Vanhin modeemien käyttämä modulaatiotapa on taajuusmodulaatio, jossa ykkösbitti vastaaa pienempää taajuutta ja nolla suurempaa. Modulaatiosta käytetään lyhennettä FSK (=Frequency Shift Keying) ja sillä päästään vain 300 bps siirtonopeuteen.
Nykyisin yleisin perusmodulointitapa on vaihemodulaatio, PSK (=Phase Shift Keying), jossa jokainen bittimuutos saa aikaan vaihemuutoksen lähettävään perustaajuuteen.
Jotta bittitaajuus saadaan kasvamaan yli modulaatiotaajuuden, jaetaan tietokoneesta tuleva bittivirta bittiryhmiin. Yksinkertaisin ryhmittely saadaan kahden bitin ryhmillä, joita kutsutaan englanninkielisellä termillä "dibit". Kahdella bitillä saadaan yhteensä neljä eri kombinaatiota, ja näille kullekin annetaan sitten vastaava vaihearvo.
Kantoaallolla voi siis olla neljä erilaista vaihetilaa, jotka kantavat digitaaliset viestit eteenpäin. Näin saadaan bittitaajuus kasvamaan kaksinkertaiseksi modulaatiotaajuuteen nähden. Bittien ryhmittelyä voidaan jatkaa kolmen bitin ryhmiin, jolloin saadaan kahdeksan erilaista vaihearvoa kantoaaltoon. Tämäntyyppisellä vaihemodulaatiolla toteutetaan esimerkiksi modeeminormi V.22, jossa siirtonopeus on 2400 bittiä sekunnissa.