伝送路符号

◇概要

伝送路符号に関する問題です。符号方式のルールを知っているだけでは、解答が難しい内容も含まれています。

①のAMI符号や③のCMI符号は基本的なキーワードです。出題頻度も高い方です。AMI符号とCMI符号は、 「伝送交換設備及び設備管理」でも、出題されたことがあります。 「伝送交換設備及び設備管理」では、AMI符号、CMI符号、マンチェスタ符号の波形を選択させる問題が、比較的出題頻度の高い問題です。近年では、 マンチェスタ符号の代わりに、両極NRZ符号が登場しています。

AMI符号やCMI符号に対して、②のBnZS符号や④のHDBn符号は出題頻度の低い用語です。平成24年度第2回（2013年1月実施）以来の登場です。そのため問題全体としては、難易度が高い問題です。

◇伝送路符号に求められる性質

選択肢の説明の前に、伝送路符号に求められる性質について整理します。 伝送路符号では、以下の3つの性質が求められます。

これらの性質は、常に実現されているわけではありません。伝送路符号によっては、不十分な性質もあります。 その点が、伝送路符号を評価する上でのポイントのひとつとなります。

上記の3点のほかに、暗黙の大前提があります。それは、高性能と低コストが望ましいという点です。 どんなに優れた技術でも、性能が低くては、またはコストが高くなりすぎては、採用できません。 なお、低コストであるためには、変調のしくみが単純であるほうがベターです。

●求められる性質1：タイミング抽出が行えること

正しく伝送を行うためには、受信側でビットの区切りを正しく認識できなければなりません。 そのためには、送信側と受信側でタイミングを合わせることが求められます。 このタイミングを合わせることは、同期と呼ばれます。 同期方式は、一般的には以下の2方式があります。

• 外部タイミング方式
• 自己タイミング方式

外部タイミング方式は、同期信号を、データとは別の信号で送る方式です。 パソコンの内部の信号は、この方式です。パソコン内部では、データ線とは別の線から供給されるクロック信号により同期をとっています。 外部タイミング方式は、データ伝送用とは別の信号線が必要になるため、長距離の伝送に適していません。

自己タイミング方式は、送信する符号列そのものに同期信号を組み入れる方式です。 伝送路符号では、自己タイミング方式が使われます。

では、「符号列そのものに同期信号を組み入れる」とは、どのように実現するのでしょうか。 それは、信号のレベルの変化、立ち上がりや立ち下がりを入れることにより、タイミングを合わせるのです。

タイミング抽出の点で優れる伝送路符号のひとつに、マンチェスタ符号があります。 マンチェスタ符号は、符号ビットのスロット中で、0の場合は正値から負値へ、 1の場合は負値から正値へ変化させる符号です。 必ず符号ビットのスロットの中央に信号のレベルの変化があるため、どのようなビットの並びであっても、ビットの区切りを受信側で確実に識別することできます。

反対に、タイミング抽出の点で問題がある伝送路符号のひとつに、両極NRZ符号があります。 両極NRZ符号は、1の場合は正値、0の場合は負値にする符号です。 1や0が連続すると、レベルの変化がなくなるため、タイミング抽出が難しくなり、同期が外れるリスクが高くなります。

●求められる性質3：高周波成分が少ないこと

高周波成分が少ないとは、信号のレベルの変化がゆっくりであるということです。

下の図は、左がマンチェスタ符号、右がMLT-3符号の波形です。MLT-3符号は、0のときにレベルの変化なし、 1のときにゼロ→正→ゼロ→負→ゼロと変化させる符号です。 信号波形の実線に重ねてある正弦波の赤い線に注目してください。AMI符号に比べてMLT-3符号は、 波長が4倍、つまり周波数は1/4になります。MLT-3符号のほうが、4倍ゆっくりと信号が変化しています。

では、なぜ高周波成分が少ないほうが良いのでしょうか。これは2つの面から考える必要があります。

まず、情報伝送速度が同じ場合を考えます。この場合は、高周波成分が少ないほうが伝送距離が長くなります。 これは、高周波のほうが減衰が大きいからです。また、周波数が高くなると、制御に精度が要求されるため、コストを上げる要因のひとつとなります。

次に、周波数が同じ場合を考えます。この場合は、 高周波成分が少ないほうが多くの情報を伝送できます。下の図は、マンチェスタ符号とMLT-3符号を同じ周波数で比べたものです。 MLT-3符号が4倍の情報を伝送していることがわかります。

余談ですが、マンチェスタ符号はイーサネットの10BASE-Tで採用され、MLT-3符号は100BASE-TXで採用されています。 10BASE-Tと100BASE-TXの間には、10倍の性能差がありますが、そのうち4倍分はマンチェスタ符号とMLT-3符号の違いによるものなのです。

◇選択肢①

選択肢①は、正しい文章です。

AMI符号は、0のときにゼロ、1のときに正値と負値を交互にとる符号です。通常のAMI符号は、1のとき、ビットスロットの後半は、レベルをゼロにします。

◇選択肢②

選択肢②は、正しい文章です。

問題文にあるバイポーラ符号は、AMI符号のことです。AMI符号は、0が連続するとレベルの変化がなくなるため、タイミング抽出が難しくなります。 そこで、連続する0を特殊なパターンで置き換える符号が考えられました。そのひとつが、BnZS符号です。

連続する0を特殊なパターンに置き換えるときに課題となるのは、0や1の並びでは現れないパターンに置き換えなくてはならないという点です。 そうしなければ、受信側で置き換えパターンに一致する0や1の並びが連続する0とみなされてしまうからです。

BnZS符号では、0や1の並びでは現れないパターンを作るために、バイポーラ反則を使います。 バイポーラ符号（=AMI符号）は、1があるたびに極性を反転させます。正値のあとにゼロレベルにもどって正値になることはありません。 バイポーラ反則とは、AMI符号のルールに反したもの、具体的に言えば1のときに前の1と極性を反転させないことです。 バイポーラ反則は、バイオレーションとも呼ばれます。 正値のあとに正値、または負値のあとに負値があったら、それはAMI符号のルールに反したもの、つまりバイポーラ反則となります。

BnZS符号は、AMI符号のn個の連続した0を、バイポーラ反則を含む特別なパターンに置き換えます。 代表的なBnZS符号であるB6ZS符号では、6個の連続した0を、0VB0VBというパターンに置き換えます。 ここで、Vはビット1とは逆極性（バイオレーションの"V"です）、B はビット1と同極性を意味しています。 BnZS符号の場合、受信側は、バイポーラ反則を検出することにより、連続する0の先頭を識別します。

◇選択肢③

選択肢③は、誤った文章です。正しくは、以下のようになります。アンダーライン部分が、誤っていた部分です。

CMI符号は、ビットスロット中で、0の場合は極性を逆転させ、1の場合は極性を変化させない方式です。 1の場合は、ビットスロット中の極性の変化はありませんが、1が出現するたびに極性を交互に変化さます。 正値を1、負値を0とすれば、問題文にあるように、0のときは01、1のときは00と11を交互に取る形になります。

クロック周波数を考えるために、もっともレベルの変化が多くなるケースを考えます。CMI符号では、 0が連続する場合に、もっともレベルの変化が多くなります。比較対象として、両極NRZ符号のパターンを並べてあります。 両極NRZ符号は、0で負値、1で正値をとる単純な符号です。

選択肢④

選択肢④は、正しい文章です。

HDBn符号は、バイポーラ符号（=AMI符号）のビット列において、0 が（n+1）個連続したブロックを別のパターンに置き換える符号です。

HDBn符号では、連続する0を置き換えるパターンの最終ビットには、必ずバイポーラ反則を使用します。 BnZS符号がバイポーラ反則で置き換えパターンの先頭を識別したのに対して、HDBn符号ではバイポーラ反則で置き換えパターンの終端を識別します。

また、直前の置き換えパターンとの間のビット数により、置き換えパターンを変更します。 代表的なHDBn符号であるHDB3符号では、直前の置換パターンとの間のビット数が奇数の場合は000V、偶数の場合はB00Vとしています。 ここで、Vはビット1とは逆極性、B はビット1と同極性を意味しています。

◇出題は深化しています！

今回取り上げた問題は、誤っている選択肢を選ぶ問題です。そのため、選択肢③が誤っていることを見つけられれば、BnZS符号やHDBn符号を知らなくても、 解答は可能です。さらに、同じ問題が平成24年度第2回の問1(3)に、選択肢①～③に限れば平成22年度第1回の問1(4)にも出題されています。 したがって、過去問の知識があれば、解答可能な問題です。

しかし、易しい問題と断じるのは早計です。電気通信主任技術者試験の出題範囲には大きな変化はありませんが、 出題が深くなる傾向が見られます。たとえば「伝送」や「交換」で出題されていたテーマが、「伝送交換設備及び設備管理」に出題されることがあります。 専門的能力の科目では、深掘りや捻りが入る出題も見られます。 たとえば、平成22年度第1回の問1(4)ではmB1C符号が出題されていましたが、平成24年度第2回の問1(3)ではHDBn符号に変わっています。 平成24年度第2回の受験者にとっては、mB1C符号が見慣れないHDBn符号に変わってしまったのです。

過去問は飽くまで今までの出題例です。そのままの形で今後も出てくるとは限りません。第2回の解答解説でも書きましたが、正しい選択肢も掘り下げた、一歩深い学習を進めてください。

◇「理解」も大切に！

CMI符号は、出題頻度が高いキーワードです。「伝送交換設備及び設備管理」でも、出題されています。しかし、信号波形を知っていれば解答可能なレベルです。

しかし今回の問題では、CMI符号について、高周波成分や伝送距離について触れられています。符号のルールや信号波形を知っているだけでは、解答できません。 符号方式のルールに加え、その符号の特性を整理する必要があります。この段階まで学習していないと、 「高周波成分が多い」を引き出せません。

さらに、特性を整理するだけでは、「高周波成分が多い」を引き出せても、「伝送距離が短くなる」は引き出せません。 「伝送距離が短くなる」は、メタリック伝送路や無線における特性である「周波数が高くなると減衰が大きくなる」に結びついて、初めて出てくる短所です。 特性を整理するだけでなく、特性を他の知識と結びつけ、それがどのような長所や短所につながっているのかを整理する必要もあります。

BnZS符号やHDBn符号について理解するとは、確かに大切です。 しかし、このような出題頻度の少ない用語までしっかりカバーするのは、学習効率を低下させる危険性があります。 実は伝送路符号も、今回の問題に登場したもの以外に、DMI符号、mB1C符号などが、問題文に登場したことがあります。 これらをすべてカバーするのは、至難です。

伝送交換関連の出題は、出題範囲が広いため、学習しきれない項目も多くなるはずです。 運悪く学習していないテーマが出題された場合でも、理解をしっかりしていれば、正解を導ける可能性が高くなります。 また、周辺の知識と関連付けができれば記憶にも残りやすくなります。

過去問にない出題への対応の幅を広げるために、そして効率よく学習を進めるために、「覚える」の前段の理解のプロセスも大事にしていただきたいと思います。