鲜为人知：56k Modem 依赖于数字电话线路的原因

如果你在 20 世纪 90 年代长大，你一定会记得模拟 Modem 通过传统电话系统进行连接时，那独一无二的“握手”声。那刺耳的尖叫和嘶嘶声是精心工程设计的结果。它们使得数字数据能够在原本只用于传输音频——而且是很糟糕的音频的电话线上进行传输。

多年来，速度逐渐提升，最终达到了 33.6 kbps，这被认为是音频 Modem 在电话网络上运行的实际极限。然而，事后看来，56k Modem 最终成为了主流！这都要归功于一些充分利用 20 世纪 90 年代电话网络优势的横向思维。

突破音障

V.34 标准支持高达 33.6 kbps 的传输速度，尽管在 20 世纪 90 年代中期，许多Modem的最高速度都只有较低的 28.8 kpbs。图片来源：Raimond Spekking, CC BY-SA 4.0

当传统的拨号Modem通信时，它们会将数字比特编码为刺耳的模拟音频，然后通过最初设计用于传输人声的电话线进行传输。这是一种不完美的方式，但却是旧时代计算机联网最实际的方式。几乎每个家庭和企业都已安装了电话线，因此将它们用作计算机连接到网络的管道是有道理的。

多年来，随着 Modem 制造商批准新的、更快的调制方案，速度也在不断提升。速度最终达到了 33.6 kbps，这被认为是标准电话线上可能实现的最大理论速度。这很大程度上归结于典型电话线的香农极限——基本上，考虑到给定线路上的噪声量以及可行的纠错方法，数据能够可靠传输的最大速度是有限的。

然而，在 20 世纪 90 年代后期，一切都发生了变化。56 kbps 的 Modem 开始涌入市场，各制造商竞相推出最快、功能最强的产品。速度限制被打破了。答案不在于打破香农定律，而在于利用一项根本性的变化，这项变化在公众没有注意到的情况下悄然改变了电话网络。

多路复用狂潮

电话交换机中的线路卡负责将模拟信号转换为数字信号，以便在电话网络中进一步传输。图片来源：Pdesousa359, CC BY-SA 3.0

在 20 世纪 90 年代后期，大多数家庭用户仍然通过模拟电话线连接到电话网络，这些电话线使用简单的铜线连接到他们的房屋，作为关键的“最后一英里”连接。但是，到这个时候，电话网络的其余部分已经经历了大规模的数字化转型。电话公司已将其大部分长途干线和交换设备替换为数字技术。一旦家庭用户的电话线到达中心办公室，通常会立即转换为数字信号，以便于处理和长途传输。使用数字信号 0 (DS0) 编码，电话呼叫通过 8 kHz 的采样率和 8 位脉冲编码调制变为数字信号，从而得出每条电话线 64 kbps 的最大数据速率。

传统上，你的 ISP 会像你一样通过电话网络进行通信。他们的 Modem 会将数字信号转换为模拟音频，并将其输送到常规电话线中。该模拟音频随后会在电话网络的后端移动时再次转换为 DS0 数字信号，然后转换回模拟信号，以便进行到客户的最后一英里传输。最后，客户的 Modem 会接收模拟信号，并将其转换回连接的计算机的数字数据。

当速度提高时，这种情况就瓦解了。Modem 制造商找不到一种方法将数字数据调制为 56 kbps 的音频，使其能够经受住 DS0 编码。它主要被设计为成功传输人声，并且依赖于对数字信号不友好的非线性编码方案。

当 Modem 制造商意识到 ISP 的运营方式可能与最终用户不同时，突破就出现了。凭借其地位，他们可以与电话公司合作，以数字方式直接访问电话网络。因此，ISP 只需将数字数据直接输送到电话网络中，而不是先将其调制为音频。信号在到达本地交换机之前一直保持数字状态，在那里它将被转换为音频，并通过电话线发送到客户的家中。这消除了整套限制速度的数模和模数转换，并让 ISP 能够以高达 56 kbps 的速度将数据直接发送给客户。

56 kbps 运行背后的基本概念。ISP 端的所谓“数字Modem”会将数字信号直接注入电话网络的数字部分。然后在交换机级别将这些信号调制为模拟信号一次，以便通过客户的铜制电话线传输最后一英里。图片来源：ITU, V.90 standard

但是，这种技术仅在一个方向上有效。最终用户仍然必须使用常规Modem，其模拟音频输出会在返回 ISP 的途中在某个时候通过 DS0 进行转换。这使得上传速度仅限于 33.6 kbps。

USRobotics 是 56k Modem 领域的创新者之一。请注意此 SPORTSTER Modem 上的 x2 品牌，它表示该公司专有的调制方法。图片来源：Xiaowei, CC BY 3.0

对这一洞察力的争夺导致了一场小型的格式之争。US Robotics 开发了其 x2 标准，之所以这样命名是因为它的速度是 28k Modem 的两倍。竞争对手制造商 Rockwell 很快推出了 K56Flex 标准，该标准也采用了相同的技巧来提高速度。ISP 迅速开始升级以使用更快的Modem，但消费者对相互竞争的标准感到困惑。

1998 年，当国际电信联盟 (ITU) 介入创建 V.90 标准时，僵局结束了。它与 x2 和 K56Flex 都不兼容，但很快成为行业标准。这种标准化最终实现了跨供应商和 ISP 的可互操作的 56K 通信。它很快就被 2000 年更新的 V.92 标准所取代，该标准通过一些特殊的上游编码技巧将上传速度提高到 48 kbps，同时还增加了新的呼叫等待和快速连接功能。

最后的欢呼

尽管理论上的限制是 56 kbps，但实际连接速度很少达到如此高的水平。线路质量和用户与中心办公室的距离会降低性能，并且政府法规规定的功率限制使得 53 kbps 在实践中成为更现实的峰值速度。用户体验到的连接协商过程——那独特的Modem“握手”——通常涉及Modem测试线路状况并降至最高可靠速度。尽管存在局限性，但随着客户希望在过去几年的旧款 33.6k 和 28k Modem 上实现健康的速度提升，56k Modem 很快成为主流。

56K Modem 代表了电信史上一个短暂时期的优雅解决方案，当时模拟Modem仍然占据主导地位，而宽带仍然晦涩难懂且价格昂贵。这项技术诞生于Modem制造商意识到他们现在使用的电话网络与他们几十年前开始使用的电话网络已经截然不同。普通消费者可能永远不会欣赏使 56k Modem 工作的巧妙技巧，但它是一项聪明的工程，使得互联网在 DSL 和有线电视开始占据主导地位之前的最后几年变得稍微可用了一些。