モデムの仕組み

モデムの起源

「モデム」という言葉は、変調器と復調器という言葉を短縮したものです。モデムは通常、電話回線を介してデジタル データを送信するために使用されます。

送信モデムはデータを電話回線と互換性のある信号に変調し、受信モデムは信号を復調してデジタル データに戻します。ワイヤレス モデムは、デジタル データを無線信号に変換し、またその逆に変換します。

モデムは、端末が電話回線を介してコンピュータに接続できるようにする方法として 1960 年代に登場しました。典型的な配置を以下に示します。

このような構成では、オフサイトのオフィスや店舗にあるダム端末が、大型の中央コンピュータに「ダイヤルイン」する可能性があります。 1960 年代はタイムシェアコンピュータの時代だったので、企業はタイムシェア施設からコンピュータの時間を購入し、300 ビット/秒 (bps) モデム経由で接続することがよくありました。

ダム端末は単なるキーボードと画面です。当時非常に一般的なダム端末はDEC VT-100と呼ばれ、当時の標準となりました (現在は世界中の端末エミュレータで記念されています)。 VT-100 は、それぞれ 80 文字を 25 行表示できます。ユーザーが端末に文字を入力すると、モデムはその文字のASCII コードをコンピュータに送信します。その後、コンピューターはキャラクターをコンピューターに送り返し、画面に表示します。

1970 年代後半にパーソナル コンピューターが登場し始めると、掲示板システム(BBS) が大流行しました。ある人は 1 つまたは 2 つのモデムといくつかの BBS ソフトウェアを備えたコンピュータをセットアップし、他の人はダイヤルインして掲示板に接続します。ユーザーはコンピュータ上で端末エミュレータを実行して、ダム端末をエミュレートします。

人々はかなり長い間 300 bps で仲良くしていました。この速度が許容できる理由は、300 bps が 1 秒あたり約 30 文字に相当し、これは人間が入力または読み取りできる 1 秒あたりの文字数よりもはるかに多いためです。しかし、人々が掲示板システムとの間で大規模なプログラムや画像を転送し始めると、300 bps は耐えられなくなりました。モデムの速度は、約 2 年間隔で一連の段階を経ました。

(モデム技術の進歩と現在の速度の詳細については、 「DSL の仕組み」と「ケーブル モデムの仕組み」を参照してください。)

300 bps モデム

300 bps モデムは非常に理解しやすいため、開始点として 300 bps モデムを使用します。 300 bps モデムは、周波数シフト キーイング(FSK) を使用して電話回線を介してデジタル情報を送信するデバイスです。周波数シフト キーイングでは、異なるビットに異なるトーン (周波数) が使用されます (トーンと周波数の説明については、 「ギターの仕組み」を参照してください)。

端末のモデムがコンピュータのモデムにダイヤルする場合、端末のモデムは発信モデムと呼ばれます。 0 の場合は 1,070 ヘルツ トーン、1 の場合は 1,270 ヘルツ トーンを送信します。コンピュータのモデムは応答モデムと呼ばれ、0 の場合は 2,025 ヘルツ トーン、1 の場合は 2,225 ヘルツ トーンを送信します。発信側モデムと応答側モデムは異なるトーンを送信するため、回線を同時に使用できます。これは全二重動作として知られています。一度に一方向のみに送信できるモデムは半二重モデムとして知られていますが、これはまれです。

2 つの 300 bps モデムが接続されており、端末のユーザーが文字「a」を入力したとします。この文字の ASCII コードは、10 進数では 97、バイナリでは 01100001 です (バイナリの詳細については、「ビットとバイトの仕組み」を参照してください)。 UART (ユニバーサル非同期受信機/送信機) と呼ばれる端末内のデバイスは、バイトをそのビットに変換し、端末のRS-232 ポート(シリアル ポートとも呼ばれる) を通じて一度に 1 つずつ送信します。端末のモデムは RS-232 ポートに接続されているため、ビットを一度に 1 つずつ受信し、電話回線を介して送信することがその仕事です。

モデム技術

より高速なモデムを作成するために、モデム設計者は周波数偏移キーイングよりもはるかに高度な技術を使用する必要がありました。最初に位相偏移変調(PSK) に移行し、次に直交振幅変調(QAM) に移行しました。これらの技術により、通常の音声グレードの電話回線で利用可能な 3,000 ヘルツの帯域幅に、信じられないほどの量の情報を詰め込むことができます。 56K モデムは、実際には完全に完璧ではない回線で 48 Kbps 程度で接続しますが、これらの技術の限界に近いです (詳細については、この記事の最後にあるリンクを参照してください)。

これらの高速モデムにはすべて、段階的劣化の概念が組み込まれています。つまり、電話回線をテストし、回線がモデムの最高速度を処理できない場合は、より遅い速度に戻すことができます。

モデムの進化の次のステップは、非対称デジタル加入者線( ADSL ) モデムでした。非対称という言葉が使用されているのは、これらのモデムが一方向にデータを送信する速度が、他の方向に送信する速度よりも速いためです。 ADSL モデムは、通常の家庭、アパート、またはオフィスと電話会社の最寄りのマルチプレクサまたは電話局との間に専用の銅線が通っているという事実を利用します。この専用の銅線は、電話の音声チャネルに必要な 3,000 ヘルツ信号よりもはるかに多くのデータを伝送できます。電話会社の電話局と自宅の両方に回線上に ADSL モデムが装備されている場合、自宅と電話会社の間の銅線部分は純粋なデジタル高速伝送チャネルとして機能します。理想的な条件下での容量は、家庭と電話会社 (アップストリーム) の間で 100 万ビット/秒 (Mbps)、電話会社と家庭 (ダウンストリーム) の間で 8 Mbps 程度です。同じ回線で通話とデジタルデータの両方を送信できます。

ADSL モデムのアプローチは原理的には非常に簡単です。 24,000 ヘルツから 1,100,000 ヘルツまでの電話回線の帯域幅は 4,000 ヘルツの帯域に分割され、仮想モデムが各帯域に割り当てられます。これら 249 個の仮想モデムはそれぞれ、その帯域をテストし、割り当てられた帯域幅のスライスで最善を尽くします。 249 個の仮想モデムの合計がパイプの合計速度になります。

(最新の DSL テクノロジについては、 「DSL のしくみ」を参照してください。)

ポイントツーポイントプロトコル

現在、ダム端末や端末エミュレータを使用して個々のコンピュータに接続する人はいません。代わりに、モデムを使用してインターネット サービス プロバイダー(ISP) に接続し、ISP が私たちをインターネットに接続します。インターネットを使用すると、世界中のあらゆるマシンに接続できます (詳細については、 「Web サーバーとインターネットの仕組み」を参照してください)。コンピューター、ISP、インターネット間の関係により、個別の文字を送信することは適切ではなくなりました。代わりに、モデムは、ユーザーと ISP の間で TCP/IP パケットをルーティングします。

モデムを介してこれらのパケットをルーティングするための標準技術は、ポイントツーポイント プロトコル( PPP ) と呼ばれます。基本的な考え方は単純です。コンピュータの TCP/IP スタックは通常どおり TCP/IP データグラムを形成しますが、その後データグラムは送信のためにモデムに渡されます。 ISP は各データグラムを受信し、それをインターネット上に適切にルーティングします。 ISP からコンピューターにデータを取得するときにも同じプロセスが発生します。 PPP の詳細については、「」を参照してください。

モデムやプロトコルについてさらに詳しく知りたい場合、特に PSK や QAM などについてさらに詳しく知りたい場合は、以下のリンクをチェックしてください。

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