【知識:ネットワーク】波を数字に変える！「パルス符号変調（PCM）」｜情報処理問題1000本ノック

私たちが普段使っている電話や音楽ストリーミングは、アナログ信号（音の波）をデジタル信号（0と1）に変換することで実現されています。その中核技術であるPCMの3ステップを攻略しましょう。

■ PCM（Pulse Code Modulation）の変換プロセス

アナログ波形をデジタル化する際には、以下の順序で処理が行われます。

1. 標本化（サンプリング / Sampling）

連続的なアナログ波形を、一定の時間間隔ごとに区切って、その時点の値を計測します。
※どれだけ細かく区切るかを「サンプリング周波数」と呼びます。

2. 量子化（Quantization）

標本化で得られた連続的な値を、あらかじめ決めた段階的な整数値（近似値）に当てはめます。
※この段階を細かくするほど、元の波形に近い「高音質」になりますが、データ量も増えます。

3. 符号化（コーディング / Coding）

量子化された数値を、「0」と「1」のバイナリ（2進数）データに変換します。これにより、コンピュータでの処理や通信路での伝送が可能になります。

■ 効率的な変調方式：デルタ変調

通常のPCMは各時点の値をそのまま送りますが、データ量を節約するための応用方式が存在します。

【デルタ変調（Delta Modulation）の特徴】

■ 仕組み
・値をそのまま送るのではなく、「一つ前の値と比較して、大きければ1、小さければ0」という「差分（変化）」のみを記録・伝送する方式です。

■ メリット
・各サンプルを1ビットで表現できるため、構成がシンプルになり、データ量を大幅に抑えることができます。

試験対策の重要ポイント：標本化定理

元の波形を正しく復元するためには、「再現したい最高周波数の2倍以上の速さ」でサンプリングする必要があります。例えば、人間の耳に聞こえる上限の20kHzを再現するために、CDは44.1kHzでサンプリングされています。

※PCMは「映画のフィルム（一瞬を切り取って繋げる）」、デルタ変調は「階段を1段上がるか下がるかだけを指示する」イメージで捉えると、仕組みの違いが理解しやすくなります。

【ネットワーク】データの正確性を守る！「誤り制御方式」｜情報処理問題1000本ノック

通信路ではノイズなどの影響でデータが化けることがあります。これらを検出し、あるいは自動的に修正するための「符号化」の仕組みを攻略しましょう。

■ 通信における誤り制御：ブロック符号と畳み込み符号

データをどのような単位で処理し、冗長な情報（チェック用のデータ）を付加するかによって、大きく2つの方式に分かれます。

方式	特徴と処理単位
ブロック符号 (Block Code)	伝送データを一定の長さの「ブロック」に分割し、各ブロックごとに独立して誤り訂正用の符号を付加する方式。 ・代表例：ハミング符号、リード・ソロモン符号（CDやQRコードでも使用）。
畳み込み符号 (Convolutional Code)	データをビットの連続した集まりとして扱い、過去のデータとの関連性を持たせて符号を計算する方式。 ・逐次的に符号化を行うため、リアルタイム性が高い。 ・代表例：ビタビ復号（受信側での判定手法）。

試験対策の重要キーワード

• FEC (前方誤り訂正)：受信側で誤りを見つけるだけでなく、自力で修正まで行う技術の総称です（今回の2つもこれに含まれます）。
• ARQ (自動再送要求)：誤りを見つけた際、送信側に「もう一度送って」と頼む方式（パリティチェックやCRCと組み合わされます）。
• 検査ビット（冗長ビット）：誤り検知・訂正のために、元のデータに付け加えられる「おまけ」のデータのことです。

※ブロック符号は「箱詰めにして各箱にラベルを貼る」、畳み込み符号は「糸を編み込むように前の情報と繋げていく」イメージです。これらを組み合わせることで、さらに強力な誤り訂正能力（ターボ符号など）が実現されています。

【ネットワーク】情報の運び方！「交換方式」の基礎知識｜情報処理問題1000本ノック

ネットワークにおいて、送信元から宛先へデータを届けるための「交換方式」には、大きく分けて「回線交換」と「パケット交換」の2つがあります。それぞれの特徴と違いを攻略しましょう。

■ 通信ネットワークの交換方式：回線交換 vs パケット交換

「専用線を使う」のか「データを細切れにして共有する」のか、その戦略の違いがネットワークの設計思想を決定づけます。

方式	目的と振る舞い
回線交換 (Circuit Switching)	通信ユーザ間に、エンドツーエンドの物理的な伝送路をあらかじめ占有（設定）する方式。 ・設定完了後に実際の通信を行うため、品質が安定する。 ・電話網（固定電話）の基本的な考え方。
パケット交換 (Packet Switching)	情報を「パケット」という単位に分割して送る方式。 ・交換局で「蓄積・交換」を繰り返し、次々とノードを渡り歩いて宛先へ届く。 ・インターネット通信の現在の主流。

試験対策の重要キーワード

• 回線交換のメリット：遅延や品質が一定で、リアルタイム通信（通話）に最適。ただし、回線を占有するため効率が悪くなることがある。
• パケット交換のメリット：多くのユーザで回線を共有できるため、非常に効率的。データ量に応じて柔軟に伝送できる。
• 蓄積交換機能：パケット交換において、交換機が一度パケットを受け取り、バッファに「蓄積」してから次の経路へ「転送」する仕組みのことです。

※回線交換は「道路を貸し切る」、パケット交換は「トラックで小分けにして配送する」イメージです。現代のネットワークは、パケット交換による高効率な通信が基盤となっています。

【ネットワーク】情報を電波に乗せる！「変調方式」の仕組み｜情報処理問題1000本ノック

デジタルデータである「0」や「1」の信号を、遠くへ飛ばすための電波（アナログ波）に変換する技術を「変調」と呼びます。通信の基本となるこの仕組みを整理しましょう。

■ 信号を運ぶ仕組み：変調と搬送波

情報を載せて運ぶための電波のことを搬送波（キャリア）と呼びます。この搬送波の性質（振幅、周波数、位相）を変化させることで、情報を表現します。

変調方式	特徴と振る舞い
振幅変調 (AM / ASK)	信号の変化を振幅（波の大きさ）の変化に置き換える方式。デジタル(ASK)では、振動の「あり・なし」で0と1を表現します。
周波数変調 (FM / FSK)	信号の変化を周波数（波の密度）の高低に置き換える方式。デジタル(FSK)では、周波数の切り替えで0と1を表現します。
位相変調 (PM / PSK)	信号の変化を位相（波のタイミング）の変化に置き換える方式。デジタル(PSK)では、0から1（またはその逆）へ変わる際に位相を変化させます。

試験対策の重要キーワード

• アナログ変調（AM/FM/PM）：主にラジオ放送などのアナログ通信で使われる基本方式です。
• デジタル変調（ASK/FSK/PSK）：コンピュータのデジタル信号（0/1）を、電波の物理的な変化にマッピングする方式です。
• QAM（直交振幅変調）：振幅と位相を組み合わせて、一度により多くのビットを運ぶ高度な方式。Wi-Fiなどで広く使われています。

※変調は「送る側」、元の信号に戻す「復調（デモジュレーション）」は「受ける側」の役割です。この両方を行う装置が「モデム（MOdulator-DEModulator）」の名前の由来となっています。