伝送理論・変復調・符号化・多重化・通信方式・IPの基礎
電力利得が 20 dB の増幅器に 0.5 mW の信号を入力したときの出力電力として、正しいものは次のうちどれか。ただし、増幅器は直線領域で動作しているものとする。
解答正解 3
電力利得 G〔dB〕は G＝10log₁₀(出力電力／入力電力) で定義される。20 dB のとき電力比は 10²＝100 倍なので、出力電力は 0.5 mW×100＝50 mW となる。電圧（振幅）の比に対しては 20log₁₀ を使うので、電圧比 10 倍が 20 dB であり、電力比 10 倍は 10 dB である点を区別する。
電力 20 mW を〔dBm〕で表した値として、最も近いものは次のうちどれか。ただし、1 mW を基準（0 dBm）とし、log₁₀2＝0.30 とする。
解答正解 1
dBm は 1 mW を基準とした絶対的な電力レベルで、P〔dBm〕＝10log₁₀(P〔mW〕／1 mW) である。20 mW は 2×10 mW なので、10log₁₀2＝3 dB と 10log₁₀10＝10 dB を合わせて約 13 dBm となる。なお、2 倍が約 3 dB、10 倍が 10 dB、100 倍が 20 dB という関係は計算の基本になる。
最高周波数が 15 kHz までのアナログ信号を、標本化定理に基づいて元の信号を復元できるように標本化するときに必要な標本化周波数の最小値として、正しいものは次のうちどれか。
解答正解 4
標本化定理（ナイキストの定理）によれば、アナログ信号に含まれる最高周波数の 2 倍以上の周波数で標本化すれば、元の信号を復元できる。最高周波数 15 kHz なら 30 kHz 以上が必要である。標本化周波数がこれより低いと折返し雑音（エイリアシング）が生じる。電話音声（帯域 4 kHz）を 8 kHz で標本化するのも同じ考え方である。
音声信号を PCM 方式でディジタル化する。標本化周波数を 8 kHz、1 標本当たりの符号化を 8 ビットとしたとき、1 チャネル当たりの伝送速度として、正しいものは次のうちどれか。
解答正解 2
PCM の伝送速度は、標本化周波数（1 秒当たりの標本数）に 1 標本当たりの符号のビット数を掛けて求める。8 kHz×8 bit＝64 kbit/s で、これが電話 1 チャネル分の標準的な速度である。8 ビットで表せる量子化段階数は 2⁸＝256 であり、段階数とビット数を取り違えないこと。
PCM 方式の量子化に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 3
量子化は標本化で得た振幅値を有限個の段階値に近似する操作で、真の値との差が量子化雑音になる。量子化ビット数を 1 ビット増やすと段階数が 2 倍（刻みが半分）になり、S/N は約 6 dB 改善する。時間方向の操作である標本化と、振幅方向の操作である量子化を混同しないこと。
アナログ変調方式に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 1
AM は搬送波の振幅、FM は周波数、PM は位相を信号波に応じて変化させる。FM は振幅方向に加わる雑音の影響を受けにくく、高品質な伝送ができる反面、占有周波数帯域幅が広くなる。この雑音耐力と帯域幅のトレードオフが FM の特徴で、FM ラジオは超短波帯で用いられる。
ディジタル信号で搬送波を変調する方式のうち、ASK は搬送波の（ア）を、FSK は搬送波の（イ）を、PSK は搬送波の（ウ）を、それぞれディジタル信号に応じて変化させる。（ア）～（ウ）に入る語句の組合せとして、正しいものは次のうちどれか。
解答正解 4
ASK（振幅シフトキーイング）、FSK（周波数シフトキーイング）、PSK（位相シフトキーイング）は、それぞれ搬送波の振幅、周波数、位相をディジタル信号で切り替える方式である。頭文字の A（Amplitude）、F（Frequency）、P（Phase）がそのまま対応している。振幅と位相を組み合わせた QAM も合わせて整理しておくとよい。
64QAM で変調したときのシンボルレートが 2 Msymbol/s であった。このときの伝送速度（ビットレート）として、正しいものは次のうちどれか。ただし、誤り訂正などの冗長ビットは考えないものとする。
解答正解 2
多値変調で 1 シンボルが表せる情報量は log₂(信号点数) ビットである。64QAM は 64＝2⁶ なので 1 シンボル 6 ビットで、ビットレートはシンボルレート×6＝2×6＝12 Mbit/s となる。16QAM は 4 ビット、256QAM は 8 ビットで、多値度を上げるほど同じ帯域で速く送れるが、雑音への余裕は小さくなる。
多重化方式に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 1
多重化は、1 つの伝送路を複数のチャネルで共用する技術で、分割する対象によって方式が分かれる。周波数で分けるのが FDM、時間で分けるのが TDM、光の波長で分けるのが WDM、符号（拡散符号）で分けるのが CDM である。名称の頭文字（Frequency、Time、Wavelength、Code）が分割の軸を表している。
帯域幅 1 MHz の雑音のある通信路で、S/N 比（真数）が 15 であるとき、理論上伝送できる最大の情報伝送速度（通信路容量）として、正しいものは次のうちどれか。ただし、log₂15≒3.9、log₂16＝4 とする。
解答正解 3
シャノンの通信路容量は C＝B・log₂(1＋S/N)〔bit/s〕で表され、帯域幅 B と S/N 比で理論上の最大伝送速度が決まる。B＝1 MHz、S/N＝15 なので C＝1×10⁶×log₂16＝4×10⁶ bit/s＝4 Mbit/s である。S/N 比を大きくしても容量は対数的にしか増えないが、帯域幅を広げれば比例して増える点が重要である。
偶数パリティ方式で送信された 8 ビットの符号（データ 7 ビット＋パリティ 1 ビット）を受信した。次の受信符号のうち、伝送中に誤りが生じたことを検出できるものはどれか。
解答正解 2
偶数パリティ方式は、パリティビットを含めた符号全体の「1」の個数が偶数になるようにパリティビットを付加する方式である。受信側で「1」の個数が奇数なら、伝送中に誤りが生じたと判定できる。ただし 2 ビット（偶数個）の誤りでは「1」の個数の偶奇が変わらず検出できない点が、パリティチェックの限界である。
誤り制御方式に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 4
ARQ（自動再送要求）は受信側が誤りを検出したら再送を求める方式で、検出が主で訂正は再送で行うため、送受信間の双方向のやり取りが必要である。FEC（前方誤り訂正）は誤り訂正符号を使って受信側だけで訂正する方式で、再送が難しい放送や衛星通信、遅延を避けたい通信に向く。再送の有無が両者の最大の違いである。
ディジタル信号のベースバンド伝送に用いる符号に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 1
NRZ 符号はビットの間レベルを保持する単純な方式だが、同じ値が続くと信号が変化せず、受信側でクロックを再生しにくい。RZ 符号はビットの途中で零に戻り、マンチェスタ符号はビットの中央で必ずレベルが反転する。遷移が多いマンチェスタ符号は同期が取りやすい反面、NRZ 符号の約 2 倍の帯域を必要とする。イーサネットの 10BASE-T などで用いられている。
通信方式に関する次の記述の（ア）～（ウ）に入る語句の組合せとして、正しいものは次のうちどれか。送信と受信を同時に行える方式を（ア）、送信と受信を交互に切り替えて行う方式を（イ）、常に一方向にしか送れない方式を（ウ）という。
解答正解 3
全二重は双方向で同時に送受信できる方式で、電話やイーサネット（スイッチ接続）が該当する。半二重は双方向だが同時には行えず交互に送受信する方式で、トランシーバや旧来のハブ接続のイーサネットが該当する。単方向（単信）は一方向のみで、テレビやラジオの放送が該当する。
信号電力が 1 mW、雑音電力が 10 μW のとき、S/N 比〔dB〕として正しいものは次のうちどれか。
解答正解 4
S/N 比〔dB〕は 10log₁₀(信号電力／雑音電力) で求める。1 mW＝1000 μW なので電力比は 1000／10＝100、10log₁₀100＝20 dB となる。比を求める前に単位をそろえることと、電力比には 10log₁₀（電圧比には 20log₁₀）を使うことがポイントである。
特性インピーダンス 50 Ω の伝送線路の終端に 150 Ω の負荷を接続したとき、終端における電圧反射係数の値として、正しいものは次のうちどれか。
解答正解 2
伝送線路と負荷のインピーダンスが異なると終端で反射が生じ、その電圧反射係数は Γ＝(ZL−Z0)／(ZL+Z0) で表される。ZL＝150 Ω、Z0＝50 Ω では Γ＝100／200＝0.5 で、反射電力は Γ²＝0.25（25 %）である。ZL＝Z0（整合）なら Γ＝0 となり反射は生じない。電圧と電力の反射を区別すること。
伝送速度 100 Mbit/s の回線で 960 MB のファイルを転送する。実効的な転送速度が伝送速度の 80 % であるとき、転送に要する時間として、正しいものは次のうちどれか。ただし、1 MB＝8 Mbit とし、その他の遅延は無視する。
解答正解 3
転送時間＝データ量〔bit〕／実効速度〔bit/s〕で求める。960 MB は 960×8＝7680 Mbit、実効速度は 100 Mbit/s×0.8＝80 Mbit/s なので、7680／80＝96 秒である。バイトとビットの換算（1 B＝8 bit）と、伝送速度の公称値と実効値の違いを落とさないことが計算上のポイントである。
アナログ伝送とディジタル伝送に関する次の記述のうち、適当なものはどれか。
解答正解 4
ディジタル伝送は信号を 0 と 1 の組合せで扱うため、伝送路で雑音が加わっても、再生中継器で閾値判定を行って元のパルス波形に再生できる。このため中継を重ねても雑音が累積しにくい。アナログ伝送の中継は増幅のみで、雑音も一緒に増幅される。一方でディジタル化には量子化誤差があり、一般に広い帯域が必要になる。
サブネットマスクが 255.255.255.192 のネットワークにおいて、1 つのサブネットに割り当てることのできるホストアドレスの最大数として、正しいものは次のうちどれか。
解答正解 2
255.255.255.192 は 2 進数で 11111111.11111111.11111111.11000000 であり、プレフィックス長 /26、ホスト部は 6 ビットである。アドレスの総数は 2⁶＝64 個で、ホスト部がすべて 0 のネットワークアドレスとすべて 1 のブロードキャストアドレスは機器に割り当てられないため、割り当て可能なのは 64−2＝62 個となる。
伝送速度 10 Mbit/s の回線で、ビット誤り率が 1×10⁻⁷ であるとき、平均して 1 秒間に生じる誤りビット数として、正しいものは次のうちどれか。
解答正解 1
ビット誤り率（BER）は、送信したビット数のうち誤って受信されたビットの割合である。1 秒間に送られるビット数は 10 Mbit/s＝10×10⁶＝10⁷ ビットなので、誤りビット数の平均は 10⁷×10⁻⁷＝1 ビットとなる。M（メガ）＝10⁶ の換算と、指数の足し算を間違えないこと。