第5章 伝送理論と伝送技術 ５．１ 電気通信設備の概要 ５．２ アナログ伝送方式 ５．３ ディジタル伝送方式 ５．４ データ伝送方式 ５．５ 伝送線路 ５．６ 漏話・雑音など ５．３ ディジタル伝送方式 ５．３．１ ５．３．２ ５．３．３ パルス符号変調方式（ＰＣＭ） 時分割多重化方式（ＴＤＭ） 同期方式 ５．３．１ パルス符号変調方式 （１）各種のディジタル変調方式 ①ディジタル信号 （変調信号） １ ０ １ １ ０ １ f1 f０ f1 f1 f０ f1 ０ π ０ ０ π ０ ②搬送波 ③振幅変調（ＡＭ） （伝送ではあまり使われない） ④周波数変調（ＦＭ） ⑤位相変調（ＰＭ） （２相位相変調の場合） 差動位相変調方式 受信側では，どれが基準波の位相かを判断できない 先行する搬送波の位相との差によって判定する。 これを差動位相変調方式と呼ぶ 位相変位 振幅位相変調 4相 APM（Amplitude Phase Modulation） 8相 1010 01 00 011 000 010 1011 基準 111 0010 0011 0111 001 基準 1000 0000 0001 1001 1111 11 2,400 bps 10 110 100 4,800 bps 101 0110 1110 基準 0101 0100 1100 9,600 bps 1101 （２）音声信号のディジタル化 ①パルス振幅変調（PAM:Pulse Amplitude Modulation） 音声信号をパルスの振幅変化に変換。雑音やひずみによって振幅が変化し 伝送品質が劣化する。 ②パルス幅変調（PWM:Pulse Wide Modulation） 雑音の影響は受けにくいが，パルス波形のひずみが伝送品質に直接影響す る。 ③パルス位相変調（PPM:Pulse Phase Modulation） パルス幅を変えないで一定の高さと幅を持ったパルスを基準時点からパルス 幅に相当する時間だけ伝送する。パルスの位置が伝送路の雑音やひずみを 受ける。 ④パルス符号変調（PCM:Pulse Code Modulation） パルスの有無の組合せによる符号で伝送する。伝送路による伝送品質に対 する影響が少ない。 （３）アナログ信号と比較した ディジタル信号の優位性 ①位相のずれや振幅ひずみの影響を受けにくく，雑音妨害に強い。 ②漏話（cross talk）がなく，時分割が可能である。 ③画質劣化や音質劣化を意識せず複写が可能である。 ④コンピュータ処理が可能である。 ［注］ 画像・動画をディジタルデータとして転送するには， 広い伝送帯域が必要であり，コストも高いが， ＩＣ技術，光通信技術などのディジタル技術， 帯域圧縮技術等の進歩・発展が著しい。 （４） 標本化・量子化・符号化 （ａ）ＰＣＭ方式の流れ パルス符号変調（ＰＣＭ：Pulse Code Modulation）方式の例 (入力) ① ② 標本化 量子化 ③ 符号化 （あるいはサンプリング） (出力) 伝送路 ⑤ 補間ろ波 ④ 復号化 （ｂ）標本化 ① 一定の時間間隔でアナログ信号の振幅値を抽出すること。 １秒間をいくつに分割するかをサンプリング周波数という。 ② 振幅に応じて変化するパルスを PAM（Pulse Amplitude Modulation）という。 ③ 標本化定理 「原信号に含まれている最高周波数の２倍以上で標本化すれば， 原信号を完全に復元できる」 周波数帯域は 0.3～3.4 kHz であるから 余裕をもって最高周波数を約 4 kHzとすると， 標本化周波数は，8 kHz以上となる。 パルス間隔は 1／8,000=125μ秒以下となる。 （ｃ）量子化・符号化 ① 標本値は無限個の実数値であるが， これを有限個の値にする。すなわち整数化を行う。 ② 区切られたステップ数を量子化ステップという。 ③ 量子化によって区切られた値を ０，１の符号（２進数）の信号に変換することを符号化といい， 信号が何ビットで表現されるかを量子化ビットという。 ④ 量子化の際の丸め誤差による雑音を量子化雑音という。 ⑤ サンプリング周波数が高く，量子化ビットが多いと 量子化雑音が少なくなり，音質が良くなる。 （ｄ）復号化・補間ろ波 ① デジタル伝送路より受け取ったパルスを 受信側とは逆の操作でPAMパルスに戻すことを復号化という。 ② PAMパルスを滑らかに結ぶことで 送信前のアナログ信号に戻すことを補間ろ波という。 ③ 補間ろ波は低域フィルタと同じである。 音声信号の場合，4 kHz以下の周波数だけを取り出すことで 実現される。 サンプリング 間隔 音声波形 ＰＡＭパルス 間隔 ＰＡＭパルス 補間ろ波 （ｅ）音声のビットレート ① 電話伝送では，PAMパルスをパルス８で符号化する。 これを「符号化ビット数が８である」という。 ② 秒あたりのパルス数をビットレート（単位：bits/sまたはbps）と いう。標準的には，符号化ビット数が８であるため 8bits×8,000回/秒 = 64,000 bits/s = 64 kbps となる。 （５）音楽等のデータについての補足 ①人間が耳で感じることができる周波数範囲は，音声信号より広く， 20 Hz ～ 16 kHz 程度である。 ②特に感度が良いのは， 1,200～4,000 Hz のあたりである。 ③音として感じる強さの限界を最低可聴値という。 ５．３．２ 時分割多重化方式 （１）パルス符号変調の多重化方式 ＴＤＭの構成モデル スイッチＳおよびＲは同一速度でなければならない CH1 CH2 CH3 CH4 CH1 CH2 CH3 CH4 伝送路 送信 ロータリースイッチS 受信 ロータリースイッチR 条件 ①送信側のすべてのパルスの速度は同じである。 ②両回転スイッチは常に同一速度で回転する。 受信された多重化信号からタイミング信号を抽出する（クロック同期） ③ロータリスイッチの接点位置を同じ位置に合わせなければならない。 ロータリスイッチの回転ごとに特定のパターンを挿入する（フレーム同期） ビットデータの多重化の様子 ビットデータの多重化する例を示す 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 CH1 0 CH2 CH3 CH8 多重化 0 1 0 1 1 C H 8 C CC H HH 3 2 1 1 0 0 0 (b) TDMの多重化の様子 1 1 1 1 0 1 0 ロータリー スイッチが 1回転する時間 時 間 ＰＡＭデータ多重化の様子 ＰＡＭデータの多重化 CH1 CH2 CH3 CH8 多重化 C H 4 C H 3 C H 2 C H 1 (b) TDMの多重化の様子 ロータリー スイッチが 1回転する時間 時 間 ＰＣＭ波形の多重化の様子 多重化されたＰＣＭ波形 1フレーム （ 8 ビット ×24 チャネル + 1 = 193タイムスロット） 1 ／8,000秒 = 125 μ秒 CH1 約 5.2 μ秒 （≒ 125／24 μs） CH2 約 5.2 μ秒 CH24 約 5.2 μ秒 1タイムスロット0.65 μs 0.324 μs 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 フレーム同期パルス 1タイムスロット ＝ 125μ秒／193 ＝ 0.648μ秒（1.544MHz） 1デューティ ＝ 1タイムスロット／2 ＝0.324μ秒 ＰＣＭ信号のＳ／Ｎ比 ビット数と信号対雑音比 ビット数Ｎ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ １１ １２ １３ １４ １５ １６ レベル数２Ｎ 16 32 64 128 256 512 1,024 2,048 4,096 8,192 16,384 32,768 65,536 Sp／Nf 35［ｄＢ］ 41 47 53 59 65 71 77 83 89 95 101 107 Ｓp:信号の最大振幅値, Nf:雑音の実効値 Ｓp/Nf bit数 Ｓp／Nf＝6.02×N＋10.8 [dB] ５．３．３ 同期方式 （１）クロック同期（またはビット同期） ビット同期の２つの方法 ①スタッフ同期 ダミーのパルス（スタッフパルスという）を挿入することで同期化し， 受信側でそのパルスを除去する。 多重化する信号相互の周波数が一致しないので非同期多重とも呼ぶ。 ②網同期 全国各地にまったく同一の周波数を分配し， これに基づいて伝送装置，ディジタル交換機，ディジタル端末等に 必要なクロックを供給する。 スタッフ同期のStuffとは「詰める」という意味の英語。 Staff（職員）の意味ではないので気をつけたい。 スタッフ同期の原理 （２）スタッフ同期 入力信号１ f1 同 期 が と れ て い る 出力信号１ 読み出し クロック f 0 出力信号２ 入力信号２ f2 f 0 f1 , f 0 f 2 スタッフビット 同 期 が と れ て い な い スタッフ同期多重の原理 6 5 4 6 5 4 3 2 1 3 2 1 スタッフ パルス フレーム 同期信号 スタッフ 挿入 回路 同期が 取れていない 同期が 取れている スタッフ パルス 多重化 6’5’4’3’2’1’ 6’5’4’ 3’2’1’ スタッフ 挿入 回路 低速側 スタッフ同期多重 高速側 6’6 5’5 4’4 フレーム パルス 挿入回路 3’3 2’2 1’1 多重出力信号 （３）網同期 通信網内の各装置の基本周波数を一致させることで同期をとる方法。 ［網同期の種類」（従属同期方式が最も用いられている） ① 独立同期方式 それぞれの交換局に高精度の発振機を独立に設置して， 同一周波数で動作させるもので国際間の通信に用いられる． ② 従属同期方式 特定の交換局に主発振機を置き， 分配器を通じて基本周波数(クロック)を分配する． 必然的に基本周波数が一致することになるので，容易に多重化することができる． ③ 相互同期方式 各交換局が制御発振機を設置し，接続される他局の発振機と相互に同期を取る方法． それぞれの交換局に高精度の発振機を独立に設置して，同一周波数で動作させる． 同期多重 同期多重：網同期を用いて多重化すること。 ［同期多重の種類］ ①周波数同期多重 多重化しようとする信号のビット位置だけを合わせて多重化する。 ②位相同期多重方式 フレーム位相も正しく合わせる スタッフ同期と網同期多重 同期方式 スタッフ同期多重 （非同期多重） フレームパルスの挿入 網同期多重 （同期多重） ビット同期多重（位相のみを合わせる） （周波数同期多重） 位相同期多重 （フレーム位相までを合わせる）
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