Типичным и наиболее распространенным типом аналоговых каналов передачи данных являются телефонные каналы общего пользования (каналы тональной частоты). В каналах тональной частоты полоса пропускания составляет 0,3...3,4 кГц, что соответствует спектру человеческой речи.
Для передачи дискретной информации по каналам тональной частоты необходимы устройства преобразования сигналов, согласующие характеристики дискретных сигналов и аналоговых линий.
Согласование параметров сигналов и среды при использовании аналоговых каналов осуществляется с помощью воплощения сигнала, выражающего передаваемое сообщение, в некотором процессе, называемом переносчиком и приспособленном к реализации в данной среде. Переносчик в системах связи представлен электромагнитными колебаниями некоторой частоты, называемой несущей частотой:

где — амплитуда, — частота, — фаза колебаний несущей. Изменение параметров несущей (переносчика) по закону передаваемого сообщения называется модуляцией. Если это изменение относится к амплитуде , то такую модуляцию называют амплитудной модуляцией (АМ), если к частоте частотной модуляцией (ЧМ), и если к фазе — фазовой модуляцией (ФМ). При приеме сообщения предусматривается обратная процедура извлечения полезного сигнала из переносчика, называемая демодуляцией. Модуляция и демодуляция выполняются в устройстве, называемом модемом.
Модем (слово "модем" образовано из первых слогов слов "модуляция" и "демодуляция") — устройство преобразования электрических сигналов, представляющих передаваемые данные, при взаимодействии аппаратуры окончания канала данных и линий связи. Сигналы, передаваемые в линию, модулируются, а принимаемые из линии — демодулируются.
При амплитудной модуляции на входы модулятора поступают сигнал и несущая . Например, если сигнал есть гармоническое колебание

с амплитудой и частотой , то на выходе нелинейного элемента в модуляторе будут модулированные колебания


где — коэффициент модуляции. Следовательно, на выходе модулятора в спектре сигнала присутствуют несущая частота и две боковые частоты + и . Если сигнал занимает некоторую полосу частот, то в спектре модулированного колебания появятся две боковые полосы, как это показано на рис. 1.
При амплитудной модуляции во избежание искажений, называемых качанием фронта, нужно выполнение условия , где и — соответственно несущая и модулирующая частоты. Соблюдение этого условия при стандартной (для среднескоростной аппаратуры передачи данных) несущей частоте 1700 Гц не может обеспечить информационные скорости выше 300 бит/с. Поэтому в модемах применяют дополнительное преобразование частоты: сначала производят модуляцию несущей, имеющей повышенную частоту, например = 10 кГц, затем с помощью фильтра выделяют спектр модулированного сигнала и с помощью преобразователя частоты переносят модулирующие колебания на промежуточную частоту, например 1700 Гц. Тогда при боковых полосах до 1400 Гц спектр сигнала согласуется с полосой пропускания телефонных линий. Однако достигаемые при этом скорости передачи данных остаются невысокими.
Рис. 1.  Спектры модулирующего и модулированного сигналов при АМ
Скорости передачи повышаются с помощью квадратурно-амплитудной или фазовой модуляции за счет того, что вместо двоичных модулирующих сигналов используются дискретные сигналы с большим числом возможных значений.
Квадратурно-амплитудная модуляция (QAM — Quadrature Amplitude Modulation) основана на передаче одним элементом модулированного сигнала бит информации, где = 4...8 (т.е. используются 16...256 дискретных значений амплитуды). Однако для надежного различения этих значений амплитуды требуется малый уровень помех (отношение сигнал/помеха должно быть не менее 12 дБ при = 4).
При меньших отношениях сигнал/помеха лучше применять фазовую модуляцию с четырьмя или восемью дискретными значениями фазы для представления соответственно 2 или 3 бит информации. Тогда при скорости модуляции в 1200 бод (т.е. 1200 элементов аналогового сигнала в секунду, где элемент — часть сигнала между возможными сменами фаз) и четырехфазной модуляции скорость передачи данных равна 2400 бит/с. Используются также скорости передачи 4800 бит/с (при скорости модуляции 1600 бод и восьмифазной модуляции), 9600 бит/с и более при комбинации фазовой и амплитудной модуляций.
Фазовая модуляция (PSK — Phase Shift Keying) двумя уровнями сигнала (1 и 0) осуществляется переключением между двумя несущими, сдвинутыми на полпериода друг относительно друга. Другой вариант PSK основан на изменении фазы на в каждом такте при передаче нуля и на , если передается единица.