モデム

モデム（modem）は、ディジタル通信の送受信装置である。modemという語は、送信のためのデータに基づく変調装置（モジュレータ、modulator）と、受信した信号からデータを取出す復調装置（デモジュレータ、demodulator）のそれぞれの前半を取り出してつなげた一種のかばん語である。ディジタル信号を伝送路の特性に合わせたアナログ信号にデジタル変調して送信するとともに、伝送路からのアナログ信号をデジタル信号に復調して受信するデータ回線終端装置の機能部分であり、通信方式は、ITU-Tにより標準化されている。 公衆交換電話網・専用線・利用者が構内に敷設した私設線・無線電話で、通信速度300bpsから56Kbpsの音声可聴帯域周波数 (300 - 3400Hz)モデムが使用される。非可聴音（数百kHz～数MHzの高周波）を使うADSLモデム等に対して、アナログモデムとの呼称もあるが、一般に認知された表現とはいえない。あるいは通信の途中がデジタル化されていることを前提にした規格ITU V.90、V.92モデムについて、加入側がアナログ回線でアナログモデムと称する場合もある。 光回線の光回線終端装置 (ONU)・ISDN回線のターミナルアダプタ (TA)は、オペレーティングシステムから見たデバイスとしてはモデムとして扱われることがあるが、モデムと呼ばれることはない。 機器の製品形態としては、通信用シリアルポート（RS-232C,USB）を備えた単体の箱型・ドングル型、コンピュータ内部のマザーボード上や拡張カード・PCカードスロットに装着（内蔵）されたものに大別される。通信回線の種類に応じた網制御装置 (NCU) を持つものが多く、誤り検出と再送信・データ圧縮などの機能を持つものもある。 1985年のデータ通信端末機器自由化により、音響カプラによる300bpsから1200bpsのデータ通信の置き換え、パソコン通信・インターネットのアクセスポイントへのダイヤルアップ接続、FAX通信をする手段として、パーソナルコンピュータに内蔵・外付けされたりして電話回線用モデムが普及した。1995年からISDN回線が登場し、ターミナルアダプタのデータ通信は64kbps/128kbpsとなったが、アナログ加入回線自身は主流でありモデムは共存した。 2000年あたりからのADSL・CATVなどのブロードバンド回線の普及により、僻地・離島・海外などの普及の十分でない地域のみで使用されている。公衆無線LAN接続・モバイルデータ通信定額制・インターネットFAXサービスなどの拡充でノートパソコンにも内蔵されなくなった。 OSI参照モデルでは、データ回線終端装置が接続された通信ポートとその先のモデムが物理層に相当する。コンピューター（ホスト）から見た通信ポートから先の（仮想）通信回線上は、無手順の場合もあれば、SLIPやPPP等のデータリンクプロトコルが実装される場合もある。 パソコン通信・ファクシミリ等のアプリケーションソフトウェアは、オペレーティングシステムの通信ポート（シリアルポートやUSBポート等、あるいは専用の仮想通信ポート）、またはネットワークコンポーネント経由で接続し、回線の発呼・着呼等の網制御コマンド・通信データを遣り取りする。ただし、網制御は必須ではない。 ADSLモデム・ケーブルモデム・無線モデムなどのInternet Protocolの仮想LANカード・ルーター・ブリッジ機能のあるネットワークデバイス機器に内蔵された場合は、デバイスとしてのモデムには明示的にアクセスできない場合もある。 また、音声回線を使用せず、VoIP・VoLTEのように音声通話をアプリケーション層で行うものもある。 コンピュータやルーターなどとは、古い機種ではRS-232C・RS-422などのシリアルポート、比較的新しい機種ではUSBやExpressCardなどのインタフェースで接続するのが多い。また、パソコン本体に内蔵されたものや、PCIなどの拡張スロットに装着するもの、PCカードタイプのものもある。 ケーブルモデム・ADSLモデムなどの高速なものは、LANポート（イーサネット）で接続するものが多い。 加入電話回線用のモデムの加入者線側は、電話用2線式のモジュラージャック (RJ-11) にモジュラーケーブルで接続する。アナログ電話機は、電話機端子に接続する。 単方向（単信） 単方向通信のみ可能で、送信側受信側の切り替えのできないもの。 半二重（半複信） 通信方向を切り替えて使用するもので、送信・受信を同時にできないもの。現在でもPOSシステムや、銀行向けの業務用システム（全銀手順）の一部で使われている。G3ファクシミリもこの方式である（制御通信・画像通信とも）。 全二重（複信） 各種複信方式を利用して、送受信を同時に行えるようになっているもの。現在一般的に使用されている。 非同期モデム 一般的に使われるタイプ。モデムには、同期の機能が無いものである。調歩同期式でビット単位同期、High-Level Data Link Control (HDLC) などのフラグ同期またはキャラクタ同期でブロック単位同期を、データ信号自体で取りながら通信する。同期モデムに比べて、速度と確実性に劣るが、安価である。 同期モデム 一部の業務用で使われるタイプ。端末装置から別々の信号線で送信されたデータ信号と同期信号を、一つの伝送路で送信し、受信側でデータ信号と同期信号を分離し別々の信号線で端末装置に受信させるものである。非同期モデムに比べて、確実で高速な通信が可能であるが、高価である。 電話回線の音声周波数帯域 (300 - 3400Hz)をデジタル変調により変復調し、コンピューター等のシリアルポートとデジタル信号（データ）としてやり取りするものである。 MMとは手動発信・手動着信の略である。通信回線インターフェースと変復調部を一体にまとめたモデム。通信用インターフェース（RS-232Cが多い）と通信回線インターフェース（一般の電話回線が多い）を持ち、1980年代のパソコン通信の登場初期から使われている。音響カプラと異なり回線に直接接続されているので安定性が高い。 回線の制御機能は自動的ではなく、電話機でダイヤル後にモデムにあるボタンやスイッチの操作（以下スイッチ操作）で回線をモデムに切り替える。通信終了時にも同様にスイッチ操作で回線を電話機に戻す。発信（発呼 ORG）側か着信（被呼 ANS）側かの選択もスイッチ操作で行う。複数の通信規格（V.21 300bpsとV.23 1200bps半二重 など）に対応した機種では通信速度の切り替えもスイッチ操作で行う。 AIWA PV-2123 V.21/V.23 など のちに着信のみ自動化したMAモデムも登場した。1980年代後半頃から次項のインテリジェントモデムにとって代わられた。 NCU・変復調・制御部を一体にまとめたモデム。通信用インターフェースと通信回線インターフェースを持ち、1980年代のパソコン通信の登場初期から使われている。当時は普及機のMMモデムに対し高級機であった。かつては主流であったが、2000年頃から少なくなっている。 次項のソフトモデムと異なり、動作中にCPUに負担をかけることが少なく、安定して動作することや、特別なデバイスドライバがなくても、RS-232Cポートさえ利用できれば通信できるメリットがあり、産業用機器などの組み込みシステムのコンポーネンツに利用されたことも多い。 インテリジェントモデムをモジュール化し、INS1500のような集合回線に一括接続し、通信用インターフェースにネットワークインターフェースを用いた集合モデムは、アクセスポイントに多用された。 ソフトモデムは、モデム側のハードウェアを簡略化し、コンピュータ側のCPUで処理の多くを行うものである。部品点数が少なく・回路が占有する基板面積が狭く・コストが安いため、非動作時には電源を切っても構わない、内部拡張スロット・USB接続・PCカード・コンピュータ内蔵のモデムのほとんどは、このソフトモデムである。 機能の多くをソフトウェアで実現しているため、安価で新規格にソフトウェアの変更のみで対応が可能である。しかし、処理速度・通信速度・安定性の低下の原因となることもある。また、オペレーティングシステムごとにデバイスドライバの開発が必要である。 基本的に一般的なモデム（インテリジェントモデム）の場合、NCUからアナログ信号とデジタル信号の相互変換を行うADC/DACに接続するまでのトランス・アンプ・イコライザなどのアナログ回路と、ADC/DACと接続され変調・復調・圧縮展開・エラー訂正・コマンド処理を司るDSPとシリアルインターフェース回路で構成されている。コンピューター側のCPUがDSPの機能を担当すれば、ハードウエアで必要な部品はNCU・トランス・必要最小限のアナログ回路・ADC/DACになる。特にDSPは高価な部品なので、省略する事で大幅なコストダウンとなる。 シリアルインターフェースも省略され、生のアナログ信号をADC/DAC経由で高速にCPUと入出力するため、FIFOメモリとホストバスインターフェース（ISAやPCI、USB）が使われる。初期のソフトモデムを除き、現在のソフトモデムはアナログ回路からホストバスインターフェースまでの一切をワンチップで構成している。 デバイスドライバはDSPが担当していた処理をエミュレーションし、イコライザ・ゲイン調整・NCUで使用する信号の生成・変調・復調・圧縮展開・エラー訂正・コマンド処理を行い、オペレーティングシステムに仮想シリアルインターフェースの形でインテリジェントモデムが存在するように見せかけている。 初期のソフトモデムは非常に多くのCPUパワーを消費していた。これは当時のCPUがDSP的な命令セットを備えていなかったために、特に変調・復調処理で手間取っていたためである。ダイヤル回線のダイヤルパルスの間隔が乱れ、かけ間違いが起こることもあった。現代のCPUは全般的に処理能力が向上していることに加え、DSP的な命令セットを備え、かつ並列して一度に実行することができることから、ソフトモデムが登場したころに比べるとCPU負荷はかなり軽減されている。 スマートフォンのアプリケーションとしての実装もできる。FAXモデム（次項）を実装することにより、スマートフォンでFAXを送受信することもできるようになる。 FAXモデムは、G3ファクシミリ (ITU-T T.30) の送受信機能を、ATコマンドを拡張して実装したものである。カラーG3 (ITU-T T.30E) などの拡張機能を利用する場合、Class1相当の機能のみを利用することとなる。機械的には、単体モデム・ソフトモデムともに存在する。 1990年代後半より、パーソナルコンピュータと電話網に接続されたファクシミリとの相互通信のために導入されていた。2000年代に入り、業務用のFAXサーバや複合機のFAXインターフェースモジュールとして製造されるものが主となっている。FAXモデムチップセットのシェアはコネクサント社（旧ロックウエル社）が大部分を占めている。EIA-578規格は一度は姿を消したものの、チップセットの価格を安価にする事ができる事、G3以外の規格（カラーG3やスーパーG3など）も使える為、再び2014年現在主流であるEIA-592規格を後退させている。 ボイスモデムは、データ通信と切替または、対応機器間で同時に音声通信が可能なものである。1990年代後半に製造されていたが、2000年代に入りほとんど製造されていない。 詳細は[1]を参照。 FSK変調を採用した規格は、Bell 103を除き低群・高群ともマーク(1)信号が低位、スペース(0)信号が高位である。FSK以外の変調を採用した規格では、同じシンボルが連続すると搬送波に変化がなくなり復調に支障をきたすため、一定のアルゴリズムでマークとスペースを入れ替える処理が行われる。これをスクランブルという。 2400bps以上の速度のものは、後述のMNPやLAPMによる圧縮を行うことから、パソコンとモデム間の通信速度は、回線上の通信速度よりも高く設定することがほとんどである。この場合、RS-232CのRS・CS信号のオン・オフでフローコントロールを行う。 V.90/V.92 V.90は中継回線がISDN化されており、通信相手がISDNで接続されているのを前提に、ISDN→アナログ回線の通信に、デジタルデータをサンプリング周波数8kHz・量子化ビット数7ビットのPCM信号として伝送することにより最高56,000bpsを達成できる規格である。ISDN側からはデジタルデータのまま伝送し、アナログ回線側の交換機でD/A変換する。サンプリング周波数8kHzである電話回線での理論上の上限である8000baudに達した。サンプリング周波数は動的に変化し、通信速度は1,333.3bps（4000/3）刻みである。なお、アナログ→ISDNはV.34と同様の33,600bpsまでである。 K56flexやX2も似たような規格であるが互換性はない（K56flexは速度が2,000bps刻みである等）。 V.92ではアナログ→ISDN方向をサンプリング周波数8kHz・量子化ビット数6ビットのPCM信号として伝送することにより、最高48,000bpsを達成できる規格である。アナログ回線側の交換機でA/D変換する。ISDN→アナログ方向はV.90同様に最高56,000bpsである。さらに、2対のモデムを用いて更なる高速化(最高で2倍)を図る事も可能である。 なお、アナログ回線用のV.92モデム同士ではV.92で応答せずV.34での通信になるため、最高速度は33,600bpsである。 Bell規格 Bell規格は北米で普及した。元々はAT&T製モデムの商品名である。Bell 103、Bell 202、Bell 212Aなどがある。高速通信の規格はなくITU-Tの規格を使用する。 ITU-Tの規格との違いは、着信時のアンサートーンがBell 103の高群のマーク信号（2225Hz）である点である。 Bell 103やBell 202は有線通信の他、パケット通信などでも使用された。 Bell 103 Bell 103（1962年発売）は300bps、全二重の規格である。1958年発売、110bpsのBell 101を改良したもの。搬送波周波数は1170±100Hzおよび2125±100HzのFSKであるが、低群・高群ともV.21とは逆にマーク信号が高位、スペース信号が低位である。 Bell 212A Bell 212Aは1200bps、全二重の規格である。1200Hzおよび2400HzのQPSKである点はV.22と同じであるが、スクランブルのアルゴリズムが異なり互換性はない。 Bell 202 Bell 202は1200bps、半二重（4線式では全二重）の規格である。1700±500HzのFSKである。北米で、日本のナンバーディスプレイに相当するCaller IDの番号通知に使用されている。オプションで、5bps（387HzのASK）または150bps（437±50HzのFSK）のバックワードチャンネルを追加できる。 HST Dual Standard HSTはUS Roboticsにより16,800bpsでの通信を実現したものである。V.FC/V.34の16,800bpsとは互換性がない。普及せずローカルな実装となった。Dual StandardとはHSTとV.32bisの両方に対応するという意味である。 V.32terbo AT&TによりV.32bisをさらに発展させ、19,200bpsでの通信を実現したものである。V.FC/V.34の19,200bpsとは互換性がない。これも普及せずローカルな実装となった。 V.FC 別名V.FAST。V.34以前に28,800bpsでの通信を実現した。V.34の制定が遅れたため、前二者より普及した。V.34にある送信と受信で異なる速度を利用する実装はない。接続から通信開始までの時間がV.34より長い。V.34とは互換性がないが、V.34対応機種の多くがV.FCにも対応している。 MNP (Microcom Networking Protocol) は、アメリカMicrocom（マイクロコム）社が提唱した、モデム用のデータ圧縮とエラー訂正のための規格の総称。第三者組織によって標準化された規格ではないが、一部の規格は内容が一般に公開されたことと、実際にMicrocom Networking Protocolを搭載したマイクロコム社のモデムの伝送品質が優れていた事から普及した。クラス1から10までクラス分けがされており、上位のクラスは下位のクラスの機能をすべて含んでいる。ほかの通信プロトコルと組み合わせて使用される。 クラス毎の特徴は以下の通り。 クラス1 非同期半二重通信を行う。 クラス2 非同期全二重通信を行う。 クラス3 同期型通信を行う。スタートビット、ストップビットを送らないことからスループットは非同期無手順通信の110%程度になる。 クラス4 回線品質に応じてパケット長を自動設定する。また、送受信されるデータからコントロールビットの重複を取り除くことでスループットは非同期無手順通信の120%以上になる。 クラス5 ランレングス圧縮とハフマン符号によるデータ圧縮を行う。スループットは200%となる。 クラス6 通信量に応じて全二重通信を2倍の半二重通信として使う手法および通信速度の自動設定。 クラス7 ファースト・オーダ・マルコフモデルによるハフマン符号データ圧縮をおこなう。スループットは約300%。 クラス9 データ・パケットにACKを付加するPiggy Back Askingと指定したデータ・パケットのみを再送要求できるMultiple Selective Negative Ackに対応する。 クラス10 移動体通信など用の、伝送路の状態変化により通信速度やパケットサイズを調節し、再送信などを減らして送信効率を上げるもの。 なお、クラス8は欠番である。 ITU-T標準プロトコルで規定された、エラー訂正とデータ圧縮の方式。エラー訂正はMNP4と互換。「V.42bis」はBTLZ (British Telecom Lempel-Ziv) 方式を採用したデータ圧縮の規格であり、CCITT（当時）が1989年11月に勧告したもの。MNP5の圧縮率が1.6 : 1であったのと比較して2.45 : 1程度と、圧縮効が高い。2400bps以上のモデムで広く使われた。 網制御装置（もうせいぎょそうち）は、NCU (Network Control Unit) とも呼ばれる、一般加入者回線に接続するために、交換機に対し回線の接続・相手側の電話番号の通知・切断・通信先等の変更等の処理を行う機器である。 初期のものは、電話機の形状をしており、回線接続などの動作は手動でダイヤルしたり、回路を切り替えたりしていたが、後に、コンピュータからの制御により自動発信、自動着信などもできる様になった。 初期段階では、NCUから制御用信号専用のケーブルでモデムに接続されていたが、後にモデムと一体化された機器が登場する。ヘイズATコマンドという業界標準のコマンドを搭載したモデムが登場してからは、専用ケーブルを介して制御する必要がなくなり、制御コードの標準化と通信回線接続のモジュラジャック化に伴い、一般のパソコン通信などでも使えるようになった。 ヘイズATコマンドとは、アメリカのHayes Microcomputer Products社が開発したインテリジェントモデムのコマンド体系で、ATtentionの略である、「AT」でコマンドが始まることからこう呼ばれる。AやTは小文字でも良いが、AとTとの間に他のコードが入るとATコマンドとは認識されない。 ヘイズ以外のモデムメーカーも同コマンド体系を採用したため業界標準となったが、各社の独自の拡張がされた部分には互換性がないこともある。 端末からの命令を「コマンド」、モデムからの応答を「リザルトコード」と呼ぶ。 ATコマンドは、次のようなビットストリームから始まる。 8bit、パリティなし、ストップビット1bitの場合 A|0s|1|0|0|0|0|0c|1|0x|1s| T|0s|0|0|1|0|1|0c|1|0x|1s| /|0s|1|1|1|1|0|1|0|0x|1s| a|0s|1|0|0|0|0|1c|1|0x|1s| t|0s|0|0|1|0|1|1c|1|0x|1s| ヘイズATコマンドを採用するモデムはDCE - DTE間の速度及びフォーマットを自動判定する機能を備えている場合が多い。このATというデータを受信したと仮定し、最初の1の後の5個の0の後に現れる1までの時間を測定することで速度 (bit per second) を測定できる。その次の0 (0x) が現れるかどうかで、現れなければ7bitパリティなしと、0ではなく1が現れた場合は7bit奇数パリティであると判定できる。0が現れた場合は7bit偶数パリティと8bitパリティなしの可能性がある。その場合、AとTでは1の個数が異なるため、Tのパリティビットを見ることでどちらなのか判定できる。実際の実装は、AやTが小文字であった場合 (0c=1) を考慮してある、ストップビット長をAの後にくるTとの間で判断するなど、若干複雑である。なお、A/は直前の操作を繰り返すコマンドである。 ITU-Tが定めたモデムのコマンド体系。ヘイズATコマンドはモデムによって独自の拡張が行われており、通信するにあたってモデムを何らかの形で識別しなければならないが、V.25bisではシリアルインターフェースの制御状態からコマンドとその手順が厳密に定義されており機種依存の問題はほとんどない。ルーターなどに接続されることを前提としたモデムで採用されている。コンシューマー向けの製品では一時期V.25bisとヘイズATコマンドの両方をサポートしていたが、現在ではV.25bisをサポートしていない製品がほとんどである。 無線モデム、ワイヤレスモデム (wireless modem) とは、無線通信回線を伝送路に使用するモデムである。ブロードバンドインターネット接続のものは、モバイルモデム (Mobile modem)、ポータブルモデム (portable modem) と呼ぶこともある。 IPの仮想LANカード・ルーター・ブリッジとして振る舞うものは、「モデム」と言うよりは「（通信）アダプタ」などと呼ばれる事も多い。 汎用の無線デバイスとして多様な使い方が可能なBluetoothも無線モデムの一種と言える。 2000年代より電波帯域の有効活用のため、2G携帯電話やPHSのように、音声をアナログ-デジタル変換してナローバンド無線モデムでデジタル伝送することが一般的になっている。 2010年代より、第3世代移動通信システム (3G) ・Wi-Fi・Wimaxなどの広帯域無線アクセスによるものが普及している。 移動体通信ネットワーク以外を使用するもとして、小出力のFMラジオ波を使用したり、ISM帯である2.4GHz帯や、特定小電力無線を使用する無線モデムがある。後者の無線モデムは、ホストと通信ポート等で直接接続したり、イーサネットブリッジとして機能する物もある。2.4GHz帯の無線モデムは免許が不要でかつ高速通信ができるスペクトラム拡散を用いた物が主である。アマチュア無線におけるターミナルノードコントローラ (TNC) が、モデムを内蔵したデータリンク装置に該当する。ただしTNCがモデムと呼ばれることは少ない。 通信衛星を利用した、デジタル通信に用いられるもの。多元接続の機能を持つものが多い。 ブロードバンドインターネット接続などの高速デジタル通信用のモデム。コンピュータ等とは、LANポート（イーサネット）でPPPoE等によるブリッジ接続、あるいはルーターに内蔵されてルータ接続するものが多い。 ケーブルモデム : DOCSIS、c.LINK（英語版）など。 デジタル加入者線用モデム : ADSLモデム、VDSLモデムなど HomePNA、PLCなどのモデム 従来のアナログモデムより高速性と、ノイズへの耐性を高めるなどの安定性を目的としたモデム。RS-232Cなどのシリアルインターフェースを半導体レーザー光に変換して、光ケーブルを用いて通信する。用途はNTTがサポートするアナログ回線の内、特定回線によるものとほぼ同じで、アナログの専用線からの置き換えが進んでいる。 ^ 語の成り立ちとしては、無線などの送受信装置を指す「トランシーバ」（トランスミッタとレシーバのかばん語）に似ている。 ^ a b 変調ごとに象限がπ/2（90°）ずつ変わるため、変調ごとのシンボルは240または416である。960・1664は総数である ^ MNPオフィシャルハンドブック,株式会社アスキー,1989年 ^ ピクニック企画, 堤大介, ed (1990-03-01). “BTLZ方式” (日本語). 『電脳辞典 1990's パソコン用語のABC』. ピクニック企画. pp. 282. ISBN 4-938659-00-X.  ^ ピクニック企画, 堤大介, ed (1990-03-01). “V.42bis” (日本語). 『電脳辞典 1990's パソコン用語のABC』. ピクニック企画. pp. 356. ISBN 4-938659-00-X.  ^ これらは元々は、据付ではない可搬性のある可聴帯域用モデムに対する呼び名でもあった。 ^ 同様に、通信機器の構成部品としては確かに無線回路に対しデジタル変復調を行う部品が存在するが、それをモデムと呼ぶ事は少なく、通信チップやモジュール等と呼ばれる方が多い。 スマートフォン テザリング 音響カプラ : 端末設備自由化以前に使用されていた、音響結合のデータ通信機器 端末 : インターフェースの詳細 電気通信設備工事担任者 : 接続のための資格 同期方式