
56000bps（56Kbps）
ITUV.90
56000bps（56Kbps）①
ITUV.92
56000bps（56Kbps）①
①尽管ITUV.90（专有标准56Knex和X2的后继版本）和V92标准都支持该速率，但u.s.FCC（联邦通信委员会）目前只支持53000bps（53Kbps）的速率。
ITUV.90、V.34和V.32是目前常见的工业标准协议，新的V.92调制解调器也支持V.90。
非56Kbps的调制解调器能否获得115200bps以上的吞吐速率?
可以。
如果要达到115200bps的速率，那么需要比在现代PC串口中使用的16550系列串行芯片更好的UART芯片，而且要使用内置调制解调器。
16650UART带有32字节的缓冲器，而标准16550UART中使用的是16字节的缓冲器。
16650很少被使用在PC的内置串口中，而是作为内置调制解调器的一个部件，但是可以通过安装高速串口接口板来增加16650芯片（这也许需要禁用当前的COM端口）。
因此，如果要达到可能的最高速率，那么需要满足下列要求：
能够以230.4Kbps的吞吐量运行的外置调制解调器、连接调制解调器的串口（COM）上有16650UART芯片以及驱动调制解调器的合适软件。
注意，并不一定需要兼容56Kbps的调制解调器。
如果设备被设计为该速率，而且具有正确的UART芯片和驱动程序，那么使用从V.34bis到ISDN之类的调制解调器都可以实现230.4Kbps的连接。
但是与前面提到的低速吞吐速率一样，这些速率也只适用于还没有被压缩的数据。
由于USB端口的吞吐量较大，连接到USB端口的外部调制解调器速率可达115200bps。
因此，如果用户需要将外部调制解调器连接到计算机上，最好使用USB端口而不要用串口。
V.90
V.90是ITU-T指定的56Kbps通信标准，它协调了U.S.Robotics（3COM）×2和RockwellK56flex调制解调器规范之间的冲突。
V.92
V.92是ITU-T为V.90标准指定的升级版本，它比V.90建立握手连接更快，支持呼叫等待，上传速率也更快。
V.90和V.92是目前ISP支持的通信协议，现在任何一台调制解调器都至少应该支持V.90协议。
11.2.6纠错协议
纠错指的是一些调制解调器在传输过程中识别错误以及自动重发在转换中可能已经损坏的数据的能力。
虽然可以使用软件来完成纠错，但是这将给计算机的扩展总线和CPU增加额外的负担。
通过使用调制解调器中的专门硬件来实现纠错，任何数据错误在被传送到调制解调器的CPU之前，就可以被检测出并纠正。
与调制一样，两端的调制解调器必须遵守相同的纠错协议才能正常工作。
幸运的是，大多数调制解调器生产厂商都使用相同的纠错协议。
11.2.7数据压缩协议
数据压缩指的是在一些调制解调器中用来压缩所发送数据的内置功能，这样可以节省调制解调器用户的时间和金钱。
根据调制解调器所发送文件的类型，数据可以被压缩到其原始大小的四分之一，从而有效地将调制解调器的速度提高了4倍。
例如，带压缩的14400bps调制解调器可以得到高达57600bps的传输率，28800bps的调制解调器可以得到115200bps传输率，56000bps的调制解调器则高达224000bps（只当下载时）——至少在理论上。
这些都假定了调制解调器内置有V.42bis的数据压缩协议，而且数据不是被软件压缩的。
事实上，由数据压缩产生的更高的吞吐量只适用于网络上的HTML和纯文本文件。
图形文件以及压缩文件或可执行文件的档案文件，就像大多数PDF（AdobeArcobatReader）文件一样已经被压缩了。
11.2.856Kbps调制解调器
56Kbps限制
V.34annex的33.6Kbps速率一度被认为是异步调制解调器所能达到的极限速率。
然而，从1996年起，调制解调器生产商陆续推出了速率高达56Kbps的调制解调器。
这些所谓的“56K”或“56Kbps”调制解调器现在已经相当普及，而且突破33.6Kbps限制的方法也越来越多。
为了理解这些额外的速率是如何获得的，用户必须要清楚调制解调器的基本原理，即数字信号到模拟信号的转换。
正如用户所了解的，传统的调制解调器将数据从数字形式转换成模拟形式，使得数据可以通过公用交换电话网（PSTN）进行传输。
在目标系统方，另一个调制解调器将模拟数据转换回它的数字形式。
这些从数字到模拟以及从模拟回到数字的转换将引起一些速率丢失。
即使电话线物理上能够以56Kbps或更高的速率传输数据，但是因为需要进行转换，所以有效的最高速率为33.6Kbps。
一个名叫Shannon的人提出了一条法则（Shannon法则），该法则认为经由PSTN传输时，最大可能的无错数据通信速率大约是35Kbps，根据现场的噪声略有不同。
但是Shannon法则假定的是在两个调制解调器之间是全模拟的连接。
而现在大多数情况并非如此。
在市区，信号在到达电话公司的中心局（CO）之前都是数字式的。
CO将它们转换成了模拟信号再发送到用户家中。
考虑到电话系统主要是数字式的这个事实，在某些情况下，可以忽略最初的数/模转换，经由PSTN给接受方的CO发送全数字的信号。
所以，在此只需要1次数/模转换，而不再是2次或更多。
其结果是用户在理论上可以提高数据传输的速率，而且超过了Shannon法则规定的35Kbps，差不多达到了电话网络所支持的56Kbps的速率，但是只能在一个方向。
在新的ITUV.92标准出台之前，在另一个方向的传输仍然被限制为V.34所规定的最大速率33.6Kbps。
ITUV.92和V.44——突破上传速率限制
从最早的专用X2和K56flex到最终的ITUV90标准等56Kbps协议，将下载速率从以前最大的33.6Kbps提高到了56Kbps；但是，影响用户发送电子邮件、页面请求和文件传输快慢的上传速率却未因56Kbps技术的发展而有所改善，任何56Kbps协议的上传速率仍然限制在33.6Kbps上。
这就会对拨号用户或使用模拟调制解调器上传数据的用户（如单向宽带业务用户）造成严重的速率延迟。
现有的56Kbps技术还有一些缺点，如用户的调制解调器与远端调制解调器的握手连接建立时间较长，对呼叫等待特性缺少统一的支持等等。
2000年年中，ITU提出了一种针对连接和上传速度较慢等问题的多层面的解决方案，即V.92和V.44协议（V.92以前称为V.90Plus）。
从其名字可以看出，V.92是V.90协议的延续，任何支持V.92的调制解调器也支持V.90。
V.92没有增加最大的下载速率（56Kbps），但提供了以下主要特性：
·QuickConnect（快速连接）。
QuickConnect存储了电话线的特性，并在任何使用该电话线的时候使用这些存储的信息，从而减少了连接建立的时间。
对于那些多次从同一个地方连接到Internet上的用户来说，调制解调器建立连接的时间将从27秒钟降低到一半的时间。
但要注意，这种连接建立时间的减少只有在初始连接建立以后才会发生，这样才会存储其电话线特性以供以后使用。
·Modem-on-Hold（Modem保持）。
Modem-on-Hold特性允许用户接收来话，并且讲话时间可以比目前一些专用呼叫等待调制解调器允许的时间更长一些。
Modem-on-Hold使ISP能够控制用户接电话的时间，同时保持当前的调制解调器连接；该特性支持的最短时间为10秒，也允许更长的时间（甚至是无限长!
）。
M0dem-on-Hold也允许用户在不断开当前的调制解调器连接的情况下呼出电话。
与以前的专用解决方案类似，Modem-on-Hold也需要用户的电话线具有呼叫等待功能，并且需要ISP支持V.92的这种特性。
注意尽管Modem-on-Hold对于只有一根电话线的用户很有好处（因为这允许在一根电话线上同时处理来话和去话），但对于ISP来说并没有好处，因为当用户保持Intemet连接时，ISP的调制解调器不能接受别的请求。
如果ISP支持Modem-on-Hold，他们必须增加更多的调制解调器来保持服务质量。
之所以需要更多的调制解调器，是因为在有了Modem-on—Hold特性以后，ISP不能指望用户断开其Intemet连接来接收电话或往外打电话。
·PCMUpstream（PCM上传）。
PCMUpstream突破了33.6Kbps的上传速率，使上传最大速率可以达到48Kbps。
不过由于电源的问题，PCMUpstream会将下载速率降低1.3Kbps到2.7Kbps，甚至更多。
支持V.92的调制解调器一般也支持新的V.44数据压缩标准。
V.44代替了V.22bis，可以提供6:
1的压缩比，这比V.22bis提高了25％以上。
对于同样的连接速率，V.92/V.44调制解调器下载页面明显比V.90/V.42bis要快。
11.2.9调制解调器的使用
PC的调制解调器可以采用的有外部设备或内置扩展卡形式，其中外部设备大都是插在PC的串口或USB口上，带有自身的电源，内置扩展卡是插在计算机内部的总线插槽上。
大多数调制解调器厂家都生产同一种型号的内置和外置（RS-232串行或USB）式样。
图11-2从左到右依次展示了外置串口、USB口和内置扩展卡三种接口类型的调制解调器。
图11-2三种形式的调制解调器
因为外置式样包含有单独的外壳和电源，有时还需要购买串行调制解调器和USB电缆，所以要稍微贵一点。
内置调制解调器和外置调制解调器在功能上是相同的，但是关于用户使用何种类型的调制解调器的决定，取决于用户是否有空闲的总线插槽或者串口、是否有USB端口和Windows98/Me/2000/XP、在桌面上有多大空间、系统内部电源的容量，以及打开计算机机箱的方便与否。
外置调制解调器可以通过指示灯来提供视觉反馈，这些指示灯使得可以很方便地了解到调制解调器是否仍处于连接状态，以及是在发送还是接收数据。
但是现在的一些通信程序包含有这些指示灯在屏幕上的仿真，从而提供了相同的信息。
当然在其他一些状况中，内置调制解调器更优越。
为了防止用户计算机的串口上没有带缓冲器的UART芯片（例如16550），许多内置调制解调器在板上带有16550UART芯片。
这些调制解调器所带有的UART使得用户从将UART串口升级的烦恼中解脱出来。
同样，由于计算机串口的限制，外置56Kbps的调制解调器也许不能达到其最高速度。
而外置USB调制解调器或内置的使用PCI插槽的调制解调器可能更可取。
使用表11-5可以看出内置和外置调制解调器的对比。
表11-5外置调制解调器与内置调制解调器的对比
特性
外置调制解调器
内置调制解调器
是否固有UART芯片
无
有
价格比较
高
低
安装方便性
方便
困难
外接电源
需要（USBModem不需要）
不需要
被挂起时的复位
将调制解调器断电，再打开
重新启动计算机
对操作的监视
容易——外部信号灯
困难——除非通信软件仿真信号灯
常见接口类型
RS-232串口或USB端口
PCI或ISA
并不是所有以相同速度工作的调制解调器都具有相同的功能特性。
许多调制解调器厂家生产以相同速度运行的调制解调器，但是不同的功能设置有不同的价位。
越贵的调制解调器通常支持更高级的功能，例如独特的响铃支持、呼叫者ID、语音和数据、视频会议和呼叫等待支持。
如果用户生活在农村或者在老城区附近，那么电话线的质量可能会影响调制解调器的正常使用，劣质的线路将使得通信很难可靠，从而限制设备以33.6Kbps以上的速度进行连接的能力。
要考虑的另一种功能是调制解调器对电气损害的抵抗性。
一些品牌的调制解调器带有内置的电源保护，但是每个调制解调器都应当与电涌保护器一起使用，这样可以允许用户通过保护器来接通电话线，以防止高压电涌。
11.3常见宽带接入类型及相关数字调制解调器
用户经常需要下载一些大容量的升级软件和动态网站提供的音乐或全动作视频，在线服务的需求也越来越旺盛，但即使最快的模拟调制解调器也不能胜任这些沉重的业务。
所以，越来越多的用户开始垂青各种宽带Internet接入方案，常用的包括：
·DSL
·LAN
·CATV网络
·GPRS、CDMA1x
·ISDN
·电力线
·卫星通信
用户一般会获得上述接入服务中的一种，如果用户居住在大中型城市中，还可以享受两种以上的这种宽带业务。
本章以下的部分将着重讲述这些宽带接入方式及其技术。
11.3.1DSL
宽带Internet业务中，目前最普及的就是DSL（DigitalSubscriberLine，数字用户环路）。
它可以使用现有的简单老式电话服务（POTS）的模拟线路来提供高速的Internet访问。
并不是每种DSL都适用于现有的线路，如果用户与电话公司中央交换机之间的距离太远将影响安装与使用。
有些涉及到DSL的技术文章通常谈到xDSL，其中的x代表本地电话公司和ISP提供的DSL的不同版本。
一般来说，DSL是任何数字用户环路服务的通称。
表11-6列出了各种不同类型的DSL。
表11-6DSL类型的比较
DSL类型
说明
DSL类型
说明
IDSL
ISDN数字用户
升级会员 