エンジニアは常に、チャネル上で送信できるデータの量、または指定されたチャネルの制限送信レートはいくらかという質問を検討します。これはチャネル容量の問題です。例えば、xDSLシステムでは、伝送媒体として数メガバイトの帯域しか持たない電話回線を使用し、その上で数メガバイト、数十メガバイト、さらには数十メガバイトの帯域幅のデータを伝送する必要があります。ツイストペアでの伝送は信頼できますか? あるいは、別の観点から見ると、特定の帯域幅 (Hz) で物理チャネル上で情報を確実に送信するには、どの程度の高いデータ レート (b/S) を使用できるでしょうか?
1924 年という早い時期に、AT&T エンジニアのナイキスト (ヘンリー ナイキスト) は、どのチャネルでもシンボル送信レートには上限があることに気づき、ノイズのない有限の帯域幅チャネルの最大データ転送レートを計算するための計算式を導き出しました。 、これが今日のナイキスト定理です。この定理はノイズのない環境でのチャネルの最大データ送信レートの計算にのみ限定されているため、ノイズの多い環境でのチャネルの最大データ送信レートを効果的に計算することはできません。そのため、1948 年にシャノン (クロード シャノン) Nyquis Te の研究は、チャネルがランダム ノイズによって干渉される場合にさらに拡張されます。つまり、ランダム ノイズ干渉の場合のチャネルの最大データ送信レートが計算されます。これが今日のシャノンの定理です。これら 2 つの定理は、以下で個別に紹介されます。
1. ナイキスト定理
ナイキストは、帯域幅が W Hz の理想的なチャネルでは、最大シンボル (信号) レートが 2W ボーであることを証明しました。この制限は、シンボル間干渉の存在によるものです。送信信号に M 個の状態値が含まれる場合 (信号の状態数は M)、WHZ チャネルが伝送できる最大データ送信レート (チャネル容量) は次のようになります。
C =2×W×log2M（bps）
W Hz の帯域幅のチャネルで送信される信号がバイナリ信号であると仮定すると (つまり、チャネル内に物理信号が 2 つだけあります)、信号が伝送できる最大データ送信レートは 2Wbps です。たとえば、帯域幅 3KHz の音声チャネルを使用してモデムを介してデジタル データを送信する場合、ナイキスト定理によれば、送信側は 1 秒あたり最大 2×3000 シンボルしか送信できません。信号の状態数が 2 の場合、各信号は 1 ビットの情報を伝送でき、音声チャネルの最大データ伝送速度は 6Kbps になります。信号の状態数が 4 の場合、各信号は 2 ビットの情報を伝送できます。情報ビットの場合、音声チャネルの最大データ転送速度は 12Kbps です。
したがって、特定のチャネル帯域幅に対して、異なる信号ユニットの数を増やすことによってデータ送信速度を向上させることができます。ただし、受信側でシンボルを受信するたびに、2 つの可能な信号値の 1 つを区別するだけでなく、M 個の可能な信号の 1 つを区別する必要があるため、受信側の負担が増加します。伝送媒体上のノイズにより、M の実際の値が制限されます。
2. シャノンの定理
ナイキストはノイズのない理想的なチャネルを考慮しており、ナイキストの定理は、他のすべての条件が等しい場合、チャネル帯域幅を 2 倍にするとデータ転送速度が 2 倍になると述べています。しかし、ノイズの多いチャンネルの場合、状況はすぐに悪化します。ここで、データ転送速度、ノイズ、ビットエラー率の関係を考えてみましょう。ノイズが存在すると、1 ビット以上のデータが破損します。データ転送速度が増加すると、各ビットにかかる時間が短縮されるため、より多くのビットにノイズが影響し、ビットエラー率が増加します。
ノイズの多いチャネルの場合、信号強度を高めることで、受信機のデータを正しく受信する能力を向上させることができればと考えています。チャネルの品質を測定するパラメータは、信号対雑音比 (S/N) です。これは、チャネル内の特定の点に存在する信号電力と雑音電力の比です。通常、信号対ノイズ比は受信側で測定されます。受信側で信号が処理され、ノイズが除去されるからです。S が信号パワー、N がノイズパワーを表す場合、信号対ノイズ比は S/N で表されます。便宜上、一般に信号対雑音比を表すのに 10log10 (S/N) が使用され、単位はデシベル (dB) です。S/N の値が高いほど、チャネルの品質が高くなります。たとえば、S/N が 1000 の場合、信号対雑音比は 30dB、S/N が 100 の場合、信号対雑音比は 20dB、S/N が 10 の場合、信号対雑音比は 30dB です。対雑音比は10dBです。
ノイズの多いチャネルを介してデジタル データを送信する場合、S/N 比は非常に重要です。これは、ノイズの多いチャネル、つまり帯域幅 W のチャネルで達成できるデータ送信レートの上限を設定するためです。 Hz および S/N の信号対雑音比、最大データ伝送速度 (チャネル容量) は次のとおりです。
C = W×log2(1+S/N)（bps）
たとえば、帯域幅が 3KHz、信号対雑音比が 30dB (S/N が 1000) の音声チャネルの場合、バイナリ データの送信に使用されるレベルの信号の数に関係なく、データ伝送速度は 30Kbps を超えることはできません。 。シャノンの定理は理論上の限界を与えるだけであり、実際のアプリケーションで達成できる速度ははるかに低いことに注意してください。その理由の 1 つは、シャノンの定理が熱雑音 (ホワイト ノイズ) のみを考慮しており、インパルス ノイズなどの要素が考慮されていないことです。
シャノンの定理により、エラーのないデータ伝送速度が得られます。シャノンはまた、チャネルの実際のデータ レートがエラーのないデータ レートよりも低いと仮定した場合、適切な信号エンコーディングを使用してエラーのないデータ レートを達成することが理論的に可能であることも実証しました。残念なことに、シャノンはこのエンコーディングを見つける方法を示していません。シャノンの定理が実際の通信システムのパフォーマンスを測定するための標準を提供していることは否定できません。
3. 符号化と変調
上記の 2 つの定理について話した後、符号化と変調の説明について話しましょう。
ソースとシンク
ソースとシンクはネットワークの 2 つの専門用語ですが、実際には、ソースとシンクは単に情報の送信者と受信者として理解できます。情報配布のプロセスは一般に、ソース→チャネル→シンクとして説明できます。従来の情報発信の過程では、情報源の資格には厳しい制限があり、通常はラジオ局、テレビ局、その他中央集権的な組織を指します。コンピュータ ネットワークでは、情報源の資格に特別な制限はなく、あらゆるネットワーク内の任意のコンピュータが情報の発信元となることができ、当然、任意のネットワーク内の任意のコンピュータが宛先となることもできます。
伝送媒体とそのフォーマットの制限により、通信双方の信号を直接伝送することはできず、伝送媒体の特性に合わせて信号を処理する必要があります。宛先に正しく送信されました。
変調とは、デジタルまたはアナログ データを搬送するためにアナログ信号を使用することを指しますが、エンコードとは、デジタルまたはアナログ データを搬送するためにデジタル信号を使用することを指します。
現在、伝送チャネルには主にアナログチャネルとデジタルチャネルの 2 種類があり、アナログチャネルは一般にアナログ信号の伝送のみに使用され、デジタルチャネルは一般にデジタル信号の伝送のみに使用されます。場合によっては、デジタル チャネルを使用してアナログ信号を送信したり、アナログ チャネルを使用してデジタル信号を送信したりする必要があり、このとき、送信データをそのチャネルで送信できるデータ型、つまりアナログに変換する必要があります。信号とデジタル信号、符号化と変調の主な内容である信号変換。もちろん、アナログデータとデジタルデータをチャネルを通じてどのように送信するかという問題も、符号化と変調の重要な内容です。次に、アナログチャネルを使用したアナログ信号伝送、デジタルチャネルを使用したアナログ信号伝送、アナログチャネルを使用したデジタル信号伝送、デジタルチャネルを使用したデジタル信号伝送の 4 つの側面からデータの変調と符号化を紹介します。
1. アナログ信号はアナログチャネルを使用して送信されます
アナログ データをアナログ チャネルで直接送信できる場合もありますが、これはネットワーク データ送信では一般的に使用されず、依然としてアナログ データを変調してアナログ チャネル経由で送信します。変調の目的は、長距離伝送のためにアナログ信号を高周波搬送波信号に変調することです。現在、既存の変調方式には主に振幅変調（Amplitude Modulation、AM）、周波数変調（Frequency Modulation、FM）、位相変調（Phase Modulation、PM）が含まれます。
2. アナログ信号はデジタルチャネルを使用して送信されます
アナログ信号をデジタル チャネルで送信するには、まずアナログ信号をデジタル信号に変換する必要があります。この変換プロセスはデジタル化プロセスです。デジタル化プロセスには、主に採用と量子化の 2 つのステップが含まれます。アナログ信号をデジタル チャネルにエンコードする一般的な方法には、主にパルス振幅変調 (PAM)、パルス符号変調 (PCM)、差動パルス符号変調 (差動 PCM、DPCM)、増分パルス符号変調 (デルタ変調、DM) があります。
3. デジタル信号はアナログチャネルを使用して送信されます
アナログ チャネルを使用してデジタル信号を送信するプロセスは変調プロセスです。変調プロセスは、デジタル信号 (バイナリ 0 または 1) で表されるデジタル データを使用してアナログ信号の特性を変更するプロセスです。バイナリ データをアナログ信号に変調するプロセス。
正弦波は、振幅、周波数、位相の 3 つのプロパティによって定義できます。これらのプロパティのいずれかを変更すると、別の形式の波が得られます。元の波が 2 進数 1 を表す場合、波の変形は 2 進数 0 を表すことができ、その逆も同様です。波の 3 つの特性はどれもこの方法で変更でき、デジタル データをアナログ信号に変調するための少なくとも 3 つのメカニズム、振幅偏移キーイング (ASK)、周波数偏移キーイング (周波数偏移キーイング、FSK)、および位相偏移キーイング (位相偏移キーイング、PSK)。さらに、直交振幅変調 (QAM) と呼ばれる、振幅と位相の変化を組み合わせたメカニズムがあります。その中でも直交振幅変調は最も効率が高く、今日のあらゆるモデムでよく使われている技術でもあります。
4. デジタル信号はデジタルチャネルを使用して送信されます
デジタル信号がデジタル チャネルで送信される場合、最初にデジタル信号をエンコードする必要があります。たとえば、これはコンピュータからプリンタにデータを転送するときによく使用されます。この方法では、まずデジタル信号をエンコードする必要があります。つまり、コンピュータによって生成されたバイナリの 0 および 1 デジタル信号が、有線で送信できる一連の電圧パルスに変換されます。ソースをコーディングするとデータ レートが低下し、情報量の効率が向上します。また、チャネルをコーディングするとシステムの耐干渉能力が向上します。
現在、一般的なデータ符号化方式には主にノンリターンツーゼロ符号化、マンチェスタ符号化、差分マンチェスタ符号化が含まれる。
(1) ノンリターントゥゼロ（NRZ、Non-Return to Zero）：2 進数の 0 と 1 を 2 レベルで表し、1 を表すには -5V、0 を表すには +5V が一般的に使用されます。欠点は、DC 成分があり、送信にトランスを使用できないこと、自己同期機構がなく、送信中に外部同期を使用する必要があることです。
(2) マンチェスターコード（Manchester Code）：0と1を電圧変化で表し、各シンボルの途中でジャンプが発生します。高→低の遷移は 0 を表し、低→高の遷移は 1 を表します (注: この部分については、あるチュートリアルで逆の説明がありますが、これも正しいです)。各シンボルの途中でジャンプが発生し、受信側はこの変化を同期信号として抽出できます。このエンコーディングは自己同期コードとも呼ばれます。欠点は、2 倍の伝送帯域幅が必要になることです (つまり、信号速度がデータ速度の 2 倍です)。
(3) 差分マンチェスター符号化: ジャンプは依然として各シンボルの途中で発生し、0 と 1 はシンボルの先頭にジャンプがあるかどうかによって表されます。遷移がある場合は 0 を意味し、遷移がない場合は 1 を意味します (注: ある種のチュートリアルでこの部分について反対の説明がありますが、これも正しいです)。
出典：図書館より整理
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リンク:古いドライバーはシャノンの定理、ナイキストの定理、コーディングと変調を解釈します - RFASK 無線周波数の質問
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