12.7.18
通信処理概論 講義ノートその２ 伝送符号と伝送方式 （途中Ver.)
野中 弘二
高知工科大学 システム工学群（電子・光系） デジタル情報の伝送路への伝送方式
１．２進数の各ビットに対応した強度変調
ベースバンド伝送方式（光ファイバー，同軸ケーブル）
２．キャリア信号にのせて離散的情報に合わせて変調する
ブロードバンド伝送方式（電波，ADSL)
２−１．強度を変調するAM → OOK, ASK
２-2.周波数を変調するFM→FSK 2-３．位相を変調するPM→PSK
いずれも多値変調で効率の悪さを改良
1
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ベースバンド（Baseband)通信 (1回の符号変調で1bit伝送)
の伝送符号
• パラレル伝送とシリアル伝送
• 単方向通信・半2重通信と全2重通信
• ベースバンド伝送方式の符号
・RZ(Return to Zero), ・NRZ(Non Return to Zero), ・Bipoler (AMI) 詳しくみてみよう！�
・CMI ・マンチェスタ符号
歪まないためのDigital伝送符号化の要件
ケーブルによる高速信号処理の基本は交流回路#
111000000010101111１をどうエラーなく送る？
基本はシンプルなベースバンド伝送方式と高速交流回路
あんまり複雑な符号は高速処理がつらい
0がやたら続くとクロックわから亡くなる
1がやたら続くとDC成分増えてレベル低下で処理ミス発生
符号誤りは早めに発見しやすい方がよい
2
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符号形式
前ページのS2, S1の2進符号をNRZ, RZ, AMI, CMIの符号形式で示す。
0 1 1 0 1 0
NRZ
≪特徴≫
簡単、1連続ではクロック検知困難
RZ
クロック抽出容易、帯域幅NRZの2倍必要
AMI
CMIより狭い帯域，3レベル必要、誤り発
見可
CMI
帯域幅が広く必要，2レベル、誤り発見可
長期に連続する”0”または“1”が現れない
演習3
問1： 折り返し2進符号{３ビット+奇パリティ}で以下のアナログ波形を２進数で表せ
折り返し２進符号
S5
S4
S3 S2
S1 P，b3，b2，b1
＜1110 ０111 1001 1000 0001 ＞奇パリティの場合
信号の流れる方向
S5,S4,S3,S2,S1
問2： 折り返し2進符号{10010101}をCRC符号{10101}
で除算して送信符号を作成する．除算の剰余を求め，
送信符号を書け．また何ビット誤りまで発見可能か示せ．
問3． 上記問１，問2の自然2進符号で表されるビット列を
NRZ,RZ，AMI,CMI符号形式の波形に表せ。
3
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伝送路のデジタル再生中継#
:雑音が致命的になる前にリフレッシュ！#
１、０しか無い、クロック共通を利用した#
ビットごとに再生する「デジタル3R機能」
等化整形 Reshaping#
整時 Retiming#
識別再生 Regenerating#
光ファイバ増幅器(EDFA)#
→光通信はあまり波形が劣化しないので
強度のみを線形増幅#
→ビットごとに処理しないので簡単！
3R機能
• 再生中継器には、大きく分けて3つの機能があり、それぞれの頭文字をとって3R機
能と呼ばれる。
①等化整形（Reshaping）
②リタイミング（Retiming）
③識別再生（Regenerating）
①
②
③
1 0 1 1 0
10110
4
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Broadband 伝送符号方式#
広帯域の搬送波を変調
アナログ伝送技術→キャリア伝送方式
あまり高速の信号変化は乗せられない
微妙な強度や位相の変化は得意技
アナログ電話 Modemでデジタル信号を送るには？
→早くない多値変化1回で
デジタル情報をいっぱい送信
1変調 Baudで
多値のデジタル符号bit
強度変調ASK ,位相変調PSK,周波数変調
FSK=MSK、強度と位相の組み合わせQAM
Broadband 伝送符号方式１#
広帯域の搬送波を強度変調 P129,144-5
アナログ伝送技術→キャリア伝送方式
あまり高速の信号変化は乗せられない
微妙な強度の変化は得意技→AM
AMでデジタルを送る On-Off-Keying (OOK)
早くない変化1回で効率の悪いデジタル１ビット
情報送信効率悪い→多値のデジタル符号送信 P144#
Amplitude Shift Keying(ASK)
1変調 Baudで
多値のデジタル符号bit/s
４ASK＝QASK一変調で2bit情報送信！#
でも 誤り発生確率激増！→誤り訂正符号強化
5
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品質評価の指針:誤り率
Q=｜µ1-µ0｜/(σ1+σ0)
Q値：量子化ステップとレベルばらつき（σ）の比を表す値
ビットごとの誤りの発生する確率（ビットエラーレート）は
1.0.レベルのばらつき（振幅分布）が判別閾値を超える確率で予測できる．
[S/N劣化、波形劣化またはステップ間隔低下で誤り率増加]
２σ1
｜µ1-µ0｜
2σ
0
ヒストグラム
2値変調誤り率
POOK ≈
４値変調
⎛
A 2 ⎞⎟
PQPSK ≈ erfc⎜⎜ −
⎟
⎝ 4N ⎠
⎛ A 2 ⎞
1
Exp⎜ −
⎟
2
⎝ 8N ⎠
€
€
Broadband 伝送符号方式2#
広帯域の搬送波を位相／周波数変調 P132/138
アナログ伝送技術→キャリア伝送方式
あまり高速の信号変化は乗せられない
微妙な強度の変化は得意技→AM#
FMでデジタルを送る Frequency Shift-Keying (FSK)
PMでデジタルを送る Phase Shift Keying (PSK)
多値のデジタル符号送信: p145-146 #
1変調 Baudで
多値のデジタル符号bit/s
QPSK 一変調で2bit, 16PSKで4bit#
でも 誤り発生確率激増！→誤り訂正符号強化
6
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無線:デジタルをModemで位相多値変調
Quadrature(4) Phase Shift Keying(QPSK)#
→1単位の信号を4つの位相で表し
2進数2bit分のデータを送信する
信号・空間ダイアグラム
3.2k-Baudが6.4kbit/s#
π/2=01
周波数帯域は限られた資源！!
π=10
2π=00
→ゆっくりした変調で!
一人当たりの使用帯域を節約!
3π/2=11
�ブロードバンド変調!
Broadband 伝送符号方式3#
広帯域の搬送波を振幅／位相変調 P146
アナログ伝送技術→キャリア伝送方式
あまり高速の信号変化は乗せられない#
AMでデジタルを送る Amplitude Shift-Keying (ASK)
PMでデジタルを送る Phase Shift Keying (PSK)
誤り発生確率激増！多値の:限界 #
1変調 Baudで
多値のデジタル符号bit/s
強度と位相の組み合わせステップ距離離す#
→直交振幅変調#
Quadrature Amplitude Modulation (QAM)
４
256QAM＝一変調で2 8bit情報送信！
7
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多元接続方式（多重化）
複数ユーザのネット共有： 多重／分離、回線.周波数共有、交換
ユーザ
ユーザ
ユーザ
ユーザ
多重化
装置
中継機
多重化
伝送路
交換機
伝送路
（メタル
光ファイバ
無線）
分離
装置
分離
装置
8
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FDMハイアラーキ:周波数分割多重通信
（教科書：p153-154）
アナログ信号（ベースバンド）
⇒異なる搬送波周波数に載せて変調 多重 FDM：周波数分割多重
1. ユーザチャネルごとにキャリア周波数をずらす：→前群（かたまり）形成
2. 複数チャネルを基本群としてまとめてキャリア周波数をずらす
→まとめてずらせた方が回路の種類も数も簡単
・・・・
ω
ωcA ωcB ωcC
「群変調方式」の多段の群による多重の組み方：「FDMハイアラーキ」
基幹系FDMハイアラーキ
群の階層
チャンネ
ル数
群の構成
周波数帯
域
帯域幅
前群
3
3×音声
12 24kHz
12kHz
基礎群 G
12
4×前群
60
108kHz
48kHz
基礎超群 SG
60
5×基礎群
312
552kHz
240kHz
基礎主群 300
5×基礎超群
812
2044kHz
1.232 MHz
900
3×基礎主群
8.52
12.4MHz
3.872 MHz
3600
4×基礎超主
群
42.6
59.7MHz
17.,07 MHz
一人4kHz
一群１２kHz
一群48kHz
一群240kHz MG
+32kHz 基礎超主 SMG群
基礎巨群 JG
9
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TDM:時分割多重教科書１５７
:網同期・Byte多重化
• 網同期→
ネット内従属同期方式で125μsのフレームを同期 クロック周波数(8kHz)とフレーム位相が完全に一致
• なぜバイト多重(オクテット多重)→
64kbit/sの量子化ステップ8bitをばらさない
キャラクタ信号+パリティの直接処理可能
↑＜TDM多重や品質監視が楽な組み合わせ＞ TDM多重の方法
デジタル変調方式
信号をサンプリング
PCM して時間的に”1”，”0”の情報列送信
量子化
⇒TDM：時分割多重
2進符号化
1. クロック周波数の網同期
2. フレームの統一，周期
3. フレーム内に時間的に圧縮したByte情報をタイミングをずらして並べる
4. 誤り訂正など監視・管理ヘッダーをつける
5. 送信 ⇒ ビットごとの3R再生中継 ⇒ 受信
6. 群としてフレーム内に時間多重：「デジタルハイアラーキ」
10
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多重の方法（TDM）：プリント！
フレーム・ISDN・SDHの関係
11
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演習 TDM多重のビットレート
（教科書p127の例）
8bitが1サンプリングを24ch
(1Byte 1オクテット) 多重した場合
1フレーム周期(125μs)に24×8＋1=193bit
フレーム同期パルス
6
4ch多重⇒ 1秒に6.312×10 bit
6
⇒ 1秒に1.544×10 bit
2次群 6.312Mbit/s
1次群 1.544Mbit/s
125μsに○bit
125μsに△bit
789bit/frame
-4
193
193
193
125μs
193
?
6
｛6.312×10 ｝×｛1.25×10 ｝=789bit/frame
-4
6
｛1.544×10 ｝×｛1.25×10 ｝=193bit/frame
17bit
SDH：TDMのメインメニュー！プリント
同期デジタルハイアラーキを世界標準化 #
1988CCITT → SDH ( Synchronous Digital Hierachy )
SDHではフレーム内に顧客情報＝ペイロードと
管理ヘッダー（SOH,AU-Pointer)を搭載
155.52Mbit/sを基本速度→フレーム基本単位
STM-1( Synchronous Transport Module-1)
ＳＴＭーＮ 多重単位→付加フラッグビットなし、#
同期多重、リアルタイム(再送なし)#
（滅多にエラーが起きない光通信前提）
STM0(52Mbit/s) STM64(9.95Gbit/s),256(40Gbit/s+FEC)
まで実用化
12
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世界標準化されたハイアラーキ
Flag 1bit
Flag 17bit
Flag-bit
-追加なし
FEC誤り
訂正bit追加
群の階層
群の構成
周波数帯域
チャンネル数
0次群
1×音声
64kbit/s
1
1次群 24×0次群
1.544Mbit/s
24
2次群 SG
4×1次群
6.312Mbit/s
96
3次群 （）STM０
7×2次群
51.84Mbit/s
672 4次群 （STM-‐１）
3×3次群
155.52Mbit/s
2016 5次群 （STM-‐４） 4×STM-‐１
622.1Mbit/s
8064 6次群 STM-‐16 16×STM-‐1
2.488Gbit/s
16256
STM-‐48
48×STM-‐1
9.9952Gbit/s
4倍
STM-‐256
256×STM-‐1
約40 43Gbit/s
4倍
STM-N多重（バイト多重）
STM-4の場合
"2""3"
"0""1"
バイト多重
A1
A1
A1
A2
A2
A2
C1
C2
C2
A1
A1
A1
A2
A2
A2
C1
C2
C2
A1
A1
B1 A1
A2
A2
E1
A2
C1
C2
F1
C2
A1
A1
B1 A1
A2
A2
E1 A2
C1
C2
F1 C2
B1
D1
E1
D2
F1
D3
B1
D1
E1
D2
F1
D3
D1
D2
AUポインタ D3
ペイロードバイト
D1
D2
AUポインタ D3
ペイロードバイト
B2
B2 AUポインタ
B2
K1
K2
ペイロードバイト
B2
B2 AUポインタ
B2
K1
K2
ペイロードバイト
2619 9
B2
B2
D4 B2
K1
D5
K2
D6
261
B2
B2
D4 B2
K1
D5
K2
D6
261
D4
D7
D5
D8
D6
D9
261
9 9
D4
D7
D5
D8
D6
D9
D7
D10
D8
D11
D9
D12
D7
D10
D8
D11
D9
D12
D10 Z1
Z1
D11
Z1
Z2
Z2
D12
Z2
E2
D10
Z1
Z1 D11
Z1
Z2
Z2 D12
Z2
E2
Z1
Z1
Z1
Z2
Z2
Z2
E2
Z1
Z1
Z1
Z2
Z2
Z2
E2
従来、C2は未定義で"101010,,,,"が挿入されるのが通例であった。
頭出しA1バイトは一カ所に続いているので新たなフ
ラッグビットはもうけず、そのままNフレーム多重（ビット
レートも単純にN倍）→管理�楽、単純�
13
12.7.18
お客の情報：ペイロード
顧客情報をのせる領域（契約ユーザに部分貸しありVC）
→信号と伝送路の保守・監視、アドレスデータ無し
パケット交換やATM、IPはヘッダもペイロード上に
管理情報：セクションオーバヘッド
(SecVon Over Head: SOH) • A1..,A2..→フレーム同期の固定パターン(11110110 ,
00101000)
• C1→STM-‐Nの多重内順序指示
• B1-‐2→BIP-‐8 パリティ符号誤り監視
• E1-‐2、メンテ音声打ち合わせ用
• F1、運用自由 Z1-‐2 予備
• D1-‐12,データ通信チャンネル→監視制御データ
• K1-‐2,故障時自動切り替え・警報
14
12.7.18
小分けの管理：パスオーバヘッド
(Path Over Head:POH)#
J1→固定パターンで導通確認
B3→BIP-8 パリティ符号誤り監視
C2→VC3(=0) or VC4(=1)を区別
G1、パス状態表示バイト
F2、ユーザチャンネル 運用自由
H4、位置表示 ペイロード中のVC位置
Z3-5、予備バイト
お客情報の頭探し：ポインタ
(PRT:Pointer) • フレーム同期・データ頭出しを瞬時に取る手段
• 情報コンテナは125µsにあわせて来るとは限らない
→ペイロード頭とずれた信号を運ぶ手段
・全データをメモリして頭出しして送信
・ずれたまま乗せて、信号頭位置の情報を付加
• ポインタ数値処理でフレーム位相ずれも吸収
• 周波数誤差も調整→ポインタ末をスタッフバイトに利用
15
12.7.18
3-1.原因と対策：「伝送」大容量化でも低電力可能
A
波長（色）の異なる光Ch
A
Ｂ
Ｂ
合波器 Ｃ
Ｄ
光信号 増幅器 分波器 多数の光チャンネルでも
1本の「光ファイバ」
1個の「光信号増幅器」
Ｃ
Ｄ
WDM:長距離、多チャンネルでも一括で処理：光伝送技術が進化中
支えるのは エラーの少ない#
光ファイバ通信ネットワーク
日本全国の主要都市間
光ファイバで結ばれる
総延長：>700万ｋｍ@1998
超高速伝送路 高速伝送路 16
12.7.18
無線アクセス系の周波数割当：セルラー方式
教科書157-158
アンテナ下の周波数は限られた資源！!
・FDMでスライス→ブロードバンド変調で節約!
・同じ周波数を別の場所で再利用!
�→重ならないようにセル化して節約配置!
アンテナ間は
SDH on 光
アクセス系無線： 既に周波数は輻輳
17
12.7.18
スペクトル拡散変調
教科書162-168
• 周波数、時間がだぶっても読める符号による信号多重
• 高帯域を多数の端末(ch)に送りたい
• 信号を盗聴されない
⇒符号分割多重方式(Code Division Multiplex：CDM)
(1chの帯域を十分に取って1bitを高速暗号化→使用帯域拡散)
• 1帯域に多数チャンネル分の信号を積み重ね
⇒S/Nは劣化するが、総伝送量は向上
他の暗号解読されないチャンネル
は雑音と見なす!
シャノンの通信路符号化定理
C(bit/s)=W(Hz)log2(1+S/N)
C：伝送可能速度 S：信号電力
W：帯域幅 N：雑音電力
符号分割多重方式(CDMA)
アクセス系の新しい伝送方式教科書162-168
1． 同期多重方式（FTTH, ISDN）TDMA
⇒あらかじめフレーム、データ速度、多重可能数が決められている
2． 非同期周波数多重方式（ CATV, ADSL）FDMA
⇒FDMで使用chに使用周波数帯域を割り当てる
3． 符号分割多重方式（携帯電話、衛星通信）CDMA
⇒高速暗号化で使用周波数を広げ（スペクトル拡散変調）
効率的に同じ周波数域に重ねて送信する
シャノンの通信路符号化定理どれだけ雑音混じって大丈夫か？
C(bit/s)=W(Hz)log2(1+S/N)
C：情報量 S：信号電力
W：帯域幅 N：雑音電力
Wが大のとき、S/Nが小（雑音がいっぱいの
中に少しの信号電力）でもこの限界までは情
報が正しく送れる
18
12.7.18
スペクトル拡散変調
• 1bit毎に高速暗号化してスペクトル帯域を広げる
⇒暗号に合った帯域フィルタと複合器の人だけ解読：CDMA
×
α
×
β
×
受信
利用可能帯域を複数で
同時使用可能
γ
• いらない周波数をカット
• code(暗号解読)÷α
A’
A’
t
B’+C’
の一部
t
B’+C’
スペクトル拡散変調:演習
（例） 前提：A，B，Cは全帯域Wを使うと仮定する。
（フィルタリングは条件変動するので考慮しない）
使用帯域：10MHz，送りたい情報速度：1Mbit/s，何ch多重できるか。
C(bit/s)=W(Hz)log2(1+S/N)より
6
6
1×10 = 10×10 × log2(1+S/N)
1/10 = log2(1+S/N)
0.1
2 = 1+S/N
逆数
0.1
許せる S/N = 2 -1
1ch
1
≒ 0.071・・ ⇒ 13.9327・・・
よって、13＋1=14(ch)
13ch以下
（フィルタリングを考慮するともっといけます！）
19
12.7.18
演習：S/Nから速度や多重数見積もる
帯域幅10MHz，伝送速度1Mbit/sのとき、許されるS/Nは、
C(bit/s)=W(Hz)log2(1+S/N)
6
6
1×10 =10×10 ・log
2(1+S/N)
S/N=1/13.9327
⇒10log10(1/13.3927)= -11.44dB
C：伝送可能速度 S：信号電力
W：帯域幅 N：雑音電力
帯域幅10MHz，多重chは8chのとき、伝送可能速度は
C(bit/s)=W(Hz)log2(1+S/N)
6
C=10×10 ・log
2(1+1/7)
6
C=10×10 ・
log10(8/7)
log102
6
= 1.93×10 (bit/s)
6
= 10×10 ・ 0.193
20
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