情報伝送の基本と伝送速度の計算｜調歩同期・パリティ・変調方式を図解

データを遠くへ送るとき、電気や光の信号が運ぶのは、0 と 1 の列です。どれだけの速さで送れるか、途中で起きた誤りをどう見つけるか、1 本の線を何人で分け合うか。情報伝送は、この 3 つの見方で整理できます。

この記事では、情報伝送の流れと伝送速度から始めて、シリアル伝送と調歩同期式、パリティビットによる誤り検出、変調方式、多重化と伝送路を順に確認します。最後に、電力設備の遠方監視制御で、これらがどう使われるかを見ます。例題では、伝送時間、調歩同期式の 1 文字、パリティビット、変調速度を、手を動かして求めます。

• 情報伝送とは
  • 0 と 1 の列を、伝送路で送る。速さは bps で表す
  • 伝送時間は、データ量 [bit] を伝送速度 [bps] で割る
• シリアル伝送と調歩同期式
  • 1 本の線で、1 ビットずつ送るのがシリアル伝送
  • 調歩同期式は、文字ごとにスタートビットとストップビットをはさむ
• パリティビット
  • 1 の数の偶奇をそろえて、1 ビットの誤りを見つける。訂正はできない
• 変調方式
  • 搬送波の振幅・周波数・位相を変える（AM・FM・PM、ASK・FSK・PSK）
  • 伝送速度は、変調速度に 1 シンボルのビット数をかける
• 多重化と伝送路
  • 時分割・周波数分割・波長分割
  • 光ファイバは、電磁誘導の影響を受けにくい

情報伝送とは

情報伝送とは、データを、離れた場所へ送ることです。送る側（送信側）が、データを信号に変えて、ケーブルや光や電波の道（伝送路）へ送り出します。受ける側（受信側）が、信号をデータに戻します。

伝送路には雑音が入るので、信号がゆがみ、0 が 1 に、1 が 0 に変わることがあります。この誤りを見つける工夫が、あとで見るパリティビットです。

機器の間でデータを運ぶのは、たとえば、サーバを並べた部屋で、機器どうしをつなぐケーブルです。

1サーバ機器2黄色のケーブル3青のケーブル4通路

1. サーバ機器　箱形の機器が縦に並ぶ
2. 黄色のケーブル　束になって縦に走る
3. 青のケーブル　機器の脇へ分かれる
4. 通路　左右に棚の列が続く

ビット・バイト・bps

0 と 1 の列は、2 進数として読めます。2 進数と論理回路は、論理回路とカルノー図で確かめられます。情報伝送では、次の 3 つの単位を使います。

単位	意味
bit	0 か 1 の 1 桁分
byte	8 ビットのまとまり
bps	1 秒間に送るビット数

1 kbps は 1000 bps、1 Mbps は $10^6$ bps です。データ量の 1 kB は 1000 byte、1 MB は $10^6$ byte として計算します。コンピュータの分野では 1024 を単位にする場合もあるので、問題の指定に従います。

伝送時間の求め方

伝送時間 $T$ [s] は、データ量 $N$ [bit] を、伝送速度 $v$ [bps] で割ると求まります。

$$T = \frac{N}{v}$$

データ量が byte で与えられたときは、8 倍して bit に直してから割ります。bit と byte、kbps と Mbps を取り違えないことが、計算のコツです。実際には、制御用のビットや、送り直しの分があるので、データとして届く速さ（実効速度）は、伝送速度に効率をかけた値になります。

解答と解説を見る

(1) データ量を bit に直します。

$$\begin{aligned} N &= 1.2 \times 10^{6} \times 8 \\ &= 9.6 \times 10^{6}\,\mathrm{bit} \end{aligned}$$

伝送時間は、次のとおりです。

$$\begin{aligned} T &= \frac{9.6 \times 10^{6}}{8 \times 10^{6}} \\ &= 1.2\,\mathrm{s} \end{aligned}$$

(2) 実効の速さを求めます。

$$\begin{aligned} v &= 8 \times 0.8 \\ &= 6.4\,\mathrm{Mbps} \end{aligned}$$

$9.6 \times 10^6$ bit は 9.6 Mbit なので、次のとおりです。

$$\begin{aligned} T &= \frac{9.6}{6.4} \\ &= 1.5\,\mathrm{s} \end{aligned}$$

答えは (1) 1.2 s、(2) 1.5 s です。

シリアル伝送と調歩同期式

シリアルとパラレル

複数のビットを送るとき、1 本の線に 1 ビットずつ順に送る方式をシリアル伝送、複数の線で同時に送る方式をパラレル伝送といいます。

パラレルは、同じ時間に多くのビットを送れますが、線の数だけ、ケーブルが太く高くなります。遠くへ送ると、線ごとの到着の時間差も問題になります。そのため、離れた機器の間の伝送には、線が少なくて済むシリアル伝送が向いています。

方式	線の数	向く場面
パラレル	多い	近い距離
シリアル	少ない	遠い距離

機器どうしをつなぐケーブルの先には、コネクタが付いています。ケーブルの中には細い導線が通り、コネクタの端子を通じて、機器とつながります。

1透明な樹脂2細い導線3金色の端子4ケーブル

1. 透明な樹脂　コネクタの外側を覆う
2. 細い導線　色分けされ、端子へ続く
3. 金色の端子　機器側と接触する部分
4. ケーブル　信号を運ぶ

調歩同期式

シリアル伝送では、受信側が、どこからどこまでが 1 文字なのかを知らなければなりません。この合わせ方を同期といいます。調歩同期式は、文字ごとに、頭にスタートビット（0）、終わりにストップビット（1）をはさんで、同期を取る方式です。

何も送らないあいだは、信号は 1 の状態です。受信側は、1 から 0 に変わった点を、1 文字の始まりと知ります。そこから決まった間隔でビットを読み、最後のストップビット（1）で、1 文字が終わります。文字ごとに同期をやり直すので、送信側と受信側のクロックが少しずれていても、ずれが積み重なりません。

1 文字のビット数は、取り決めで変わります。データは 7 ビットや 8 ビット、パリティは付けない場合もあり、ストップビットは 2 ビットの場合もあります。この記事では、図5の 11 ビットで計算します。

1 文字の 11 ビットのうち、データは 8 ビットだけです。残りの 3 ビットは、同期と誤り検出のための分です。データの効率は、$8/11$ で、約 73% になります。

もう 1 つの方式が、クロック同期式です。クロックの信号を、送信側と受信側で共有して、スタートビットとストップビットをつけずに、データを続けて送ります。

項目	調歩同期式	クロック同期式
同期	文字ごとに取る	クロックで取る
効率	下がる	高い
向く場面	低速・不定期	高速・連続

解答と解説を見る

(1) 1 文字は 11 ビットです。

$$\begin{aligned} T &= \frac{11}{4800} \\ &\fallingdotseq 2.29 \times 10^{-3}\,\mathrm{s} \end{aligned}$$

答えは約 2.29 ms です。

(2) 960 文字のビット数を求めます。

$$\begin{aligned} N &= 960 \times 11 \\ &= 10560\,\mathrm{bit} \end{aligned}$$

伝送時間は、次のとおりです。

$$\begin{aligned} T &= \frac{10560}{4800} \\ &= 2.2\,\mathrm{s} \end{aligned}$$

(3) 11 ビットのうち、データは 8 ビットです。

$$\begin{aligned} v &= 4800 \times \frac{8}{11} \\ &\fallingdotseq 3491\,\mathrm{bps} \end{aligned}$$

答えは約 3.5 kbps です。4800 bps の約 73% にあたります。

パリティビットによる誤り検出

雑音で、ビットが 1 つ変わることがあります。受信側が、これに気づく仕組みの 1 つがパリティビットです。データのあとに 1 ビットの P を付けて、データと P を合わせた 1 の数を、決めた偶奇にそろえて送ります。

• 偶数パリティ：1 の数が、偶数になるように P を決める
• 奇数パリティ：1 の数が、奇数になるように P を決める

受信側は、1 の数を数えて、決めた偶奇と合っているかを確かめます。合っていなければ、誤りがあったと分かります。

図6のとおり、1 ビットが誤ると、1 の数の偶奇が変わるので、誤りを検出できます。2 ビットが誤ると、1 の数が 2 つ増えるか減るか、または 1 つ増えて 1 つ減るので、偶奇は変わりません。このため、誤りを見逃します。

方式	P の決め方	例の P
偶数	1 の数を偶数に	0
奇数	1 の数を奇数に	1

パリティビットには、限りがあります。

• 検出できるのは、1 ビットのような、奇数個の誤りです。2 ビットのような、偶数個の誤りは見逃します。
• 誤りに気づくだけで、どのビットが誤ったかは分かりません。訂正はできないので、誤りが見つかったら、再送を求めます。

より強い方法として、まとまったデータの誤りを高い確率で見つける CRC や、誤りの位置まで分かって訂正できるハミング符号があります。

解答と解説を見る

(1) データ 1100101 の 1 の数は 4 個で、偶数です。奇数パリティにするには、P を 1 にして、全体を 5 個にします。答えは P ＝ 1 です。

(2) 1100001 の 1 の数は 3 個で、P を足すと 4 個です。偶数なので、奇数パリティと合いません。誤りを検出できます。元のデータと比べると、1 ビットが誤っています。

(3) 1111101 の 1 の数は 6 個で、P を足すと 7 個です。奇数なので、奇数パリティと合ってしまいます。誤りを検出できません。元のデータと比べると、2 ビットが誤っています。

変調方式

0 と 1 の方形の信号を、そのまま遠くへ送ると、波形がくずれます。電波で送るには、信号の周波数も低すぎます。そこで、一定の周波数の正弦波（搬送波）に、信号の情報を乗せて送ります。これを変調、受信側で元の信号に戻すことを復調といいます。

搬送波は、振幅・周波数・位相の 3 つの量で決まります。どれを信号に合わせて変えるかで、方式が分かれます。

アナログ信号の変調

音声のような、連続して変わる信号を乗せる変調です。

方式	変える量	特徴
AM	振幅	回路が簡単
FM	周波数	雑音に強い
PM	位相	FM と関係が深い

AM は振幅変調、FM は周波数変調、PM は位相変調です。AM は、雑音が振幅に乗ると、そのまま信号の誤りになります。FM は、振幅の変化を無視して復調できるので、雑音に強くなりますが、広い周波数の帯が要ります。

ディジタル信号の変調

0 と 1 の信号を乗せる変調です。振幅を変えるのが ASK（振幅偏移変調）、周波数を変えるのが FSK（周波数偏移変調）、位相を変えるのが PSK（位相偏移変調）です。

方式	変える量	0 と 1 の区別
ASK	振幅	振幅の大小
FSK	周波数	2 つの周波数
PSK	位相	位相の違い

変調速度と伝送速度

PSK で、位相を 4 通りにすれば、1 回の変化で 2 ビットを送れます。位相を 8 通りにすれば、3 ビットです。このように、1 回に多くのビットを送る方式を、多値変調といいます。

1 秒間に信号が変わる回数を、変調速度といい、単位は baud（ボー）です。変調速度を $B$ [baud]、1 回の変化で送るビット数を $n$、変化の種類の数を $M$ とすると、伝送速度 $v$ [bps] は、次のようになります。

$$\begin{aligned} v &= B \times n \\ n &= \log_2 M \end{aligned}$$

1 回の変化で 1 ビットなら、$n = 1$ で、bps と baud の数は等しくなります。

アナログ信号を、ディジタルで送る（PCM）

音声のようなアナログ信号を、ディジタルの 0 と 1 にして送る方式が、PCM（パルス符号変調）です。次の 3 段階で行います。

1. 標本化：一定の間隔で、信号の大きさを取り出す
2. 量子化：取り出した値を、段階の値に丸める
3. 符号化：段階の値を、2 進数にする

標本化と量子化のくわしい計算は、A-D変換の分解能と量子化誤差で確かめられます。たとえば、音声を 1 秒間に 8000 回標本化して、1 回あたり 8 ビットで符号化すると、伝送速度は次のようになります。

$$\begin{aligned} v &= 8000 \times 8 \\ &= 64000\,\mathrm{bps} \end{aligned}$$

つまり、64 kbps です。

多重化と伝送路

多重化

1 本の伝送路を、複数の通信で分け合って使うことを、多重化といいます。

• 時分割多重（TDM）：時間を短く区切って、通信 A・B・C に順番に割り当てる
• 周波数分割多重（FDM）：周波数の帯を分けて、A・B・C が同時に使う
• 波長分割多重（WDM）：光ファイバに、波長の違う光を重ねて送る。光の波長を分ける点で、周波数分割と同じ考え方

方式	分けるもの	使い方
TDM	時間	順番に使う
FDM	周波数	同時に使う
WDM	光の波長	光で重ねる

伝送路の種類

伝送路には、信号の種類に合わせて、次のようなものがあります。

伝送路	信号	特徴
より対線	電気	安価で近距離向き
光ファイバ	光	大容量で損失小
マイクロ波	電波	ケーブルが不要
電力線搬送	高周波	送電線を使う

光ファイバは、屈折率の高い中心（コア）を、屈折率の低い層（クラッド）が囲んだ、細いガラスの線です。光は、境の面で全反射をくり返して、コアの中を進みます。

1光ファイバの束2先端の光3細い線

1. 光ファイバの束　細い線がまとまる
2. 先端の光　線の中を光が進む
3. 細い線　ガラスでできている

光ファイバの長所は、次のとおりです。

• 損失が小さく、遠くまで送れる。大容量のデータを送れる
• 電気を通さない絶縁物なので、電磁誘導の影響を受けにくい。電力設備のそばでも、雑音が入りにくい
• 細くて軽い

電力の設備では、送電線の鉄塔の最上部に張る架空地線に、光ファイバを入れた OPGW（光ファイバ複合架空地線）が使われます。雷から送電線を守る役と、通信の役を兼ねます。

電力線搬送は、送電線に高周波の信号を重ねて送る方式です。マイクロ波は、見通しのきく範囲に、アンテナを向け合って送る無線で、ケーブルを敷きにくい場所に向きます。

遠方監視制御

発電所や変電所は、給電指令所から離れた場所にあります。給電指令所は、電力系統の運転の中心です。そこから、離れた設備を監視して、操作する仕組みが遠方監視制御で、伝送の技術が使われます。

• テレメータ（TM）：電圧・電流・電力などの計測値を、遠方へ送る。機器の状態（遮断器の入り・切りなど）も、発電所や変電所から給電指令所へ送られる
• テレコン（TC）：給電指令所から、遮断器の開閉などの操作の指令を送る

伝送路には、前に見た光ファイバやマイクロ波、電力線搬送などを使います。鉄塔の上には、マイクロ波の通信に使うアンテナが付くことがあります。

1白い円形のアンテナ2鉄塔3変圧器4鉄構

1. 白い円形のアンテナ　マイクロ波の通信に使う形
2. 鉄塔　アンテナを高い所に支える
3. 変圧器　電圧を変える機器
4. 鉄構　電線や機器を支える骨組み

給電指令所では、監視室の大きな画面に、系統の状態を映して、運転を監視します。

1大型モニタ2電話機3机上のモニタ4黒い椅子

1. 大型モニタ　系統の状態を映す
2. 電話機　連絡に使う
3. 机上のモニタ　手元で操作する画面
4. 黒い椅子　運転員が座る

保護継電器の中には、送電線の両端の電気量を、伝送路でやりとりして、判断するものがあります。保護継電器の種類は、保護継電器の種類と役割で確かめられます。

解答と解説を見る

(1) 4 相では 1 回に 2 ビット、8 相では 3 ビットを送ります。4 相のときは、次のとおりです。

$$\begin{aligned} v &= 1200 \times 2 \\ &= 2400\,\mathrm{bps} \end{aligned}$$

8 相のときは、次のとおりです。

$$\begin{aligned} v &= 1200 \times 3 \\ &= 3600\,\mathrm{bps} \end{aligned}$$

(2) 誤りは (ウ) です。パリティビットでは、誤りに気づくだけで、位置は分かりません。訂正はできないので、再送を求めます。

ほかは、正しい説明です。

• (ア)：スタートビット（0）とストップビット（1）をはさみます。
• (イ)：偶数パリティの決まりです。
• (エ)：時間を区切って、順番に割り当てます。
• (オ)：光ファイバは絶縁物なので、電磁誘導の影響を受けにくくなります。

よくある質問

bps と baud は、どう違う？

bps は、1 秒間に送るビット数です。baud は、1 秒間に信号が変わる回数です。1 回の変化で 1 ビットを送る方式では、数が同じになります。1 回で複数ビットを送る多値変調では、bps は、baud に 1 回あたりのビット数をかけた値で、baud より大きくなります。

パリティビットで、誤りを訂正できないのはなぜ？

1 の数の偶奇が合わないことは分かっても、どのビットが誤ったかは分からないからです。1 ビットの誤りなら、データのどのビットが変わっても、P が変わっても、1 の数の偶奇は同じように変わるからです。誤りの位置まで分かって訂正するには、ハミング符号のような、別の方法を使います。

調歩同期式は、なぜ効率が下がる？

文字ごとに、スタートビットとストップビットを付けるからです。図5の形では、11 ビットのうち、データは 8 ビットで、効率は約 73% です。そのかわり、文字ごとに同期をやり直すので、クロックが多少ずれても、ずれが積み重なりません。

電力設備で、光ファイバが選ばれるのはなぜ？

電気を通さない絶縁物なので、送電線や変電所の、強い電磁誘導の影響を受けにくいからです。損失が小さく、大容量のデータを送れます。送電線の架空地線に入れた OPGW なら、雷から守る役と、通信の役を、1 本で兼ねられます。

思い出してみよう

答えを見る前に、まず自分で思い出してからタップしてください。

伝送時間の求め方は？

データ量 [bit] を伝送速度 [bps] で割ります。byte は、8 倍して bit に直します。

調歩同期式の 1 文字は、どの順に並びますか。

スタートビット（0）、データ、パリティ、ストップビット（1）の順です。図5の形では 11 ビットです。

パリティビットで、検出できる誤りと、できない誤りは？

1 ビットのような、奇数個の誤りは検出できます。2 ビットのような偶数個は見逃します。訂正はできません。

AM・FM・PM と、ASK・FSK・PSK は、それぞれ何を変えますか。

順に、振幅・周波数・位相を変えます。

時分割多重と、周波数分割多重は、どう違いますか。

時分割は、時間を区切って順番に使います。周波数分割は、周波数の帯を分けて同時に使います。

光ファイバの特徴と、TM・TC は？

損失が小さく、電磁誘導の影響を受けにくい伝送路です。TM は計測値を送り、TC は操作の指令を送ります。

まとめ

• 伝送時間は、データ量 [bit] ÷ 伝送速度 [bps]。byte は 8 倍して bit にする
• シリアル伝送は 1 本の線で順に送る。調歩同期式は、1 文字をスタート 1・データ 8・パリティ 1・ストップ 1 の 11 ビットで送り、効率は約 73%
• パリティビットは、1 の数の偶奇をそろえて、奇数個の誤りを検出する。偶数個の誤りは見逃し、訂正はできない
• 変調は、搬送波の振幅・周波数・位相を変える。AM・FM・PM はアナログ、ASK・FSK・PSK はディジタル。伝送速度は、変調速度 × 1 シンボルのビット数
• 多重化は、時分割・周波数分割・波長分割。光ファイバは電磁誘導の影響を受けにくく、遠方監視制御は、テレメータで計測値を、テレコンで操作の指令を送る

アナログ信号をディジタルにする標本化と量子化は、A-D変換の分解能と量子化誤差で、0 と 1 の扱いの基礎は、論理回路とカルノー図で、伝送路を使う保護の仕組みは、保護継電器の種類と役割で確かめられます。