Modem
| Passband-Modulation ⓘ |
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Ein Modulator-Demodulator oder Modem ist ein Computer-Hardwaregerät, das Daten von einem digitalen Format in ein Format umwandelt, das für ein analoges Übertragungsmedium wie Telefon oder Funk geeignet ist. Ein Modem überträgt Daten durch Modulation eines oder mehrerer Trägerwellensignale, um digitale Informationen zu kodieren, während der Empfänger das Signal demoduliert, um die ursprünglichen digitalen Informationen wiederherzustellen. Ziel ist es, ein Signal zu erzeugen, das einfach übertragen und zuverlässig decodiert werden kann. Modems können mit fast jedem Mittel zur Übertragung analoger Signale verwendet werden, von Leuchtdioden bis hin zum Radio. ⓘ
Frühe Modems waren Geräte, die hörbare Töne verwendeten, die für die Übertragung über herkömmliche Telefonsysteme und Mietleitungen geeignet waren. Sie arbeiteten im Allgemeinen mit 110 oder 300 Bits pro Sekunde (bit/s), und die Verbindung zwischen den Geräten erfolgte in der Regel manuell über einen angeschlossenen Telefonhörer. In den 1970er Jahren waren höhere Geschwindigkeiten von 1200 und 2400 bit/s für asynchrone Wählverbindungen, 4800 bit/s für synchrone Mietleitungen und 35 kbit/s für synchrone konditionierte Mietleitungen verfügbar. In den 1980er Jahren kamen preiswertere 1200- und 2400-Bit/s-Wählmodems auf den Markt, und es gab Modems, die über Funk und andere Systeme arbeiteten. Mit der rasanten Entwicklung der Geräte in den späten 1990er Jahren erschöpften die telefonbasierten Modems schnell die verfügbare Bandbreite und erreichten den endgültigen Standard von 56 kbit/s. ⓘ
Die zunehmende öffentliche Nutzung des Internets in den späten 1990er Jahren führte zu einer Nachfrage nach wesentlich höherer Leistung, was zu einer Abkehr von audiobasierten Systemen hin zu völlig neuen Kodierungen auf Kabelfernsehleitungen und Kurzstreckensignalen in Unterträgern auf Telefonleitungen führte. Der Übergang zu Mobiltelefonen, insbesondere in den späten 1990er Jahren, und das Aufkommen von Smartphones in den 2000er Jahren führte zur Entwicklung immer schnellerer funkbasierter Systeme. Heute sind Modems allgegenwärtig und weitgehend unsichtbar. Sie sind in der einen oder anderen Form in fast jedem mobilen Computergerät enthalten und können in der Regel Geschwindigkeiten in der Größenordnung von zehn oder hundert Megabyte pro Sekunde erreichen. ⓘ
Geschwindigkeiten
Modems werden häufig nach der maximalen Datenmenge klassifiziert, die sie in einer bestimmten Zeiteinheit übertragen können, üblicherweise ausgedrückt in Bits pro Sekunde (Symbol bit/s, manchmal abgekürzt "bps") oder seltener in Bytes pro Sekunde (Symbol B/s). Moderne Breitbandmodems werden in der Regel in Megabit angegeben. ⓘ
In der Vergangenheit wurden Modems oft nach ihrer Symbolrate, gemessen in Baud, klassifiziert. Die Baud-Einheit gibt die Symbole pro Sekunde an, d. h. wie oft pro Sekunde das Modem ein neues Signal sendet. Die ITU-Norm V.21 beispielsweise verwendet das Audio-Frequenzumtastverfahren mit zwei möglichen Frequenzen, die zwei verschiedenen Symbolen (oder einem Bit pro Symbol) entsprechen, um 300 Bits pro Sekunde mit 300 Baud zu übertragen. Im Gegensatz dazu übertrug der ursprüngliche ITU-Standard V.22, der vier verschiedene Symbole (zwei Bits pro Symbol) senden und empfangen konnte, 1.200 Bits, indem er 600 Symbole pro Sekunde (600 Baud) unter Verwendung der Phasenumtastung sendete. ⓘ
Viele Modems verfügen über eine variable Übertragungsrate, so dass sie auch über ein Medium mit nicht idealen Eigenschaften eingesetzt werden können, z. B. über eine Telefonleitung mit schlechter Qualität oder zu langer Leitung. Diese Fähigkeit ist oft adaptiv, so dass ein Modem während der Verbindungsphase oder während des Betriebs die maximale praktische Übertragungsrate ermitteln kann. ⓘ
Allgemeine Geschichte
Modems entstanden aus der Notwendigkeit, Fernschreiber über normale Telefonleitungen anstelle der teureren Mietleitungen anzuschließen, die zuvor für Fernschreiber und automatische Telegrafen verwendet worden waren. Die frühesten Geräte, die der Definition eines Modems entsprechen, sind möglicherweise die Multiplexer, die in den 1920er Jahren von Nachrichtenübertragungsdiensten verwendet wurden. ⓘ
1941 entwickelten die Alliierten ein Sprachverschlüsselungssystem namens SIGSALY, das einen Vocoder zur Digitalisierung von Sprache einsetzte, die Sprache dann mit einem One-Time-Pad verschlüsselte und die digitalen Daten mittels Frequenzumtastung als Töne kodierte. Dies war ebenfalls eine digitale Modulationstechnik, so dass es sich um ein frühes Modem handelte. ⓘ
Kommerzielle Modems wurden erst in den späten 1950er Jahren verfügbar, als die rasante Entwicklung der Computertechnologie die Nachfrage nach einer Methode zur Verbindung von Computern über große Entfernungen weckte, was dazu führte, dass die Bell Company und später auch andere Unternehmen eine wachsende Zahl von Computermodems für den Einsatz über vermittelte und gemietete Telefonleitungen produzierten. ⓘ
Spätere Entwicklungen brachten Modems hervor, die über Kabelfernsehleitungen, Stromleitungen und verschiedene Funktechnologien funktionierten, sowie Modems, die über Telefonleitungen wesentlich höhere Geschwindigkeiten erreichten. ⓘ
Einwahl
Ein Einwahlmodem überträgt Computerdaten über eine normale Telefonleitung, die nicht für die Datennutzung ausgelegt ist. Dies steht im Gegensatz zu Standleitungsmodems, die ebenfalls über von einer Telefongesellschaft bereitgestellte Leitungen arbeiten, die jedoch für die Datennutzung vorgesehen sind und nicht die gleichen Signalisierungsbeschränkungen aufweisen. ⓘ
Die modulierten Daten müssen den Frequenzbeschränkungen eines normalen Sprachtonsignals entsprechen. Frühere Modems, einschließlich akustisch gekoppelter Modems, waren darauf angewiesen, dass die Gesprächspartner oder eine automatische Anrufeinheit wählen und eine Sprachverbindung herstellen, bevor sie ihre Modems auf die Leitung schalten; modernere Geräte sind in der Lage, die für die Verbindung eines Anrufs über eine Telefonzentrale erforderlichen Aktionen auszuführen, z. B. die Leitung zu übernehmen, zu wählen, die von den Geräten der Telefongesellschaft zurückgesendeten Signale (Wählton, Klingeln, Besetztzeichen) zu verstehen, eingehende Klingelzeichen zu erkennen und Anrufe entgegenzunehmen. ⓘ
Wählmodems werden in einer Vielzahl von Geschwindigkeiten und Leistungsmerkmalen hergestellt, wobei viele in der Lage sind, die Leitung, über die sie anrufen, zu testen und den fortschrittlichsten Signalisierungsmodus auszuwählen, den die Leitung unterstützen kann. Im Allgemeinen haben die schnellsten Einwahlmodems, die jemals für Verbraucher verfügbar waren, nie mehr als 56 kbit/s erreicht und auch nicht in beide Richtungen. ⓘ
Das Wählmodem war einst eine weithin bekannte Technologie, da es in vielen Ländern für den Internetzugang per Einwahl massenhaft vermarktet wurde. In den 1990er Jahren nutzten mehrere Millionen Menschen in den Vereinigten Staaten Einwahlmodems für den Internetzugang. ⓘ
Der Einwahldienst wurde inzwischen weitgehend durch das Breitband-Internet verdrängt, wie z. B. DSL, bei dem in der Regel immer noch ein Modem zum Einsatz kommt, allerdings ein ganz anderer Typ, der zwar immer noch über eine normale Telefonleitung funktioniert, aber mit wesentlich weniger Einschränkungen. ⓘ
Geschichte
1950s
Die Massenproduktion von Telefonleitungsmodems in den Vereinigten Staaten begann 1958 als Teil des SAGE-Luftverteidigungssystems, das Terminals auf verschiedenen Luftwaffenstützpunkten, Radaranlagen und Kommandozentralen mit den in den Vereinigten Staaten und Kanada verstreuten SAGE-Direktionszentren verband. ⓘ
Kurz darauf, im Jahr 1959, wurde die Technologie der SAGE-Modems als Bell 101 kommerziell verfügbar gemacht, das eine Geschwindigkeit von 110 bit/s bot. Bell nannte dieses und mehrere andere frühe Modems "Datasets". ⓘ
1960s
Einige frühe Modems basierten auf Tonwahlfrequenzen, wie z. B. die Tonwahlmodems des Typs Bell 400. ⓘ
Der Bell 103A-Standard wurde 1962 von AT&T eingeführt. Er bot einen Vollduplex-Dienst mit 300 Bit/s über normale Telefonleitungen. Es wurde die Frequenzumtastung verwendet, wobei der Anrufer mit 1.070 oder 1.270 Hz sendete und das antwortende Modem mit 2.025 oder 2.225 Hz. ⓘ
Das 103er-Modem wurde schließlich zum De-facto-Standard, als Modems von Drittanbietern (die nicht von AT&T stammten) auf den Markt kamen, und in den 1970er Jahren waren unabhängig hergestellte Modems, die mit dem Bell 103er-De-facto-Standard kompatibel waren, weit verbreitet. Zu den Beispielmodellen gehörten das Novation CAT und das Anderson-Jacobson. Eine kostengünstigere Option war das Pennywhistle-Modem, das mit leicht erhältlichen Teilen gebaut werden konnte. ⓘ
Fernschreibmaschinen erhielten mit dem Bell 103-Modem Zugang zu entfernten Netzen wie dem Teletypewriter Exchange. AT&T produzierte auch preisgünstigere Geräte, das Modem 113D (nur für Anrufe) und das Modem 113B/C (nur für Antworten). ⓘ
1970s
Das 201A Data-Phone war ein synchrones Modem, das eine PSK-Codierung (Phase Shift Keying) mit zwei Bits pro Symbol verwendete und eine Halbduplexgeschwindigkeit von 2.000 Bit/s über normale Telefonleitungen erreichte. Bei diesem System werden die beiden Töne für eine Seite der Verbindung mit ähnlichen Frequenzen wie bei den 300-Bit/s-Systemen gesendet, allerdings leicht phasenverschoben. ⓘ
Anfang 1973 führte Vadic das VA3400 ein, das Vollduplex mit 1.200 Bit/s über eine normale Telefonleitung ermöglichte. ⓘ
Im November 1976 brachte AT&T das Modem 212A auf den Markt, das ähnlich aufgebaut war, aber eine niedrigere Frequenz für die Übertragung verwendete. Es war nicht mit dem VA3400 kompatibel, konnte aber mit dem 103A-Modem bei 300 bit/s betrieben werden. ⓘ
1977 reagierte Vadic mit dem VA3467 Triple-Modem, einem Nur-Antwort-Modem, das an Betreiber von Rechenzentren verkauft wurde und den 1.200-Bit/s-Modus von Vadic, den 212A-Modus von AT&T und den 103A-Betrieb unterstützte. ⓘ
1980s
Ein bedeutender Fortschritt bei den Modems war das Hayes Smartmodem, das 1981 eingeführt wurde. Das Smartmodem war ein ansonsten standardmäßiges 103A-300-Bit/s-Direktverbindungsmodem, das jedoch eine Befehlssprache einführte, die es dem Computer ermöglichte, über die gleiche RS-232-Schnittstelle, die für die Datenverbindung verwendet wurde, Steueranfragen zu stellen, z. B. Befehle zum Wählen oder Beantworten von Anrufen. Der von diesem Gerät verwendete Befehlssatz wurde zu einem De-facto-Standard, dem Hayes-Befehlssatz, der in Geräte vieler anderer Hersteller integriert wurde. ⓘ
Das automatische Wählen war keine neue Fähigkeit - es war bereits über separate automatische Rufeinheiten und über Modems mit der X.21-Schnittstelle verfügbar -, aber das Smartmodem machte es in einem einzigen Gerät verfügbar, das selbst mit den minimalsten Implementierungen der allgegenwärtigen RS-232-Schnittstelle verwendet werden konnte, wodurch diese Fähigkeit von praktisch jedem System oder jeder Sprache aus zugänglich wurde. ⓘ
Mit der Einführung des Smartmodem wurde die Kommunikation wesentlich einfacher und leichter zugänglich. Dadurch entstand ein wachsender Markt für andere Anbieter, die Lizenzen für die Hayes-Patente erwarben und über den Preis oder durch das Hinzufügen von Funktionen konkurrierten. Dies führte schließlich zu Rechtsstreitigkeiten über die Verwendung der patentierten Hayes-Befehlssprache. ⓘ
Wählmodems blieben im Allgemeinen bis Mitte der 1980er Jahre bei 300 und 1.200 Bit/s (und wurden schließlich zu Standards wie V.21 und V.22). ⓘ
Im Jahr 1984 wurde V.22bis eingeführt, ein System mit 2.400 Bit/s, das dem Konzept des Bell 212 mit 1.200 Bit/s ähnelte. Diese Erhöhung der Bitrate wurde durch die Definition von vier oder acht verschiedenen Symbolen erreicht, die die Kodierung von zwei oder drei Bits pro Symbol anstelle von nur einem erlaubten. In den späten 1980er Jahren konnten viele Modems verbesserte Standards wie diesen unterstützen, und der Betrieb mit 2.400 Bit/s wurde üblich. ⓘ
Die Erhöhung der Modemgeschwindigkeit verbesserte die Reaktionsfähigkeit von Online-Systemen erheblich und machte die Dateiübertragung praktisch. Dies führte zu einem raschen Wachstum von Online-Diensten mit großen Dateibibliotheken, was wiederum mehr Gründe für den Besitz eines Modems lieferte. Die rasche Aktualisierung von Modems führte zu einem ähnlich raschen Anstieg der BBS-Nutzung. ⓘ
Die Einführung von Mikrocomputersystemen mit internen Erweiterungssteckplätzen machte kleine interne Modems praktisch. Dies führte zu einer Reihe von beliebten Modems für den S-100-Bus und Apple II-Computer, die direkt wählen, eingehende Anrufe entgegennehmen und auflegen konnten - die Grundvoraussetzungen für ein Bulletin Board System (BBS). Das bahnbrechende CBBS wurde beispielsweise auf einem S-100-Rechner mit einem internen Modem von Hayes entwickelt, und es folgten eine Reihe ähnlicher Systeme. ⓘ
Die Echounterdrückung wurde in dieser Zeit zu einem Merkmal der Modems, wodurch die Bandbreite, die beiden Modems zur Verfügung stand, verbessert wurde, da sie ihre eigenen reflektierten Signale ignorieren konnten. ⓘ
Weitere Verbesserungen wurden durch die Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM) eingeführt, die die Anzahl der Bits pro Symbol durch eine Kombination aus Phasenverschiebung und Amplitude auf vier erhöhte. ⓘ
Die Übertragung mit 1.200 Baud ergab den V.27ter-Standard mit 4.800 Bit/s und mit 2.400 Baud den V.32-Standard mit 9.600 Bit/s. Die Trägerfrequenz betrug bei beiden Systemen 1.650 Hz. ⓘ
Die Einführung dieser Systeme mit höherer Geschwindigkeit führte in den 1980er Jahren auch zur Entwicklung des digitalen Faxgeräts. Während die frühe Faxtechnologie ebenfalls modulierte Signale über eine Telefonleitung nutzte, verwendete das digitale Fax die heute übliche digitale Kodierung, die von Computermodems verwendet wird. Dies ermöglichte es Computern schließlich, Faxbilder zu senden und zu empfangen. ⓘ
1990s
Anfang der 1990er Jahre wurden V.32-Modems mit einer Übertragungsrate von 9600 Bit/s eingeführt, die jedoch teuer waren und sich erst auf dem Markt durchzusetzen begannen, als V.32bis mit einer Übertragungsrate von 14.400 Bit/s standardisiert wurde. ⓘ
Die Chip-Abteilung von Rockwell International entwickelte einen neuen Treiber-Chipsatz, der den V.32bis-Standard einbezog und zu einem aggressiven Preis angeboten wurde. Supra, Inc. vereinbarte eine kurzfristige Exklusivitätsvereinbarung mit Rockwell und entwickelte auf dieser Grundlage das SupraFAXModem 14400. Es wurde im Januar 1992 zum Preis von 399 Dollar (oder weniger) eingeführt und war damit nur halb so teuer wie die langsameren V.32-Modems, die bereits auf dem Markt waren. Dies führte zu einem Preiskrieg, und am Ende des Jahres war V.32 tot, da es sich nie wirklich durchgesetzt hatte, und V.32bis-Modems waren für 250 Dollar weithin erhältlich. ⓘ
V.32bis war so erfolgreich, dass die älteren Hochgeschwindigkeitsstandards kaum noch Vorteile hatten. USRobotics (USR) schlug mit einer 16.800-Bit/s-Version von HST zurück, während AT&T eine einmalige 19.200-Bit/s-Methode einführte, die sie als V.32ter bezeichneten, aber beide Nicht-Standard-Modems verkauften sich nicht gut. ⓘ
Während der langwierigen Einführung des V.34-Standards mit 28.800 Bit/s schwand das Interesse der Verbraucher an diesen proprietären Verbesserungen. Während der Wartezeit beschlossen mehrere Unternehmen, Hardware zu veröffentlichen und führten Modems ein, die sie als V.FAST bezeichneten. ⓘ
Um die Kompatibilität mit V.34-Modems zu gewährleisten, sobald der Standard ratifiziert war (1994), verwendeten die Hersteller flexiblere Komponenten, in der Regel einen DSP und einen Mikrocontroller, im Gegensatz zu speziell entwickelten ASIC-Modemchips. Dies ermöglichte spätere Firmware-Updates, um den Standards zu entsprechen, sobald sie ratifiziert waren. ⓘ
Die ITU-Norm V.34 ist der Höhepunkt dieser gemeinsamen Bemühungen. Es wurden die leistungsfähigsten Kodierungstechniken eingesetzt, die zu dieser Zeit verfügbar waren, einschließlich Kanal- und Formkodierung. Ausgehend von nur vier Bits pro Symbol (9,6 kbit/s) verwendeten die neuen Normen das funktionale Äquivalent von 6 bis 10 Bits pro Symbol und erhöhten die Baudraten von 2.400 auf 3.429, um Modems mit 14,4, 28,8 und 33,6 kbit/s zu schaffen. Diese Rate liegt nahe der theoretischen Shannon-Grenze einer Telefonleitung. ⓘ
56 kbit/s-Technologien
Während 56.000-Bit/s-Geschwindigkeiten für Mietleitungsmodems schon seit einiger Zeit verfügbar waren, wurden sie für Einwahlmodems erst in den späten 1990er Jahren verfügbar. ⓘ
In den späten 1990er Jahren begannen Technologien zur Erreichung von Geschwindigkeiten über 33,6 kbit/s eingeführt zu werden. Es wurden verschiedene Ansätze verfolgt, die jedoch alle als Lösungen für ein einziges grundlegendes Problem mit den Telefonleitungen begannen. ⓘ
Als die Technologieunternehmen begannen, Geschwindigkeiten von mehr als 33,6 kbit/s zu erforschen, hatten die Telefongesellschaften bereits fast vollständig auf volldigitale Netze umgestellt. Sobald eine Telefonleitung eine lokale Vermittlungsstelle erreicht, wandelt eine Leitungskarte das analoge Signal des Teilnehmers in ein digitales um und umgekehrt. Während digital kodierte Telefonleitungen theoretisch die gleiche Bandbreite bieten wie die analogen Systeme, die sie ersetzten, brachte die Digitalisierung selbst Beschränkungen für die Arten von Wellenformen mit sich, die zuverlässig kodiert werden konnten. ⓘ
Das erste Problem bestand darin, dass der Prozess der Analog-Digital-Wandlung von Natur aus verlustbehaftet ist, aber zweitens, und das ist noch wichtiger, waren die von den Telekommunikationsunternehmen verwendeten digitalen Signale nicht "linear": Sie kodierten nicht alle Frequenzen auf die gleiche Weise, sondern verwendeten eine nichtlineare Kodierung (μ-law und a-law), die die nichtlineare Reaktion des menschlichen Ohrs auf Sprachsignale begünstigen sollte. Dies machte es sehr schwierig, eine 56-kbit/s-Kodierung zu finden, die den Digitalisierungsprozess überstehen konnte. ⓘ
Die Modemhersteller entdeckten, dass die Analog-Digital-Wandlung zwar keine höheren Geschwindigkeiten beibehalten konnte, die Digital-Analog-Wandlung jedoch schon. Da es für einen ISP möglich war, eine direkte digitale Verbindung zu einer Telefongesellschaft zu erhalten, konnte ein digitales Modem - ein Modem, das direkt an eine digitale Telefonnetzschnittstelle wie T1 oder PRI angeschlossen ist - ein Signal senden, das jedes Bit der im System verfügbaren Bandbreite ausnutzte. Dieses Signal musste zwar am Teilnehmer wieder in ein analoges Signal umgewandelt werden, aber diese Umwandlung führte nicht zu den gleichen Verzerrungen wie in der Gegenrichtung. ⓘ
Frühe 56k-Einwahlprodukte
Die erste 56k-Einwahloption war eine Eigenentwicklung von USRobotics, die sie "X2" nannten, weil 56k die doppelte Geschwindigkeit (×2) von 28k-Modems war. ⓘ
Zu dieser Zeit hielt USRobotics einen Anteil von 40 % am Markt für Einzelhandelsmodems, während Rockwell International einen Anteil von 80 % am Markt für Modemchipsätze hatte. Rockwell war besorgt, ausgeschlossen zu werden, und begann mit der Arbeit an einer konkurrierenden 56k-Technologie. Gemeinsam mit Lucent und Motorola entwickelte Rockwell eine Technologie mit dem Namen "K56Flex" oder einfach "Flex". ⓘ
Beide Technologien kamen im Februar 1997 auf den Markt. Obwohl in den Produktbewertungen bis Juli Probleme mit den K56Flex-Modems festgestellt wurden, funktionierten die beiden Technologien innerhalb von sechs Monaten gleich gut, wobei die Unterschiede weitgehend von den lokalen Verbindungseigenschaften abhingen. ⓘ
Der Einzelhandelspreis dieser frühen 56K-Modems lag bei etwa 200 US-Dollar, verglichen mit 100 US-Dollar für Standard-33K-Modems. Auch bei den Internet-Diensteanbietern (ISP) waren kompatible Geräte erforderlich, wobei die Kosten davon abhingen, ob die vorhandenen Geräte aufgerüstet werden konnten. Im Oktober 1997 bot etwa die Hälfte aller ISP 56k-Unterstützung an. Der Absatz bei den Verbrauchern war relativ gering, was USRobotics und Rockwell auf widersprüchliche Standards zurückführten. ⓘ
Standardisiertes 56k (V.90/V.92)
Im Februar 1998 kündigte die International Telecommunication Union (ITU) den Entwurf eines neuen 56-kbit/s-Standards V.90 an, der von der Industrie stark unterstützt wurde. Er war mit den beiden bestehenden Standards nicht kompatibel, sondern eine Mischung aus beiden, aber so konzipiert, dass beide Modemtypen durch ein Firmware-Upgrade möglich waren. Der V.90-Standard wurde im September 1998 genehmigt und von Internet-Diensteanbietern und Verbrauchern weitgehend übernommen. ⓘ
Der V.92-Standard wurde von der ITU im November 2000 genehmigt und nutzte die digitale PCM-Technologie, um die Upload-Geschwindigkeit auf maximal 48 kbit/s zu erhöhen. ⓘ
Die hohe Upload-Geschwindigkeit war ein Kompromiss. Bei einer Upstream-Geschwindigkeit von 48 kbit/s würde die Downstream-Geschwindigkeit aufgrund von Echoeffekten auf der Leitung auf bis zu 40 kbit/s sinken. Um dieses Problem zu vermeiden, bieten V.92-Modems die Möglichkeit, den digitalen Upstream abzuschalten und stattdessen eine einfache 33,6-kbit/s-Analogverbindung zu verwenden, um einen hohen digitalen Downstream von 50 kbit/s oder mehr beizubehalten. ⓘ
Mit V.92 wurden auch zwei weitere Funktionen eingeführt. Die erste ist die Möglichkeit für Benutzer, die einen anklopfenden Anruf haben, ihre Internet-Einwahlverbindung für längere Zeit zu unterbrechen, während sie einen Anruf entgegennehmen. Das zweite Merkmal ist die Möglichkeit, sich schnell mit dem eigenen Internetanbieter zu verbinden, indem man sich die analogen und digitalen Merkmale der Telefonleitung merkt und diese gespeicherten Informationen bei der Wiederherstellung der Verbindung verwendet. ⓘ
Entwicklung der Einwahlgeschwindigkeiten
Diese Werte sind Maximalwerte, die tatsächlichen Werte können unter bestimmten Bedingungen (z. B. bei verrauschten Telefonleitungen) niedriger sein. Eine vollständige Liste finden Sie im Begleitartikel Liste der Gerätebandbreiten. Ein Baud ist ein Symbol pro Sekunde; jedes Symbol kann ein oder mehrere Datenbits kodieren. ⓘ
| Verbindung | Modulation | Bitrate [kbit/s] | Jahr der Veröffentlichung ⓘ |
|---|---|---|---|
| 110 Baud Bell 101-Modem | FSK | 0.1 | 1958 |
| 300 Baud (Bell 103 oder V.21) | FSK | 0.3 | 1962 |
| 1200 bit/s (1200 baud) (Bell 202) | FSK | 1.2 | 1976 |
| 1200 bit/s (600 baud) (Bell 212A oder V.22) | QPSK | 1.2 | 1980 |
| 2000 bit/s (1000 baud) (Bell 201A) | PSK | 2.0 | 1962 |
| 2400 bit/s (600 baud) (V.22bis) | QAM | 2.4 | 1984 |
| 2400 bit/s (1200 baud) (V.26bis) | PSK | 2.4 | |
| 4800 bit/s (1600 baud) (V.27ter) | PSK | 4.8 | |
| 4800 bit/s (1600 baud, Bell 208B) | DPSK | 4.8 | |
| 9600 bit/s (2400 baud) (V.32) | Trellis | 9.6 | 1984 |
| 14,4 kbit/s (2400 baud) (V.32bis) | Trellis | 14.4 | 1991 |
| 19,2 kbit/s (2400 baud) (V.32 "terbo") | Trellis | 19.2 | 1993 |
| 28,8 kbit/s (3200 baud) (V.34) | Trellis | 28.8 | 1994 |
| 33,6 kbit/s (3429 baud) (V.34) | Trellis | 33.6 | 1996 |
| 56 kbit/s (8000/3429 baud) (V.90) | digital | 56.0/33.6 | 1998 |
| 56 kbit/s (8000/8000 baud) (V.92) | digital | 56.0/48.0 | 2000 |
| Bonding-Modem (zwei 56k-Modems) (V.92) | 112.0/96.0 | ||
| Hardware-Kompression (variabel) (V.90/V.42bis) | 56.0–220.0 | ||
| Hardware-Komprimierung (variabel) (V.92/V.44) | 56.0–320.0 | ||
| Serverseitige Webkomprimierung (variabel) (Netscape ISP) | 100.0–1,000.0 |
Komprimierung
Viele Einwahlmodems setzen Standards für die Datenkompression ein, um einen höheren effektiven Durchsatz bei gleicher Bitrate zu erreichen. V.44 ist ein Beispiel, das in Verbindung mit V.92 verwendet wird, um höhere Geschwindigkeiten als 56k über normale Telefonleitungen zu erreichen. ⓘ
Als die 56k-Modems auf Telefonbasis an Popularität verloren, begannen einige Internet-Diensteanbieter wie Netzero/Juno, Netscape und andere mit der Vorkomprimierung, um den scheinbaren Durchsatz zu erhöhen. Diese serverseitige Komprimierung ist wesentlich effizienter als die in Modems durchgeführte Komprimierung, da die Komprimierungstechniken inhaltsspezifisch sind (JPEG, Text, EXE usw.). Website-Text, Bilder und Flash-Medien werden in der Regel auf etwa 4 %, 12 % bzw. 30 % komprimiert. Der Nachteil ist ein Qualitätsverlust, da die verlustbehaftete Komprimierung dazu führt, dass die Bilder verpixelt und verschmiert werden. Internetanbieter, die diese Methode anwenden, werben oft mit dem Begriff "beschleunigte Einwahl". ⓘ
Diese beschleunigten Downloads sind in die Webbrowser Opera und Amazon Silk integriert, die ihre eigene serverseitige Text- und Bildkompression verwenden. ⓘ
Methoden der Einwahl
Einwahlmodems können auf zwei verschiedene Arten angeschlossen werden: mit einem akustischen Koppler oder mit einer direkten elektrischen Verbindung. ⓘ
Direkt angeschlossene Modems
Die Hush-a-Phone-Entscheidung, die Akustikkoppler legalisierte, galt nur für mechanische Verbindungen zu einem Telefonapparat, nicht für elektrische Verbindungen zur Telefonleitung. Die Carterfone-Entscheidung von 1968 erlaubte es den Kunden jedoch, Geräte direkt an eine Telefonleitung anzuschließen, solange sie die strengen, von Bell festgelegten Standards für die Nichtbeeinträchtigung des Telefonnetzes einhielten. Dies öffnete die Tür für die unabhängige (nicht von AT&T stammende) Herstellung von Modems mit Direktanschluss, die direkt an die Telefonleitung und nicht über einen Akustikkoppler angeschlossen wurden. ⓘ
Während Carterfone von AT&T verlangte, den Anschluss von Geräten zuzulassen, argumentierte AT&T erfolgreich, dass es ihm erlaubt sein sollte, die Verwendung eines speziellen Geräts zum Schutz seines Netzes zu verlangen, das zwischen das Modem eines Drittanbieters und die Leitung geschaltet wird und als Data Access Arrangement oder DAA bezeichnet wird. Die Verwendung von DAAs war von 1969 bis 1975 obligatorisch, als die neuen FCC-Bestimmungen (Teil 68) die Verwendung von Geräten ohne ein von Bell bereitgestelltes DAA erlaubten, vorausgesetzt, das Fremdgerät enthielt eine gleichwertige Schaltung. ⓘ
Praktisch alle Modems, die nach den 1980er Jahren hergestellt wurden, sind direkt anschlussfähig. ⓘ
Akustische Koppler
Bell (AT&T) bot zwar schon 1958 Modems an, die direkt an das Telefonnetz angeschlossen werden konnten, aber die damaligen Vorschriften erlaubten den direkten elektrischen Anschluss von Geräten, die nicht von Bell stammten, an eine Telefonleitung nicht. Die Hush-a-Phone-Regelung erlaubte es den Kunden jedoch, jedes beliebige Gerät an einen Telefonapparat anzuschließen, solange es dessen Funktionalität nicht beeinträchtigte. Dies ermöglichte es Drittanbietern (Nicht-Bell-Herstellern), Modems zu verkaufen, die einen Akustikkoppler verwenden. ⓘ
Bei einem Akustikkoppler wurde ein gewöhnlicher Telefonhörer in eine Halterung gelegt, die einen Lautsprecher und ein Mikrofon enthielt, die so positioniert waren, dass sie mit denen des Telefonhörers übereinstimmten. Die vom Modem verwendeten Töne wurden an den Hörer gesendet und von diesem empfangen, der sie dann an die Telefonleitung weiterleitete. ⓘ
Da das Modem nicht elektrisch angeschlossen war, konnte es nicht abheben, auflegen oder wählen, was eine direkte Kontrolle der Leitung erforderte. Das Wählen per Tonwahl wäre möglich gewesen, aber Tonwahl war zu diesem Zeitpunkt noch nicht überall verfügbar. Folglich wurde der Wählvorgang ausgeführt, indem der Benutzer den Hörer abhob, wählte und dann den Hörer auf den Koppler legte. Um diesen Vorgang zu beschleunigen, konnte der Benutzer ein Wählgerät oder eine Automatic Calling Unit erwerben. ⓘ
Automatische Wählgeräte / Dialer
Frühe Modems konnten nicht selbständig Anrufe tätigen oder entgegennehmen, sondern benötigten für diese Schritte menschliches Eingreifen. ⓘ
Bereits 1964 stellte Bell automatische Wählgeräte zur Verfügung, die separat an einen zweiten seriellen Anschluss eines Host-Rechners angeschlossen wurden und mit dem Befehl versehen werden konnten, die Leitung zu öffnen, eine Nummer zu wählen und sich zu vergewissern, dass die Gegenseite erfolgreich verbunden war, bevor die Kontrolle an das Modem übertragen wurde. Später kamen Modelle von Drittanbietern auf den Markt, die manchmal einfach als Dialer bezeichnet wurden und Funktionen wie die automatische Anmeldung bei Timesharing-Systemen boten. ⓘ
Schließlich wurde diese Fähigkeit in die Modems integriert und erforderte kein separates Gerät mehr. ⓘ
Controller-basierte Modems vs. Softmodems
Vor den 1990er Jahren enthielten Modems die gesamte Elektronik und Intelligenz zur Umwandlung von Daten in diskreter Form in ein analoges (moduliertes) Signal und wieder zurück sowie zur Abwicklung des Wählvorgangs in Form einer Mischung aus diskreter Logik und speziellen Chips. Diese Art von Modem wird manchmal auch als Controller-basiert bezeichnet. ⓘ
1993 brachte Digicom das Connection 96 Plus auf den Markt, ein Modem, das die diskreten und kundenspezifischen Komponenten durch einen digitalen Allzweck-Signalprozessor ersetzte, der umprogrammiert werden konnte, um auf neuere Standards aufzurüsten. ⓘ
Anschließend brachte USRobotics das Sportster Winmodem heraus, ein ähnlich aufrüstbares DSP-basiertes Design. ⓘ
Als sich dieser Designtrend verbreitete, bekamen beide Begriffe - Softmodem und Winmodem - in nicht-Windows-basierten Computerkreisen einen negativen Beigeschmack, da die Treiber entweder für Nicht-Windows-Plattformen nicht verfügbar waren oder nur als nicht wartbare Closed-Source-Binärdateien zur Verfügung standen, was insbesondere für Linux-Benutzer ein Problem darstellte. ⓘ
Später in den 1990er Jahren wurden softwarebasierte Modems verfügbar. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Soundkarten, und ein gängiges Design verwendet den AC'97-Audiocodec, der Mehrkanalton für einen PC bereitstellt und drei Audiokanäle für Modemsignale enthält. ⓘ
Der von einem solchen Modem über die Leitung gesendete und empfangene Ton wird vollständig in Software erzeugt und verarbeitet, oft in einem Gerätetreiber. Aus der Sicht des Benutzers gibt es kaum funktionelle Unterschiede, aber dieses Design senkt die Kosten eines Modems, da der Großteil der Verarbeitungsleistung in kostengünstige Software statt in teure Hardware-DSPs oder diskrete Komponenten verlagert wird. ⓘ
Softmodems beider Typen sind entweder interne Karten oder werden über externe Busse wie USB angeschlossen. Sie verwenden niemals RS-232, da sie Kanäle mit hoher Bandbreite zum Host-Computer benötigen, um die von der Software erzeugten (gesendeten) oder analysierten (empfangenen) Roh-Audiosignale zu übertragen. ⓘ
Da die Schnittstelle nicht RS-232 ist, gibt es keinen Standard für die direkte Kommunikation mit dem Gerät. Stattdessen werden Softmodems mit Treibern geliefert, die einen emulierten RS-232-Anschluss schaffen, mit dem Standardmodem-Software (z. B. eine Wählsoftware des Betriebssystems) kommunizieren kann. ⓘ
Sprach-/Faxmodems
"Sprache" und "Fax" sind Begriffe, die jedes Wählmodem beschreiben, das in der Lage ist, Audio aufzunehmen/abzuspielen oder Faxe zu senden/empfangen. Einige Modems sind in der Lage, alle drei Funktionen zu erfüllen. ⓘ
Sprachmodems werden für Computertelefonie-Integrationsanwendungen verwendet, die so einfach sind wie das direkte Tätigen/Empfangen von Anrufen über einen Computer mit einem Headset und so komplex wie vollautomatische Robocalling-Systeme. ⓘ
Faxmodems können für den computergestützten Faxversand verwendet werden, bei dem Faxe gesendet und empfangen werden, ohne dass eingehende oder ausgehende Faxe jemals auf Papier ausgedruckt werden müssen. Dies unterscheidet sich von efax, bei dem der Faxversand über das Internet erfolgt und in einigen Fällen überhaupt keine Telefonleitungen benötigt werden. ⓘ
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Modem über IP (Modem-Relay)
Die ITU-T-Empfehlung V.150.1 definiert Verfahren für das Zusammenwirken von PSTN- und IP-Gateways. In einem klassischen Beispiel dieser Einrichtung würde jedes Einwahlmodem mit einem Modem-Relay-Gateway verbunden. Die Gateways sind dann mit einem IP-Netz (z. B. dem Internet) verbunden. Die analoge Verbindung vom Modem wird am Gateway abgeschlossen und das Signal wird demoduliert. Die demodulierten Steuersignale werden in einem als State Signaling Events (SSEs) definierten RTP-Pakettyp über das IP-Netz transportiert. Die Daten des demodulierten Signals werden über ein Transportprotokoll (ebenfalls als RTP-Nutzlast definiert) namens Simple Packet Relay Transport (SPRT) über das IP-Netz gesendet. Sowohl das SSE- als auch das SPRT-Paketformat sind in der V.150.1-Empfehlung definiert (Anhang C bzw. Anhang B). Das Gateway am entfernten Ende, das die Pakete empfängt, verwendet die Informationen, um das Signal für das an diesem Ende angeschlossene Modem zu re-modulieren. ⓘ
Während die V.150.1-Empfehlung nicht weit verbreitet ist, wird eine abgespeckte Version der Empfehlung mit der Bezeichnung "Minimum Essential Requirements (MER) for V.150.1 Gateways" (SCIP-216) in sicheren Telefonieanwendungen verwendet. ⓘ
Cloud-basierte Modems
Obwohl es sich traditionell um ein Hardware-Gerät handelt, gibt es auch vollständig softwarebasierte Modems, die in einer Cloud-Umgebung (wie Microsoft Azure oder AWS) eingesetzt werden können. Durch die Nutzung einer Voice-over-IP-Verbindung (VoIP) über einen SIP-Trunk werden die modulierten Audiosamples erzeugt und über ein IP-Netzwerk mittels RTP und einem unkomprimierten Audiocodec (wie G.711 μ-law oder a-law) gesendet. ⓘ
Beliebtheit
Eine Studie der Software Publishers Association aus dem Jahr 1994 ergab, dass zwar 60 % der Computer in US-Haushalten mit einem Modem ausgestattet waren, aber nur 7 % der Haushalte online gingen. Eine CEA-Studie aus dem Jahr 2006 ergab, dass der Internetzugang über Wählverbindungen in den USA rückläufig ist. Im Jahr 2000 machten Einwahl-Internetverbindungen 74 % aller privaten Internetverbindungen in den USA aus. Die demografische Entwicklung in den USA bei der Pro-Kopf-Nutzung von Einwahlmodems hat sich in den letzten 20 Jahren mehr oder weniger mit der in Kanada und Australien deckt. ⓘ
Die Nutzung von Einwahlmodems war in den USA bis 2003 auf 60 % gesunken und lag 2006 bei 36 %. Voiceband-Modems waren einst das beliebteste Mittel für den Internetzugang in den USA, aber mit dem Aufkommen neuer Möglichkeiten des Internetzugangs verlor das traditionelle 56K-Modem an Beliebtheit. Das Einwahlmodem wird nach wie vor häufig von Kunden in ländlichen Gebieten genutzt, in denen DSL-, Kabel-, Satelliten- oder Glasfaserdienste nicht verfügbar sind oder die nicht bereit sind, die von diesen Unternehmen erhobenen Gebühren zu zahlen. In seinem Jahresbericht 2012 gab AOL an, dass es immer noch rund 700 Millionen Dollar an Gebühren von etwa drei Millionen Einwahlnutzern einnimmt. ⓘ
TTY/TDD
TDD-Geräte sind eine Untergruppe des Fernschreibers, die für Gehörlose und Schwerhörige bestimmt sind. Es handelt sich dabei um einen kleinen Fernschreiber mit eingebautem Wählmodem und Akustikkoppler. Die ersten Modelle, die 1964 hergestellt wurden, nutzten die FSK-Modulation, ähnlich wie die frühen Computermodems. ⓘ
Standleitungsmodems
Ein Standleitungsmodem nutzt ebenfalls eine normale Telefonleitung, wie Einwahl und DSL, verwendet aber nicht dieselbe Netzwerktopologie. Während bei der Einwahl eine normale Telefonleitung verwendet wird und die Verbindung über das Telefonvermittlungssystem erfolgt und bei DSL eine normale Telefonleitung verwendet wird, die jedoch mit Geräten in der Telekom-Zentrale verbunden ist, enden Mietleitungen nicht bei der Telekom. ⓘ
Bei Mietleitungen handelt es sich um Telefonkabelpaare, die in einer oder mehreren Vermittlungsstellen der Telefongesellschaft miteinander verbunden sind, so dass sie eine durchgehende Leitung zwischen zwei Teilnehmerstandorten bilden, z. B. zwischen dem Hauptsitz eines Unternehmens und einem Satellitenbüro. Sie liefern keinen Strom und keinen Wählton - sie sind einfach nur ein Paar Drähte, die an zwei entfernten Orten miteinander verbunden sind. ⓘ
Ein Wählmodem funktioniert nicht über diese Art von Leitung, weil es nicht die Stromversorgung, den Wählton und die Vermittlung bietet, die diese Modems benötigen. Ein Modem mit Mietleitungsfunktion kann jedoch über eine solche Leitung betrieben werden, und zwar mit höherer Leistung, da die Leitung nicht durch die Vermittlungseinrichtungen der Telefongesellschaft führt, das Signal nicht gefiltert wird und daher eine größere Bandbreite zur Verfügung steht. ⓘ
Mietleitungsmodems können im 2-Draht- oder 4-Draht-Modus betrieben werden. Erstere verwenden ein einziges Adernpaar und können nur in eine Richtung gleichzeitig übertragen, während letztere zwei Adernpaare verwenden und in beide Richtungen gleichzeitig übertragen können. Wenn zwei Paare zur Verfügung stehen, kann die Bandbreite bis zu 1,5 Mbit/s betragen, was einer vollen T1-Datenleitung entspricht. ⓘ
- Telefon: ITU-T-Standards (bis 1992 CCITT)
- Kabel: Halbduplex (ein Adernpaar), Duplex (zwei Adernpaare) ⓘ
Standleitungsmodem
Der Begriff Breitband wurde früher verwendet, um eine Kommunikation zu beschreiben, die schneller war als die, die über Sprachkanäle möglich war. ⓘ
Der Begriff Breitband setzte sich in den späten 1990er Jahren durch, um Internetzugangstechnologien zu beschreiben, die über die maximale Geschwindigkeit von 56 Kilobit/s bei der Einwahl hinausgehen. Es gibt viele Breitbandtechnologien, z. B. verschiedene DSL-Technologien (Digital Subscriber Line) und Kabelbreitband. ⓘ
DSL-Technologien wie ADSL, HDSL und VDSL verwenden Telefonleitungen (von einer Telefongesellschaft verlegte Drähte, die ursprünglich für die Nutzung durch einen Telefonteilnehmer vorgesehen waren), nutzen aber den Großteil des übrigen Telefonsystems nicht. Ihre Signale werden nicht über die normalen Telefonvermittlungsstellen gesendet, sondern von speziellen Geräten (einem DSLAM) in der Zentrale der Telefongesellschaft empfangen. ⓘ
Da das Signal nicht über die Telefonzentrale geleitet wird, ist kein "Wählen" erforderlich, und die Bandbreitenbeschränkungen eines normalen Sprachanrufs entfallen. Dies ermöglicht viel höhere Frequenzen und damit viel höhere Geschwindigkeiten. Insbesondere ADSL ist so konzipiert, dass über dieselbe Leitung gleichzeitig Sprachanrufe und Datennutzung möglich sind. ⓘ
Ähnlich nutzen Kabelmodems eine Infrastruktur, die ursprünglich für die Übertragung von Fernsehsignalen gedacht war, und ermöglichen wie DSL in der Regel den gleichzeitigen Empfang von Fernsehsignalen und Breitband-Internetdiensten. ⓘ
Weitere Breitbandmodems sind FTTx-Modems, Satellitenmodems und Powerline-Modems. ⓘ
Standleitungsmodem
Im Gegensatz zu Telefonmodems bieten Standleitungsmodems eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Sie sind also fest mit immer derselben Gegenstelle verbunden; ein Wählvorgang vor der Verbindungsaufnahme entfällt. ⓘ
Standleitungen werden meistens von Banken und Großunternehmen genutzt. Vergleichbare kostengünstigere Lösungen für den Heimbereich sind meistens nur Quasi-Standleitungen, da der Anbieter oft eine Zwangstrennung der Verbindung im Tageszyklus vorsieht. ⓘ
Während die Bandbreite im analogen Telefonnetz aus technisch-wirtschaftlichen Überlegungen heraus begrenzt ist, erlauben die normalen – teilweise aber zusätzlich geschirmten – Zweidraht-Telefonleitungen in diesem Fall durchaus höhere Bandbreiten. ⓘ
DSL-Modem
DSL-Modems ermöglichen wesentlich höhere Übertragungsraten. Um das herkömmliche Telefonsignal und das zusätzliche Hochgeschwindigkeitssignal auf derselben Leitung gleichzeitig übertragen zu können, wird das Hochgeschwindigkeitssignal in einen höher gelegenen Frequenzbereich hochmoduliert, ehe beide Signale auf dieselbe Leitung gelegt werden. Auf der Empfängerseite werden die Signale durch einen sogenannten Splitter (eine Frequenzweiche) wieder getrennt und das Hochgeschwindigkeitssignal der Demodulierung im dortigen Modem zugeführt. ⓘ
Gebräuchliche Datenraten bei ADSL reichen bis 25 Mbit/s im Download. Der Upload ist bei ADSL auf einen niedrigeren Wert begrenzt. Die Datenrate unterliegt bei großem Abstand zur Vermittlungsstelle aus technischen Gründen Begrenzungen. In der Vermittlungsstelle wird meistens an ein rein digitales Netzwerk-Backbone angekoppelt. ⓘ
Glasfasermodem
Glasfasermodems (ONT-Optical Network Termination) erlauben gegenüber DSL-Modems noch deutlich höhere Übertragungsraten. Ein herkömmliches Telefonsignal kann über Glasfaser gar nicht übertragen werden (Sprachkommunikation erfolgt ausschließlich über VoIP), das Glasfasermodem stellt nur eine Datenverbindung bereit. Eingesetzt werden hierzu die Techniken AON oder PON (in Deutschland genutzte Technik). ⓘ
Glasfasermodems werden typischerweise separat WAN-seitig vor einem Router installiert, da es noch nicht viele Router mit integriertem Glasfasermodem gibt. Die Verbindung wird dann nicht vom Glasfasermodem selbst, sondern vom Router aufgebaut, der mit der Vermittlungsstelle kommuniziert, während das Glasfasermodem lediglich die WAN-seitigen optischen Signale in die LAN-seitigen elektrischen Signale umsetzt und umgekehrt. ⓘ
Kabelmodem
Kabelmodems für die Datenübertragung über Breitbandkabelnetze sind als eine Art Standleitungsmodem zu sehen. Früher wurde teilweise zusätzlich ein Telefonmodem verwendet, um einen Rückkanal zu ermöglichen. Diese Technik ist heute nicht mehr erforderlich, da die Kabelnetzbetreiber ihr Kabelnetz mittlerweile mit einem Rückkanal betreiben. Über Kabelmodems werden heute höhere Datenraten als bei der Datenübertragung mittels DSL-Modems angeboten. Die Kabelnetzbetreiber implementieren meist auch Telefonie über die Kabelmodems. ⓘ
Stromleitungsmodem
Auch die Modulation von Datensignalen auf Stromleitungen ist möglich. Ein spezieller, aber einfacher Anwendungsfall ist die so genannte Rundsteuertechnik der Energieversorgungsunternehmen, mit denen z. B. die Umschaltung der Stromzähler zwischen Tag- und Nachtstrom bewerkstelligt wird. ⓘ
In jüngerer Vergangenheit wurden Vermarktungsversuche für Hochgeschwindigkeitsmodems (meistens bis etwa 1 MBit/s) unter dem Sammelbegriff PLC (PowerLine Communication) unternommen, die über die Erprobungsphase nie hinauskamen und im Endeffekt nicht an das Preis-Leistungs-Verhältnis sowie die Übertragungssicherheit der DSL-Technik heranreichen konnten. Auch die durch diese Technik erzeugten HF-Störungen sind nicht unproblematisch. Die Technik nutzt dabei typischerweise zahlreiche einzelne Trägerfrequenzen im Bereich zwischen 500 kHz und 10 MHz zur Modulation und Demodulation der Nutzdaten. ⓘ
Terminologie
Für Breitbandmodems werden unterschiedliche Begriffe verwendet, da sie häufig mehr als nur eine Modulations-/Demodulationskomponente enthalten. ⓘ
Da Hochgeschwindigkeitsverbindungen häufig von mehreren Computern gleichzeitig genutzt werden, verfügen viele Breitbandmodems nicht über direkte PC-Verbindungen (z. B. USB), sondern stellen die Verbindung über ein Netzwerk wie Ethernet oder Wi-Fi her. Frühe Breitbandmodems boten zwar Ethernet-Handoff, das die Nutzung einer oder mehrerer öffentlicher IP-Adressen ermöglichte, aber keine anderen Dienste wie NAT und DHCP, die es mehreren Computern erlauben würden, eine Verbindung gemeinsam zu nutzen. Dies führte dazu, dass viele Verbraucher separate "Breitband-Router" kauften, die zwischen dem Modem und ihrem Netzwerk platziert wurden, um diese Funktionen zu erfüllen. ⓘ
Schließlich begannen die Internetdienstanbieter, Gateways für Privatkunden anzubieten, die Modem und Breitbandrouter in einem einzigen Paket kombinierten, das neben der Modemfunktionalität auch Routing, NAT, Sicherheitsfunktionen und sogar Wi-Fi-Zugang bot, so dass die Kunden ihren gesamten Haushalt anschließen konnten, ohne zusätzliche Geräte kaufen zu müssen. Später wurden diese Geräte noch erweitert, um Triple-Play-Funktionen wie Telefonie und Fernsehen anzubieten. Dennoch werden diese Geräte von Dienstanbietern und Herstellern häufig einfach als "Modem" bezeichnet. ⓘ
Folglich werden die Begriffe "Modem", "Router" und "Gateway" in der Umgangssprache austauschbar verwendet, aber in einem technischen Kontext kann "Modem" eine spezifische Konnotation der Grundfunktionalität ohne Routing- oder andere Funktionen haben, während die anderen ein Gerät mit Funktionen wie NAT beschreiben. ⓘ
Breitbandmodems können auch die Authentifizierung wie PPPoE übernehmen. Während es oft möglich ist, eine Breitbandverbindung vom PC des Benutzers aus zu authentifizieren, wie es beim Einwahl-Internetdienst der Fall war, ermöglicht die Verlagerung dieser Aufgabe auf das Breitbandmodem, die Verbindung selbst herzustellen und aufrechtzuerhalten, was die gemeinsame Nutzung des Zugangs durch mehrere PCs erleichtert, da sich nicht jeder separat authentifizieren muss. Breitbandmodems bleiben in der Regel gegenüber dem ISP authentifiziert, solange sie eingeschaltet sind. ⓘ
Funk
Jede Kommunikationstechnologie, die digitale Daten drahtlos überträgt, erfordert ein Modem. Dazu gehören Direct Broadcast Satellite, WiFi, WiMax, Mobiltelefone, GPS, Bluetooth und NFC. ⓘ
Auch in modernen Telekommunikations- und Datennetzen werden Funkmodems häufig eingesetzt, wenn Datenverbindungen über große Entfernungen erforderlich sind. Solche Systeme sind ein wichtiger Bestandteil des öffentlichen Fernsprechnetzes und werden auch häufig für Hochgeschwindigkeits-Computernetzverbindungen zu abgelegenen Gebieten verwendet, in denen Glasfaserkabel nicht wirtschaftlich sind. ⓘ
Drahtlose Modems gibt es in verschiedenen Ausführungen, mit unterschiedlichen Bandbreiten und Geschwindigkeiten. Drahtlose Modems werden oft als transparent oder intelligent bezeichnet. Sie übertragen Informationen, die auf eine Trägerfrequenz moduliert werden, damit viele drahtlose Kommunikationsverbindungen gleichzeitig auf verschiedenen Frequenzen arbeiten können. ⓘ
Transparente Modems funktionieren ähnlich wie ihre Cousins, die Telefonleitungsmodems. In der Regel sind sie halbduplex, d. h. sie können nicht gleichzeitig Daten senden und empfangen. In der Regel werden transparente Modems in einem Rundrufverfahren abgefragt, um kleine Datenmengen von verstreuten Standorten zu sammeln, die keinen einfachen Zugang zu einer verkabelten Infrastruktur haben. Transparente Modems werden am häufigsten von Versorgungsunternehmen für die Datenerfassung eingesetzt. ⓘ
Intelligente Modems sind mit Media Access Controllern ausgestattet, die verhindern, dass zufällige Daten miteinander kollidieren, und Daten, die nicht korrekt empfangen werden, erneut senden. Intelligente Modems benötigen in der Regel mehr Bandbreite als transparente Modems und erreichen in der Regel höhere Datenraten. Die Norm IEEE 802.11 definiert ein Modulationsschema für den Nahbereich, das weltweit in großem Umfang eingesetzt wird. ⓘ
Mobiles Breitband
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Modems, die ein Mobilfunksystem (GPRS, UMTS, HSPA, EVDO, WiMax, 5G usw.) nutzen, werden als mobile Breitbandmodems (manchmal auch als Funkmodems bezeichnet) bezeichnet. Drahtlose Modems können in einen Laptop, ein Mobiltelefon oder ein anderes Gerät integriert oder extern angeschlossen sein. Zu den externen Funkmodems gehören Verbindungskarten, USB-Modems und Mobilfunkrouter. ⓘ
Die meisten GSM-Funkmodems verfügen über einen integrierten SIM-Kartenhalter (z. B. Huawei E220, Sierra 881). Einige Modelle sind auch mit einem microSD-Speichersteckplatz und/oder einer Buchse für eine zusätzliche externe Antenne ausgestattet (Huawei E1762, Sierra Compass 885). ⓘ
Die CDMA (EVDO)-Versionen verwenden in der Regel keine R-UIM-Karten, sondern stattdessen eine elektronische Seriennummer (ESN). ⓘ
Bis Ende April 2011 übertrafen die weltweiten Auslieferungen von USB-Modems die von eingebetteten 3G- und 4G-Modulen im Verhältnis 3:1, da USB-Modems einfach entsorgt werden können. Eingebettete Modems könnten die separaten Modems überholen, da die Tablet-Verkäufe steigen und die zusätzlichen Kosten der Modems sinken, so dass sich das Verhältnis bis 2016 auf 1:1 ändern könnte. ⓘ
Wie Mobiltelefone können auch mobile Breitbandmodems an einen bestimmten Netzbetreiber gebunden werden. Die Freischaltung eines Modems erfolgt auf dieselbe Weise wie die eines Telefons, nämlich mit Hilfe eines "Freischaltcodes". ⓘ
Das typische PC-Modem ist ein externes Gerät in flacher Bauform mit serieller Schnittstelle. Es wird meist per RS-232 oder zunehmend durch USB mit einem Rechner verbunden. Die Stromversorgung erfolgt normalerweise durch ein Steckernetzteil oder später über die USB-Schnittstelle. ⓘ
Im professionellen Bereich gibt es eine Bauform, die den Einbau in 19-Zoll-Gehäuse erlaubt. Im industriellen Bereich hat sich für Modems ein Gehäuse für die DIN-Hutschienenmontage im Schaltschrank etabliert. ⓘ
Eine alternative Bauform für Modems ist die Steckkartenform für einen standardisierten Steckplatz (i. a. PCI bei stationären PCs, Mini-PCI oder PCMCIA bei Notebooks) oder einen proprietären Sockel. Hier ist meistens noch eine zusätzliche Kapselung oder Schirmung vorhanden, um eine gegenseitige Störung von PC und Telefonleitung zu vermeiden. Der Status des Modems wird meist durch eine PC-Software angezeigt. ⓘ
Optisches Modem
Ein Modem, das an ein Glasfasernetz angeschlossen wird, wird als optisches Netzendgerät (ONT) oder optische Netzeinheit (ONU) bezeichnet. Diese werden in der Regel in Glasfaser-Hausinstallationen verwendet, die innerhalb oder außerhalb eines Hauses installiert werden, um das optische Medium in eine Kupfer-Ethernet-Schnittstelle umzuwandeln, woraufhin häufig ein Router oder Gateway installiert wird, um Authentifizierung, Routing, NAT und andere typische Internetfunktionen für Verbraucher durchzuführen, zusätzlich zu "Triple-Play"-Funktionen wie Telefonie und Fernsehen. ⓘ
Glasfasersysteme können die Quadraturamplitudenmodulation verwenden, um den Durchsatz zu maximieren. 16QAM verwendet eine 16-Punkte-Konstellation, um vier Bits pro Symbol zu senden, mit Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 200 oder 400 Gigabit pro Sekunde. 64QAM verwendet eine 64-Punkte-Konstellation, um sechs Bits pro Symbol zu senden, mit Geschwindigkeiten von bis zu 65 Terabit pro Sekunde. Obwohl diese Technologie bereits angekündigt wurde, ist sie noch nicht weit verbreitet. ⓘ
Heimnetzwerke
Obwohl die Bezeichnung Modem nur selten verwendet wird, kommen bei einigen Hochgeschwindigkeits-Heimnetzwerken Modems zum Einsatz, z. B. beim Powerline-Ethernet. Der von der ITU-T entwickelte G.hn-Standard beispielsweise bietet ein lokales Hochgeschwindigkeitsnetz (bis zu 1 Gbit/s), das die vorhandene Hausverkabelung (Stromleitungen, Telefonleitungen und Koaxialkabel) nutzt. G.hn-Geräte verwenden orthogonales Frequenzmultiplexing (OFDM), um ein digitales Signal für die Übertragung über die Leitung zu modulieren. ⓘ
Wie oben beschrieben, verwenden auch Technologien wie Wi-Fi und Bluetooth Modems, um über kurze Entfernungen per Funk zu kommunizieren. ⓘ
Nullmodem
Ein Nullmodemkabel ist ein speziell verdrahtetes Kabel, das zwischen den seriellen Anschlüssen von zwei Geräten angeschlossen wird, wobei die Sende- und Empfangsleitungen vertauscht sind. Es wird verwendet, um zwei Geräte ohne Modem direkt zu verbinden. Dieselbe Software oder Hardware, die normalerweise für Modems verwendet wird (z. B. Procomm oder Minicom), kann auch für diese Art der Verbindung genutzt werden. ⓘ
Ein Nullmodem-Adapter ist ein kleines Gerät mit Steckern an beiden Enden, das auf das Ende eines normalen seriellen Kabels gesteckt wird, um es in ein Nullmodem-Kabel umzuwandeln. ⓘ
Kurzstreckenmodem
Ein "Kurzstreckenmodem" ist ein Gerät, das die Lücke zwischen Standleitungs- und Einwahlmodems schließt. Wie ein Standleitungsmodem übertragen sie über "nackte" Leitungen ohne Strom oder Vermittlungseinrichtungen der Telefongesellschaft, sind aber nicht für die gleichen Entfernungen gedacht, die mit Standleitungen erreicht werden können. Reichweiten von bis zu mehreren Kilometern sind möglich, aber Kurzstreckenmodems können auch für mittlere Entfernungen verwendet werden, die größer sind als die maximale Länge eines einfachen seriellen Kabels, aber immer noch relativ kurz, z. B. innerhalb eines einzelnen Gebäudes oder Campus. Auf diese Weise kann eine serielle Verbindung über mehrere hundert bis tausend Meter verlängert werden, ein Fall, in dem die Beschaffung einer ganzen Telefon- oder Mietleitung ein Overkill wäre. ⓘ
Während einige Kurzstreckenmodems tatsächlich mit Modulation arbeiten, handelt es sich bei einfachen Geräten (aus Kosten- oder Stromverbrauchsgründen) um einfache "Leitungstreiber", die den Pegel des digitalen Signals erhöhen, es aber nicht modulieren. Technisch gesehen handelt es sich dabei nicht um Modems, aber die gleiche Terminologie wird für sie verwendet. ⓘ
Geschichte des Modems in Deutschland
Bei der Deutschen Bundespost wurden Modulationsverfahren schon früh in der Rundfunktechnik und später in der Trägerfrequenztechnik eingesetzt (wireless modulation). Der Einsatz in der leitungsgebundenen Kommunikation (wireline modulation) begann in Deutschland 1966 mit der Vorstellung der ersten Modems durch die Deutsche Bundespost. ⓘ
Diese Geräte hatten ein Blechgehäuse mit den Außenmaßen von etwa 60 cm × 30 cm × 20 cm und waren für die Wandmontage vorgesehen. Sie wurden Übergangsmodem D 1200 S genannt. Die Zahl 1200 stand für die maximale Übertragungsgeschwindigkeit in bit/s, der Buchstabe S für „Serielle Übertragung“ (zur Unterscheidung von Modems mit paralleler Übertragung). Als direkte Nachfolger gab es Modems als Tischgerät mit der Bezeichnung Einheits-Postmodem D 1200 S und Einheits-Postmodem D 200 S. Diese entsprachen den ITU-T-Empfehlungen V.23 (1200 bit/s, Halbduplex-Betrieb, Möglichkeiten eines Hilfskanals und einer synchronen Übertragung durch Einsatz einer Taktbaugruppe) bzw. V.21 (asynchrone Duplex-Übertragung mit 200 oder 300 bit/s). ⓘ
Bis Mitte der 1980er Jahre war es in Deutschland wie in vielen anderen Ländern nicht erlaubt, andere als posteigene Modems an die Telefonleitung anzuschließen. Das Modem zählte als Netzabschluss, der wie die Leitung auch zum Telefonnetz und damit zum Hoheitsbereich der staatlichen Deutschen Bundespost gehörte. Als trotzdem zunehmend private Modems benutzt wurden, weil diese erheblich billiger, schneller und benutzerfreundlicher waren als die Modems der Post, ließ sich das Modem-Monopol nicht mehr aufrechterhalten und wurde 1986 aufgehoben. ⓘ
Die Deutsche Bundespost verlangte außerdem, dass die an ihre Modems angeschlossenen Geräte eine Zulassung des Fernmeldetechnischen Zentralamts besaßen. Da das speziell bei größeren Rechnersystemen nur schwer zu realisieren war, gingen einige Hersteller dazu über, sogenannte Modemadapter zu bauen. Diese Geräte waren bis auf einige Leuchtdioden zum Anzeigen der Modem-Steuersignale praktisch funktionslos, erhielten aber problemlos die Zulassung (siehe Bild rechts mit dem MODAP der Firma DEC unter dem D 200 S03). Die Ziffern „03“ im Namen deutet auf eine technische Bearbeitung dieses Modems hin. Oft wurden vorhandene Geräte von der Deutschen Bundespost im Fernmeldezentralzeugamt Elmshorn umgerüstet. ⓘ
Modem-Varianten
Wählleitungsmodem
Ende der 1980er Jahre gab es als Weiterentwicklung der Akustikkoppler die ersten Telefonmodems. Üblich waren hier Schrittgeschwindigkeiten von 300 Baud. Bei den ersten Modems war die Schrittgeschwindigkeit oder Symbolrate, ausgedrückt in der Einheit Baud, noch identisch mit der Datenübertragungsrate, ausgedrückt in diesem Zusammenhang oft als Bitrate in bit/s oder bps. Aus dieser damaligen Gleichheit folgte die in Folge oft falsche Gleichsetzung von Symbolrate und der Bitrate: Während die Symbolrate durch die physisch limitierte Bandbreite der Telefonanschlussleitung an ein oberes Limit bei ca. 3000 Baud stieß, konnte die erzielbare Bitrate durch effizientere digitale Modulationsverfahren und verbesserte Kanalcodierung in den Folgejahren bis zur theoretischen Grenze der Kanalkapazität der Telefonanschlussleitung gesteigert werden. Das erste Modem mit einer Bitrate von 2400 bit/s wurde 1990 auf der Cebit vorgestellt, ein Jahr später folgte das erste postzugelassene Modem mit 9600 bit/s nach dem ITU-T Standard V.32, das über Datenkompression bei nicht komprimierten Quelldaten bis zu 38400 bit/s schaffte. ⓘ
Die Deutsche Bundespost erlaubte jedoch an den deutschen Telefonnetzen nur die Nutzung ihrer zugelassenen Modems, die entweder monatlich gemietet oder gekauft werden konnten. Da diese Preise deutlich die Preise anderer Modem-Hersteller übertrafen, wurden teilweise Modems anderer Hersteller illegal am deutschen Telefonnetz betrieben. 1988 kostete ein MicroLink 2400M von ELSA als Tischmodell 1950 DM. Ein MicroLink 28.8 TQV kostete 1996 etwa 280 DM. ⓘ
Rückrufmodem
Für die Fernwartung von Großrechnern und Servern gab es auch Rückrufmodems. Bei der Konfiguration des Modems wurde eine Rufnummer einprogrammiert. Wird es von außen angewählt, wird ein Passwort abgefragt. Nach Eingabe des Passworts "legt" das Modem auf und wählt die bei der Konfiguration hinterlegte Rufnummer zurück. Wählt ein Hacker dies Modem an, kann er zwar evtl. das Passwort richtig eingeben, wird anschließend aber "abgehängt", denn der Rückruf geht zum rechtmäßigen EDV-Mitarbeiter, dem die einkonfigurierte Rufnummer gehört. ⓘ
Funkmodem
Funkmodem
Oft sind Funkmodems in anderen Geräten – etwa in Mobiltelefonen – integriert, und der jeweilige Kanal wird mehrfach genutzt (z. B. bei Tonrufsystemen für Sprache und Daten). ⓘ
Im Funkbereich existieren zahlreiche Anwendungen, mit denen Fernwirk- oder Fernsteuerungsaufgaben per Modulation gelöst werden. Ein Beispiel sind Funkfernsteuerungen im Modellbau. ⓘ
Das GSM-, das UMTS-, das LTE- und das 5G-Netz benutzen für die Datenübertragung per Funk Modulationsverfahren mit digitaler Modulation, während das Vorgängersystem C-Netz noch analoge Modulation verwendete. Digital ist hierbei das Nutzsignal, das vom Modulator in ein Funksignal umgesetzt wird. Hierdurch wird die Übertragung deutlich unempfindlicher gegen Störungen, da das digitale Nutzsignal im Gegensatz zum kontinuierlichen analogen Signal nur bekannte, diskrete Werte annehmen kann, auf die der Empfänger bei (nicht zu starken) Störungen in der Übertragung noch schließen kann. ⓘ
Satmodem
Satmodems oder Satelliten-Modems dienen der Datenübertragung über einen Kommunikationssatelliten. Hierfür wandeln Satelliten-Modems einen Eingangs-Bitstrom in ein Funksignal um und umgekehrt. Es gibt eine breite Palette von Satelliten-Modems, von preiswerten Geräten für den Internetzugang zu Hause bis hin zu kostspieligen multifunktionalen Geräten für den Einsatz in Unternehmen. Dabei werden Geräte, die nur einen Demodulator für das Herunterladen von Daten via Satellit besitzen, als Satelliten-Modems bezeichnet. In diesem Fall werden die hochgeladenen Daten durch ein herkömmliches Telefonmodem, DSL-Modem oder ISDN übertragen. ⓘ
Statusanzeige
Zur Statusanzeige befindet sich an der Vorderseite externer Modems oft eine Zeile mit Leuchtdioden, die den Zustand des Modems und der Schnittstellenleitungen anzeigen. Üblich sind seit dem Hayes Smartmodem mindestens folgende Funktionsanzeigen und Kürzel:
| Kürzel | Bezeichnung | Beschreibung der Funktionsanzeige ⓘ |
|---|---|---|
| AA | Auto-Answer | Eingehende Anrufe werden automatisch angenommen und eine Datenverbindung initiiert. |
| CD | Carrier Detect | Eine Verbindung zum entfernten Modem wurde festgestellt. |
| OH | Off Hook | Die Telefonleitung ist offen (abgenommen). |
| RD | Receive Data | Der Computer Empfängt Daten vom Modem. |
| SD | Send Data | Der Computer sendet Daten zum Modem. |
| TR | Terminal Ready | Das Data Terminal Ready Signal (DTR) liegt vor und zeigt damit eine stehende Verbindung zum Computer an. |
| MR | Modem Ready | Das Modem ist eingeschaltet. |
Hersteller von Modem-Hardware
- Arris International
- AVM GmbH (Fritz!Box)
- Bausch Datacom, 1990 Hersteller der ersten Niedrigpreis-Modems für die Firma Vobis
- Baycom, Hersteller von Amateurfunk-Modems
- Cisco Systems
- Compal
- Conexant (ehemals Rockwell), liefert insbesondere OEM-Chipsätze
- ConiuGo Hersteller von industriellen Mobilfunk Modems (seit 1998)
- Creatix
- devolo, aus der ELSA AG hervorgegangen
- Diamond Multimedia, mit der Marke Supra und Modellen wie Supra Express
- Dr. Neuhaus, mit den Modems der Smarty- und FURY-Reihe, neben ELSA einer der ersten Hersteller von Modems mit Postzulassung für den Privatanwender (seit 1988)
- ELSA AG
- FlexDSL Telecommunications AG, Hersteller industrieller Modems
- Hayes Microcomputer Products, erfand den AT-Befehlsstatz und damit die Möglichkeit Modems extern via RS-232 anzubinden. Das Hayes Stack Smartmodem war 1981 das erste dieser Bauart.
- Hitron
- IBM
- Keymile
- miro
- Motorola
- Phoenix Contact, Hersteller industrieller Modems
- Qualcomm
- RAD Data Communications, Hersteller industrieller Modems
- Siemens, Hersteller industrieller Modems
- Scientific Atlanta, seit 2005 eine Tochtergesellschaft von Cisco Systems
- Sprint Nextel, US-amerikanische Telefongesellschaft
- Technicolor
- Telebit, deren „TrailBlazer“ hatte ein ähnliches Modulationsverfahren wie heute DSL
- Tixi.Com, Hersteller industrieller Modems
- Ubee
- U.S. Robotics/3Com, mit der Marke Courier
- Westermo, Hersteller industrieller Modems
- ZyXEL ⓘ