序文
新しいピットを開いて、物理層の知識を確認します。
文章
一歩一歩進んで来てください
コミュニケーションの基本
1. データ信号とシンボル
データ：
データは送信したい情報であり、テキスト、画像、音声、ビデオなどのあらゆる形式にすることができます。デジタル通信では、このデータはコンピュータ システムまたは通信デバイス間で送信および処理できるようにデジタル形式に変換されます。データは離散的 (デジタル テキストなど) または連続的 (オーディオ信号など) の場合があり、デジタル通信では通常、バイナリ形式、つまり 0 と 1 で構成されるビットのシーケンスで表されます。
信号：
信号は、データの送信中に通信チャネルを通過する電気または電磁波です。信号はアナログ信号でもデジタル信号でもよい。アナログ信号は、値が一定の範囲内で連続的に変化する連続信号であり、連続波形として表すことができます。デジタル信号は離散信号であり、その値は離散的な瞬間に特定の値 (通常は 0 または 1) のみを取ることができます。デジタル信号は処理と送信が容易なため、デジタル通信システムでより一般的です。
シンボル：
コード要素は、デジタル通信における一定量のデータを表す基本単位です。デジタル通信では、データはさまざまなシンボルに分割され、各シンボルは特定のビット シーケンスのセットを表します。たとえば、バイナリ システムでは、シンボルは 1 ビット (0 または 1)、または 2 ビット (00、01、10、11) またはそれ以上のビットの組み合わせなどの複数のビットの組み合わせにすることができます。シンボルの選択と表現は、変調技術と信号伝送環境の影響を受けます。
デジタル通信システムでは、データは一連のシンボルに変換され、通信チャネルを通じて受信側に送信されます。受信側では、これらのシンボルが復号化されて元のデータに復元され、データ送信プロセスが完了します。
要約すると、データは送信したい情報であり、信号は通信チャネル上でデータを送信するために使用される電気または電磁波であり、シンボルはデジタル通信における一定量のデータを表す基本単位です。これら 3 つが一緒になって、デジタル通信システムの基本要素を形成します。
2. 情報源、チャネル、情報先
ソース：
ソースとは情報のソース、つまり情報が生成され送信される場所を指します。ソースは、人間が話すときに発せられる音、カメラで撮影した画像、センサーで収集したデータなど、情報を生成するあらゆるエンティティです。通信システムでは、ソース情報は通常デジタル形式で存在するため、デジタル通信システムでの送信および処理のためにアナログ信号をデジタル信号に変換するには、アナログデジタル変換 (ADC) が必要です。
チャネル：
チャネルは、送信中に情報が通過する媒体または経路です。空中の無線チャネル、ケーブル、光ファイバーなどが考えられます。チャネル内では、信号が干渉、ノイズ、減衰の影響を受ける可能性があり、その結果、情報伝送に歪みが生じる可能性があります。通信システムの設計では、チャネル特性を考慮して適切な変調および符号化技術を選択するだけでなく、情報伝送の信頼性と堅牢性を向上させる誤り訂正符号 (誤り訂正符号) も考慮する必要があります。
行き先：
デスティネーションとは情報の目的地、つまり情報が最終的に受け渡される場所のことです。情報シンクでは、受信デバイスが復調およびデコード操作を実行してデジタル信号を元の情報形式に変換し、ユーザーまたはシステムが理解して処理できるようにします。デジタル通信システムでは、受信側は通常、逆の操作を実行します。つまり、人間が認識できるように、デジタル信号をアナログ信号 (デジタル アナログ変換、DAC) またはデジタル形式の情報に変換します。または他のシステムによって処理されます。
完全な通信システムでは、情報ソースが情報を生成し、チャネルを通じて情報を送信し、最終的に情報シンクに到達して、情報の送信と交換が実現されます。情報の効率的かつ信頼性の高い伝送を確保するためにチャネル伝送システムを設計および最適化することは、通信工学の分野における重要なタスクの 1 つです。
双方向の対話という観点から見ると、次の 3 つの対話方法に分類できます。
1. 一方向通信：テレビ放送やラジオ放送など、逆方向の通信を行わず、1 つのチャネルのみを必要とする一方向のみの通信
2. 半二重通信: 通信の双方が情報を送受信できますが、双方が同時に情報を送受信することはできません。この場合、2 つのチャネルが必要です。
3. 全二重チャネル: 通信の双方が同時に情報を送受信できますが、この場合も 2 つのチャネルが必要です。
3. レート、ボー、帯域幅
レート：
レートとは、デジタル通信において 1 秒あたりに送信されるビット数 (ビット/秒、bps) を指します。デジタル信号に含まれる情報またはデータの量を表します。レートは通常、ビット/秒 (bps) で表されます。場合によっては、キロビット/秒 (kbps)、メガビット/秒 (Mbps)、ギガビット/秒 (Gbps) などの大きな単位で表現されることもあります。
デジタル通信では、レートによってデータ伝送の速度、つまり単位時間あたりにどれだけの情報を伝送できるかが決まります。伝送速度を高めるには、多くの場合、限られたスペクトル内でより多くのデータを伝送するために、より高い周波数またはより複雑な変調およびコーディング技術の使用が必要になります。
ボー：
ボーとは、1 秒あたりの信号変化の数を指し、これは信号のシンボル送信速度です。ボーは、1 秒あたり 1 つのシンボルまたはシンボルの送信を表すことができます。変調技術では、ボー レートはアナログ信号の変化の速度を表します。たとえば、振幅変調 (AM) や周波数変調 (FM) では、ボー レートは信号の周波数を指します。デジタル通信では、ボー レートはシンボルの送信レートを指し、ボー レートと 1 秒あたりに送信されるビット数との関係は、各シンボルが伝送するビット数によって異なります。
帯域幅:
帯域幅とは、周波数領域で信号が占める周波数範囲を指します。通信では、帯域幅とは信号のスペクトルの幅、つまり信号の最高周波数と最低周波数の間の範囲を指します。帯域幅は、チャネル内の信号に必要なスペクトル リソースを決定します。変調と復調のプロセスでは、帯域幅によって信号送信の上限が制限され、帯域幅の範囲を超える信号は正しく送信されません。
信号の帯域幅とボーレートの間には一定の関係があり、ナイキスト定理によれば、帯域幅 (B) とボーレート (R) の関係は次の式で表すことができます。
B＝2R
この式は、信号の帯域幅が信号のボー レートの 2 倍であることが理想的であることを示しています。ただし、実際の通信システムでは、信号の形状や伝送特性によって実際の帯域幅が制限される場合があるため、信号が所定の帯域幅内で伝送されるように、適切な変調およびフィルタリング技術を採用する必要があります。
4. ナイキストの定理とシャノンの定理
1. ナイキスト定理
ナイキスト定理は、ナイキスト基準としても知られ、1920 年代にアメリカの技術者ハリー S. ナイキストによって提案された基本的なコミュニケーション理論の定理です。ナイキスト定理はデジタル信号伝送の理論的基礎を提供し、帯域幅が限られたチャネルで信頼性の高い最大伝送速度を決定する方法に焦点を当てています。
ナイキスト定理の式:
理想的な伝送条件下では、ナイキスト定理は次のように表すことができます。 帯域幅が B (Hz) のチャネルでは、信頼できる最大伝送データ レート (ビット/秒、bps 単位) も 2B です。信号の最高周波数は信号伝送速度の 2 倍です。
この定理の式は次の式で表すことができます。
R = 2B
このうち、R は信頼できる最大伝送速度 (ボー レート、bps)、B はチャネルの帯域幅 (Hz) です。
定理の説明と応用:
ナイキスト定理の本質は、限られた帯域幅内でデジタル信号を 2B のレートで送信でき、ノイズや干渉なしに元の信号を完全に復元できることを示していることです。これは、信号の伝送速度が 2B を超えると、信号のスペクトルが重なり、信号間の干渉が発生し、受信側で送信された信号を正しく識別できなくなることを意味します。
ナイキスト定理は、特にデジタル通信の分野で広範囲に応用されています。デジタル通信システムを設計する場合、エンジニアはチャネルの帯域幅に基づいて適切な変調技術と伝送速度を選択し、信号が所定の帯域幅内で確実に伝送されるようにします。同時に、ナイキスト定理は通信システムの容量制限の理論的根拠も提供し、エンジニアがシステムのパフォーマンスを最適化し、データ伝送の信頼性を向上させるのに役立ちます。
2.シャノンの定理
情報理論の基本定理としても知られるシャノンの定理は、1948 年にアメリカの数学者クロード シャノンによって提案された基本的なコミュニケーション理論の定理です。この定理は、現代の通信システムと情報理論の基礎を築き、ノイズのある通信チャネルにおける情報の最大伝送速度を記述します。
シャノンの定理の主な内容:
1. チャネル容量:
シャノンの定理は、帯域幅 B (Hz) のチャネルで、チャネルの信号対雑音比 (SNR) が S/N (線形スケールで表される) である場合、チャネルの最大の信頼性が得られることを示しています。伝送速度 (チャネル容量) C (ビット/秒、bps) は次の式で表すことができます。
この式は、特定の帯域幅と信号対雑音比の条件下では、チャネルの信頼できる最大伝送速度が制限されることを示しています。 SNR が高いほど、チャネル容量が大きくなり、より多くの情報を送信できることになります。 SNR が非常に低い場合、つまり信号ノイズが比較的大きい場合、チャネル容量が制限され、送信される情報レートも影響を受けます。
2. データ圧縮とエラー訂正:
シャノンの定理は、通信システムでは、データ圧縮や誤り訂正符号 (Error Correction Code) などの技術を通じて、情報をより短いビット シーケンスとして表現でき、受信側での解凍や誤り訂正操作を通じて情報を復元できることも指摘しています。これにより、情報伝達の効率と信頼性が向上します。これらのテクノロジーは、現代の通信や情報伝達に広く使用されています。
シャノンの定理の意味と応用:
シャノンの定理は、通信システムの設計とパフォーマンス分析に重要な理論的基礎を提供します。限られた帯域幅と限られた信号対雑音比の条件下で効率的で信頼性の高い通信システムを設計する方法を通信エンジニアにガイドします。さらに、シャノンの定理は情報理論、データ圧縮、暗号化などの分野にも重要な応用があり、情報科学と通信技術の発展に強固な基盤を築きました。
5. 符号化と変調
1. デジタルデータをデジタル信号にエンコードする
デジタル通信では、デジタル データを通信チャネル上で送信するための信号に変換するために、さまざまな符号化方式が使用されます。以下は、いくつかの一般的なエンコード方法の詳細な紹介と対応する例です。
1. リターン トゥ ゼロ エンコーディング (NRZ、非リターン トゥ ゼロ):
return-to-zero エンコーディングでは、1 は高レベルを表し、0 は低レベルを表します。データ ビットの信号レベルは、ビット間隔全体にわたって一定のままです。 Return-to-Zero エンコーディングでは信号歪みが発生する可能性は低くなりますが、クロック同期の問題が発生する可能性があります。
例: 元のデータは 10110、Return-to-Zero エンコード後の信号は 101100
2. ノンリターントゥゼロレベル (NRZ-L、ノンリターントゥゼロレベル):
ノンリターンツーゼロコーディングでは、1 は高レベルを表し、0 は低レベルを表します。リターン トゥ ゼロ コーディングとは異なり、非リターン トゥ ゼロ コーディングでは、信号レベルはビット間隔全体にわたって一定のままですが、リターン トゥ ゼロ コーディングでは、信号レベルはクロック サイクルごとに変化します。
例: 元のデータは 10110、非リターン トゥ ゼロ エンコード信号は 111000
3. 非リターントゥゼロ反転 (NRZI、非リターントゥゼロ反転):
逆ノンリターンゼロ符号化では、1 の信号レベルは変化しますが、0 の信号レベルは変化しません。 1 が 2 つ連続する場合、2 番目の 1 の信号レベルが反転します。
例: 元のデータは 10110、リバースノンリターンゼロエンコーディング後の信号は: 110011
4. マンチェスターエンコーディング:
マンチェスター符号化では、各ビット期間が 2 つのサブ期間に分割され、信号の遷移が 2 進ビットを表します。特定のルールは次のとおりです: ハイ レベルは 0 を表し、ハイからローへの遷移は 1 を表します。
例: 元のデータは 10110、マンチェスター エンコードされた信号は次のとおりです: 10 01 01 10
5. 差分マンチェスター符号化:
差動マンチェスター エンコーディングでは、信号内の遷移は 0 を表し、遷移がない場合は 1 を表します。信号の初期状態 (High または Low) はバイナリ ビットの値を表し、その後の遷移はデータ ビットを表します。
例: 元のデータは 10110 で、差動マンチェスター エンコーディング後の信号は次のようになります: 01 10 01 01
6. 4B/5B エンコーディング:
4B/5Bエンコーディングは、4つのデータビットを5ビットで表現するエンコーディング方式で、イーサネットなどの通信規格でデータ伝送時のクロック同期やエラー検出によく使われています。これにより、送信中に連続する 0 または 1 が多すぎないことが保証され、クロックの回復に役立ちます。
例: 元のデータは 1011、4B/5B でエンコードされた信号は 11010
2. デジタルデータのアナログ信号への変調
この技術は、モデムの変調処理と復調処理にそれぞれ対応して、送信側でデジタル信号をアナログモデルに変換し、受信側でアナログ信号をデジタル信号に復元する技術であり、基本的なデジタル変調方式は次のとおりです。 ASK、振幅）、周波数偏移変調（FSK、周波数）、位相偏移変調（PSK、位相）、直交振幅変調（QAM、振幅と位相の重畳）
1. 振幅シフト キーイング (ASK):
これは、デジタルの 1 と 0 を表すために搬送波信号の振幅を変更することによって行われます。この方法の利点は、実装が簡単であることですが、ゲイン変化の影響を受けやすく、耐干渉能力が弱く、非効率な変調技術であることです。電話回線では、通常、速度はわずか 1200bps です。
2. 周波数シフトキーイング (FSK):
これは、キャリア信号の周波数を変更してデジタルの 1 と 0 を表すことによって行われます。このテクノロジーは優れた耐干渉性能を備えていますが、大きな帯域幅を占有します。電話回線では、FSK を使用して全二重動作を実現でき、通常は 1200bps のレートを実現します。
3. 位相シフト キーイング (PSK):
これは、デジタルの 1 と 0 を表すために搬送波信号の位相を変更することによって行われます。この変調技術は最高の耐干渉性能を備えており、位相変化をタイミング情報として使用して送信機と受信機のクロックを同期させ、伝送速度を 2 倍にすることもできます。
4. 直交振幅変調 (QAM):
これは、デジタルの 1 と 0 を表すために、搬送波信号の振幅と位相の変化を重ね合わせることで行われます。この変調方式は、より高いデータ伝送速度とより優れたスペクトル効率を提供するため、高速データ伝送に非常に効果的です。 QAM テクノロジーの情報転送速度は、使用される位相と振幅の数に応じて変化します。たとえば、16 の位相と 16 の振幅を使用すると、この QAM 技術の情報伝送速度は ASK の 4 倍、FSK の 4 倍、PSK の 4 倍に達します。
3. アナログデータをデジタル信号にエンコードする
主にサンプリング、量子化、エンコードの 3 つのステップで構成されますが、これら 3 つのステップを紹介する前に、まず紹介しましょう。
サンプリング定理:
通信の分野では、帯域幅とは信号の最高周波数と最低周波数の差を指し、単位は HZ です。したがって、アナログ信号をデジタル信号に変換するときは、次のようにみなされます。元の信号の最大周波数は f です。サンプリングされたデジタル信号が元の信号の情報を完全に保持できるようにするには、サンプリング周波数 f は最大周波数 f の 2 倍以上である必要があります。アナログ信号 (サンプリング定理はナイキスト定理とも呼ばれます)
サンプリング：
サンプリングとは、アナログ信号を定期的にスキャンして、時間連続信号を時間離散信号に変換することです。
定量化:
量子化とは、サンプリングによって得られたレベル振幅を、特定の分類基準に従って対応するデジタル値に変換し、整数をとることで、連続的なレベル振幅を離散デジタル量に変換することです。実際、上記 2 つのステップの本質は分割です。そして変換する
コーディング：
符号化とは、量子化結果を対応するバイナリコードに変換することです。
4. アナログデータはアナログ信号に変調されます。
この変調方式では、周波数分割多重技術を使用して帯域幅リソースを最大限に活用できます。
6. データグラムと仮想回線
データグラム:
データグラムは、パケット交換ネットワークでのデータ送信方法であり、コネクションレス型ネットワークで送信される独立したパケットです。各データグラムは個別のパスをたどって宛先に到達します。したがって、データグラムのサイズと到着順序は異なる場合がありますが、各データグラムは他のデータグラムから独立しています。この方法の利点は、柔軟性が高く、さまざまなネットワーク条件やビジネス ニーズに適応できることです。ただし、各データグラムには個別の処理とルーティングが必要になるため、ネットワークのオーバーヘッドが増加する可能性があります。
次のような特徴があります。
- コネクションレス: データグラムの送信中に接続は確立されず、各データグラムはそのパスを独立して選択します。
- パケット送信: データグラムは送信のために小さなデータ パケットに分割されます。
- 到着順序は異なる場合があります: 各データグラムは独立してパスを選択するため、宛先に到着する順序は異なる場合があります。
- 信頼性の高い配信は保証されていません: データグラムはデータの信頼性の高い配信を保証しておらず、紛失または重複する可能性があります。
- さまざまなネットワーク環境に適しています: データグラムはさまざまなネットワーク条件やビジネス ニーズに適しており、さまざまなネットワーク ノードの処理要件に適応できます。
仮想回路
仮想回線は、パケット交換ネットワーク内で確立される論理接続であり、データ パケットを送信するために複数のノード間に仮想接続パスを確立できます。仮想回線の確立と保守はネットワーク プロトコルによって自動的に処理されるため、ユーザーは基礎となるネットワークの詳細を気にする必要はありません。仮想回線の利点は、信頼性の高い通信サービスを提供し、データの順序と整合性を保証できることです。ただし、仮想回線はプロトコルを通じて確立および維持されるため、ネットワークのオーバーヘッドと遅延が増加する可能性があります。
次のような特徴があります。
- 接続指向: 仮想回線はデータを送信する前に接続を確立する必要があり、接続が確立されると、事前に設定されたパスに従ってデータ パケットが送信されます。
- 信頼性の高い伝送: 仮想回線は、データの順序と整合性を保証できるプロトコルを通じて接続を確立および維持します。
- 順次到着: 仮想回線は事前に設定されたパスに沿ってデータ パケットを送信するため、宛先に到着する順序が決まります。
- 長期のデータ交換に適している: 仮想回線は長期のデータ交換に適しており、データ送信のための接続状態を維持できます。
- 固定帯域幅: 仮想回線は通常、接続を確立するときに固定帯域幅を割り当てるため、使用中に一定の伝送速度が保証されます。
一般に、データグラムと仮想回線には、それぞれ独自の利点と適用可能なシナリオがあります。柔軟性と単純さが必要な場合はデータグラムがより適切である可能性があり、信頼性の高い通信と逐次配信が必要な場合は仮想回線がより適切な場合があります。
伝送媒体
ツイストペア:
ツイスト ペア ケーブルは一般的な伝送媒体で、主に電話回線やイーサネット ケーブルの製造に使用されます。その利点には、低コスト、使いやすさ、メンテナンスの容易さ、および長い伝送距離が含まれます。ツイストペアの伝送速度は最大100Mbpsで、短距離通信やLAN相互接続に適しています。
同軸ケーブル：
同軸ケーブルはシールド層を備えた伝送媒体で、テレビ信号の伝送やブロードバンドネットワークの構築に一般的に使用されています。その利点には、強力な抗干渉能力、長い伝送距離、安定した信号品質が含まれます。同軸ケーブルの伝送速度は100Mbpsに達しますが、距離が長くなると速度は低下します。
光ファイバ：
光ファイバーは光信号を利用してデータを伝送する媒体であり、伝送距離が長く、伝送速度が速く、伝送容量が大きく、干渉に強いという利点があります。光ファイバーの伝送速度は10Gbpsに達し、長距離・大容量のデータ伝送に適しています。光ファイバー ケーブルは製造と維持に費用がかかりますが、技術の発展に伴い、価格は徐々に低下しています。
無線伝送媒体:
無線伝送メディアは、電磁波を使用して自由空間にデータを伝播させて通信するため、地理的な場所に制限されず、導入やアクセス方法が柔軟であるという利点があります。一般的に使用される無線通信方式には、短波通信、マイクロ波通信、Bluetooth などがあります。無線通信はモバイル機器など遠隔地との通信が必要な場合に適していますが、環境からの干渉などにより通信速度や安定性が低下する場合があります。
結論
物理層の知識はほぼここにあります 細かいところは省略しているかもしれませんが、気にしないでください とりあえず終わりました!!