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振幅変調（AM）は、 電子通信で使用される信号変調技術であり、最も一般的には電波でメッセージを送信するために使用されます。振幅変調では、波の瞬間振幅が音声信号などのメッセージ信号の振幅に比例して変化します。[ 1 ]この技術は、搬送波の周波数が周波数変調のように変化する角度変調[ 1 ]、または位相が位相変調のように変化する角度変調とは対照的です。
AMは、ラジオ放送で音声を送信するために使用された最も初期の変調方式です。これは、 1900年のロベルト・ランデル・デ・モウラとレジナルド・フェッセンデンの無線電話実験から始まり、20世紀の最初の四半期に開発されました。 [ 2 ]このAMの初期形式は、標準的な方法で搬送波周波数の両側に側波帯が生成されるため、二重側波帯振幅変調（DSBAM ）と呼ばれることもあります。単側波帯変調では、バンドパスフィルタを使用して側波帯の1つと場合によっては搬送波信号を除去し、メッセージ電力と総送信電力の比率を改善し、回線中継器の電力処理要件を減らし、伝送媒体の帯域幅をより有効に利用できるようにします。
AMは、 AM放送に加えて、短波ラジオ、アマチュア無線、双方向無線、VHF航空無線、市民バンド無線、そして直交振幅変調（QAM）の形でコンピュータモデムなど、多くの形態の通信で現在も使用されています。
電子工学および電気通信において、変調とは、音声を表す音声信号や画像を表す映像信号など、情報を含む信号に応じて連続波搬送波の特性を変化させることを指します。この意味で、メッセージ信号よりもはるかに高い周波数を持つ搬送波が情報を伝達します。受信局では、変調された搬送波から復調によってメッセージ信号が抽出されます。
一般的に、正弦波搬送波の変調プロセスは次の式で表すことができます。[ 3 ]
A(t)は正弦波搬送波の時間変化する振幅を表し、コサイン項はその角周波数における搬送波を表す。、そして瞬間位相偏差この説明は、振幅変調と角度変調という2つの主要な変調方式を直接的に示しています。角度変調では、項A ( t )は定数であり、式の第2項は変調メッセージ信号と関数関係にあります。角度変調は、周波数変調と位相変調という2つの変調方式を提供します。[ 4 ]： 27-28
振幅変調では、角度項は一定に保たれ、方程式の最初の項A ( t ) は変調メッセージ信号と関数関係にある。
変調メッセージ信号はアナログ信号の場合もあれば、デジタル信号の場合もあり、後者の場合は一般に振幅偏移変調（ASK）と呼ばれる。[ 5 ]： 124-128
例えば、AM無線通信では、連続波の無線周波数信号は、送信前に音声波形によって振幅変調されます。メッセージ信号は、送信波形の包絡線を決定します。周波数領域では、振幅変調によって、搬送波周波数とその両側の2つの側波帯に電力が集中した信号が生成されます。各側波帯は、変調信号の帯域幅と同じであり、互いに鏡像の関係にあります。そのため、標準的なAMは「二重側波帯振幅変調」（DSBAM）と呼ばれることもあります。
標準AMだけでなく、すべての振幅変調方式の欠点は、受信機が信号に比例してノイズや電磁干渉を増幅・検出してしまうことです。例えば、受信信号対雑音比を10倍（10デシベル改善）にするには、送信出力を10倍にする必要があります。これは、受信信号が受信閾値を十分に上回っている限り、復調後のノイズの影響が大幅に軽減される周波数変調（FM）やデジタルラジオとは対照的です。このため、AM放送は音楽や高忠実度放送には適さず、音声通信や放送（スポーツ、ニュース、トークラジオなど）に適しています。
AMは、送信電力の少なくとも3分の2が搬送波信号に集中するため、電力効率が悪い。搬送波信号には、送信情報（音声、映像、データなど）は含まれていない。搬送波信号の存在により、エンベロープ検出を用いた復調が容易になり、側波帯からメッセージ信号を抽出するための周波数と位相の基準が得られる。AMに基づく変調方式の中には、搬送波成分を部分的または完全に除去することで送信電力を低く抑えることができるものもあるが、これらの信号用の受信機は、復調処理で使用するために、大幅に低減された「パイロット」搬送波（低減搬送波伝送またはDSB-RCの場合）から正確な搬送波周波数基準信号（通常は中間周波数にシフトしたもの）を提供する必要があるため、より複雑になる。二重側波帯抑制搬送波伝送で搬送波が除去された場合でも、コスタス位相同期ループを使用して搬送波再生が可能である。[ 6 ]
これは、シングルサイドバンド抑制搬送波伝送（SSB-SC）には適用されず、受信機をわずかに同調させると、特徴的な「ドナルドダック」のような音が発生します。しかしながら、シングルサイドバンドAMは、電力効率と帯域幅効率に優れているため（標準AMと比較してRF帯域幅を半分に削減）、アマチュア無線やその他の音声通信で広く使用されています。一方、中波および短波放送では、フルキャリアを使用した標準AMにより、安価な受信機でも受信が可能です。放送局は、潜在的な聴取者数を大幅に増やすために、追加の電力コストを負担します。
バイナリデータの送信に使用できるデジタル振幅変調の単純な形式は、オンオフキーイングです。これは振幅シフトキーイングの最も単純な形式で、搬送波の有無によって1と0が表されます。オンオフキーイングは、アマチュア無線家がモールス符号を送信するためにも使用され、送信は厳密には「連続」ではありませんが、連続波（CW）動作として知られています。AMのより複雑な形式である直交振幅変調は、利用可能な帯域幅をより効率的に使用しながら、デジタルデータでより一般的に使用されています。[ 7 ]
振幅変調の単純な形式は、従来のアナログ電話機から共通のバッテリーローカルループを使用して音声信号を送信することです。[ 8 ]中央局のバッテリーから供給される直流電流は、周波数0Hzの搬送波です 。これは、電話機内のマイクロホン（送信機）によって、スピーカーからの音響信号に応じて変調されます。その結果、振幅が変化する直流電流が得られ、その交流成分が中央局で抽出され、他の加入者に送信される音声信号となります。
標準AMでは搬送波が振幅基準を提供するという機能がありますが、これは単側波帯または二重側波帯の搬送波抑制伝送では失われます。受信機では、自動利得制御（AGC）が搬送波に反応し、再生される音声レベルが元の変調に対して一定の比率を保つようにします。一方、搬送波抑制伝送では、変調の休止期間中は送信電力がないため、AGCは変調のピーク時の送信電力のピークに反応する必要があります。これは通常、いわゆる高速アタック・低速減衰回路によって実現され、プログラムの音節間や短い休止期間中、ピークの後に1秒以上AGCレベルを維持します。これは、音声の圧縮によって明瞭度が向上する通信用ラジオでは非常に有効です。しかし、音楽や通常の放送番組では、変調レベルの変化を含め、元の番組を忠実に再現することが求められるため、これは全く望ましくありません。
1982年、国際電気通信連合（ITU）は振幅変調の種類を以下のように規定した。
振幅変調は、1800 年代後半の多重電信および電話伝送の実験で使用されました。[ 9 ]しかし、この技術の実用化は、1900 年から 1920 年までの無線電話伝送の期間、つまり、電波で音声信号を送信しようとする試みと関連付けられています。スパークギャップ送信機と呼ばれる最初の無線送信機は、搬送波のパルスを使用してモールス符号でテキストメッセージを綴り、無線電信で情報を送信しました。搬送波は減衰波の列、つまりゼロに減衰する電波のパルスで構成されており、受信機ではブザー音のように聞こえるため、音声を送信することはできませんでした。事実上、それらはすでに振幅変調されていました。[ 10 ] [ 11 ]
最初のAM送信は、カナダ生まれのアメリカ人研究者レジナルド・フェッセンデン[ 12 ]によって1900年12月23日に行われた[ 13 ]。彼は、特別に設計された高周波10kHzの 遮断器を備えた火花ギャップ送信機[ 14 ]を使用し、米国メリーランド州コブ島で1マイル（1.6km ）の距離で送信を行った。彼が最初に送信した言葉は、「こんにちは。1、2、3、4。ティーセンさん、そちらは雪が降っていますか？」[ 13 ]だった。彼の言葉は「完全に聞き取れた」ものの、火花によって大きくて不快なノイズが発生した[ 14 ] 。
フェッセンデンはAMラジオの開発において重要な人物でした。彼は、上記のような実験から、既存の電波発生技術である火花送信機は振幅変調には使えず、正弦波状の連続波を生成する新しいタイプの送信機が必要であることを最初に認識した研究者の一人でした。当時、専門家たちは無線周波数波を生成するには瞬間的な火花が必要だと考えていたため、これは革新的なアイデアであり、フェッセンデンは嘲笑されました。彼は最初の連続波送信機の1つであるアレクサンダーソン・オルタネーターを発明し、その開発にも貢献した。彼はこれを用いて、1906年のクリスマスイブに最初のAM公共娯楽放送を行った。また、AMの基礎となるヘテロダイン方式を発見し、1902年にはAMを整流・受信できる最初の検出器の1つである電解検出器、または「液体バレット」を発明した。無線電信用に発明されたフレミング管（1904年）や水晶検出器（1906年）などの他の無線検出器もAM信号を整流できることが証明されたため、技術的な課題はAM波を生成することであり、受信は問題ではなかった。[ 11 ]： 36、55–75、195 [ 10 ]： 76–77、116–117、125、133–134、162
フェッセンデン、ヴァルデマール・ポールセン、エルンスト・ルーマー、キリノ・マヨラナ、チャールズ・ヘロルド、リー・デ・フォレストらが行ったAMラジオ送信の初期の実験は、増幅技術の欠如によって妨げられた。最初の実用的な連続波AM送信機は、1906年から1910年に開発された巨大で高価なアレクサンダーソン交流発電機、または1903年に発明されたポールセンアーク送信機（アークコンバータ）のいずれかに基づいていた。
AM送信に必要な改造は煩雑で、音声品質は非常に低かった。変調は通常、アンテナまたは接地線に直接挿入されたカーボンマイクロホンによって行われ、その抵抗値の変化によってアンテナへの電流が変化させた。マイクロホンの電力処理能力が限られていたため、初期の無線電話の出力は著しく制限され、多くのマイクロホンは水冷式であった。[ 15 ]： 1102
1906年にリー・デ・フォレストによって発明されたオーディオン管の増幅能力が1912年に発見されたことで、これらの問題は解決されました。1912年にエドウィン・アームストロングとアレクサンダー・マイスナーによって発明された真空管フィードバック発振器は、安価な連続波源であり、容易に変調してAM送信機を作ることができました。変調は出力で行う必要はなく、最終増幅管の手前の信号に適用できたため、マイクロホンなどの音声ソースが高出力の無線信号を変調する必要はありませんでした。戦時中の研究はAM変調の技術を大きく進歩させ、戦後、安価な真空管が入手可能になったことで、ニュースや音楽のAM送信を実験するラジオ局の数が大幅に増加しました。真空管は、最初の電子マスメディアであるAM放送が1920年頃に台頭するきっかけとなりました。振幅変調は、第二次世界大戦後にFM放送が始まるまで、ラジオ放送で事実上唯一使用された方式でした。[ 11 ] : 203–205、229–230、237–242 [ 10 ] : 174、177、235、355–357
AMラジオが始まったのと同時期に、AT&Tなどの電話会社はAMのもう一つの大きな用途を開発していた。それは、周波数分割多重と呼ばれる、別々の搬送周波数で変調することで、1本の線を通して複数の電話通話を送信することだった。[ 9 ]
1915年、ジョン・レンショー・カーソンは振幅変調の最初の数学的記述を定式化し、信号と搬送波周波数が非線形デバイスで結合されると、搬送波周波数の両側にサイドバンドが生成されることを示した。変調された信号を別の非線形デバイスに通すと、元のベースバンド信号を抽出できる。[ 9 ]また、彼の分析では、音声信号を送信するにはサイドバンドが1つだけ必要であることも示され、カーソンは1915年12月1日にシングルサイドバンド変調（SSB）の特許を取得した。 [ 9 ]この振幅変調の高度な変種は、1927年1月7日からAT&Tによって大西洋横断長波電話サービスに採用された。第二次世界大戦後、軍用機の通信用に開発された。
周波数f cおよび振幅Aの搬送波（正弦波）は次のように表される。
搬送波を変調するために使用される音声信号などのメッセージ信号はm ( t ) であり、その周波数はf mであり、f cよりはるかに低い。
ここで、mは振幅感度、Mは変調振幅です。m < 1 の場合、(1 + m(t)/A)は常に正の値となり、低変調になります。m > 1 の場合、過変調が発生し、送信信号からメッセージ信号を再構成すると、元の信号が失われます。振幅変調は、搬送波c(t)に正の値 (1 + m(t)/A)を乗じることで発生します。
この単純なケースでは、mは後述する変調指数と同一です。m = 0.5 の場合、振幅変調信号y ( t ) は、図 4 の一番上のグラフ (「50% 変調」とラベル付けされています) に対応します。
プロスタフェレシス恒等式を用いると、y ( t )は3つの正弦波の和であることが示される。
したがって、変調信号は、周波数が変化しない搬送波c(t)と、搬送周波数f cよりわずかに高い周波数と低い周波数を持つ 2 つのサイドバンドの3 つの成分から構成されます。[ 4 ]
有用な変調信号m(t)は、通常、上述のように単一の正弦波よりも複雑です。しかし、フーリエ分解の原理により、m(t) は、さまざまな周波数、振幅、位相を持つ一連の正弦波の和として表現できます。 上記のように1 + m(t)とc(t)を乗算すると、結果は正弦波の和になります。ここでも、搬送波c(t)は変化しませんが、mの各周波数成分f iには、周波数f c + f iと f c – f iの 2 つのサイドバンドがあります。搬送波周波数より高い周波数の集合は上側サイドバンドとして知られ、搬送波周波数より低い周波数の集合は下側サイドバンドを構成します。変調m(t)は、図2の上部に示すように、正の周波数成分と負の周波数成分が等しく混合されたものと考えることができる。側波帯は、図2の右下に示すように、変調m (t)が単に周波数f cだけシフトされたものと考えることができる。 [ 16 ]： 75-76
変調の短期スペクトルは、例えば人間の声のように変化するため、周波数成分（横軸）を時間（縦軸）の関数として図3のようにプロットすることができます。ここでも、変調周波数成分が変化すると、搬送波周波数より上にシフトした周波数に応じて上側波帯が生成され、搬送波周波数より下の周波数では同じ成分が鏡像のように反転した下側波帯が生成されることが分かります。搬送波自体は常に一定であり、そのパワーは側波帯全体のパワーよりも大きくなります。
AM伝送のRF帯域幅（図2を参照、ただし正の周波数のみを考慮）は、搬送波周波数周辺の上下側波帯の帯域幅がそれぞれ最高変調周波数と同じ幅であるため、変調（または「ベースバンド」）信号の帯域幅の2倍になります。AM信号の帯域幅は周波数変調（FM）を使用する信号よりも狭いですが、シングルサイドバンド方式の2倍の幅があります。したがって、スペクトル効率が悪いと見なすことができます。周波数帯域内では、半分の数の伝送（または「チャンネル」）しか収容できません。このため、アナログテレビでは、必要なチャンネル間隔を縮小するために、シングルサイドバンドの変種（帯域幅の点で妥協した痕跡側波帯として知られています）を使用します。[ 4 ]： 175-176 [ 5 ]
標準AMに対するもう一つの改良点は、変調スペクトルの搬送波成分を低減または抑制することによって得られます。図2では、これは側波帯間のスパイクです。完全な（100%）正弦波変調であっても、搬送波成分の電力は側波帯の2倍ですが、固有の情報は含まれていません。したがって、搬送波を低減または完全に抑制することで、効率の面で大きな利点が得られます。これは、一方の側波帯を除去する（単一側波帯搬送波抑制伝送）か、両方の側波帯を残す（二重側波帯搬送波抑制）かのいずれかで実現できます。これらの搬送波抑制伝送は送信電力の面では効率的ですが、搬送波周波数の同期検出と再生を行う、より高度な受信機が必要となります。そのため、特に放送伝送では、包絡線検出を使用する安価な受信機を使用できる標準AMが広く使用され続けています。（アナログ）テレビでさえ、（大部分が）下側波帯が抑制されているため、包絡線検出を使用するのに十分な搬送波電力が含まれています。しかし、送信機と受信機の両方を最適化できる通信システムでは、片側波帯と搬送波の両方を抑制することが全体的な利点となり、頻繁に採用される。[ 6 ]
AM放送送信機で広く用いられている技術の一つに、ハプブルク搬送波方式があります。これは1930年代に初めて提案されましたが、当時の技術では実用的ではありませんでした。低変調時には搬送波電力が低減され、高変調時には最大電力に戻ります。これにより送信機の消費電力が全体的に低減され、特に音声番組で効果を発揮します。1980年代後半以降、送信機メーカーはこの方式を様々な商標名で販売しています。
AM変調指数は、RF信号の変調変動と無変調搬送波レベルの比に基づく指標です。したがって、次のように定義されます。
どこそしてはそれぞれ変調振幅と搬送波振幅を表します。変調振幅は、変調されていないRF振幅からのピーク（正または負）の変化量です。変調指数は通常パーセントで表され、AM送信機に接続されたメーターに表示されることがあります。
だからもし搬送波振幅は、最初の波形（下記参照）に示すように、無変調レベルより50%上（および下）に変化します。下の図に示すように、100% の範囲で変化します。100% 変調では、波の振幅がゼロになることがあり、これは標準 AM を使用した完全変調を表し、多くの場合 (可能な限り最高の信号対雑音比を得るために) 目標となりますが、これを超えてはなりません。この点を超えて変調信号を増加させると、過変調として知られ、波包絡線の負の振幅がゼロ未満になることができないため、標準 AM 変調器 (下記参照) が機能しなくなり、受信変調が歪み(「クリッピング」) します。送信機は通常、過変調を回避するためにリミッター回路、および/または(特に音声通信の場合) ノイズに対する最大の明瞭度を得るために 100% 変調に近づけるために圧縮回路を組み込んでいます。このような回路は、 vogadと呼ばれることもあります。
しかし、二重側波帯縮小搬送波伝送の場合、歪みを導入することなく、変調指数が 100% を超えることもあり得ます。この場合、ゼロを超える負の変動は、下の 3 番目の波形に示すように、搬送波位相の反転を伴います。これは、特に高出力放送送信機で広く使用されている効率的な高レベル (出力段) 変調技術 (下記参照) では生成できません。むしろ、このような波形は、低レベルで特殊な変調器によって生成され、その後に線形増幅器が接続されます。さらに、包絡線検波器を使用する標準的な AM 受信機では、このような信号を適切に復調することはできません。むしろ、同期検波が必要です。[ 6 ]
したがって、変調指数が100%未満であれば、標準AMと同一のRF波形を生成するにもかかわらず、二重側波帯伝送は一般的に「AM」とは呼ばれません。このようなシステムでは、有用な情報が存在する側波帯と比較して搬送波レベルを大幅に低減し、搬送波を（理想的には）ゼロにする二重側波帯抑制搬送波伝送を実現することがよく行われます。このような場合すべてにおいて、「変調指数」という用語は、変調振幅と、かなり小さい（またはゼロの）残りの搬送波振幅との比率を指すため、その意味を失います。
変調回路の設計は、低レベルまたは高レベルに分類される（低電力領域で変調して送信のために増幅するか、送信信号の高電力領域で変調するかによる）。[ 17 ]
現代の無線システムでは、変調信号はデジタル信号処理（DSP）によって生成されます。DSPでは、ソフトウェア制御により多くの種類のAM（搬送波付きDSB、搬送波抑制独立側波帯（ISB）を含む）が可能です。計算されたデジタルサンプルは、デジタル-アナログ変換器によって電圧に変換されますが、通常は目的のRF出力周波数よりも低い周波数です。アナログ信号は、周波数シフトされ、目的の周波数と電力レベルまで線形増幅される必要があります（変調歪みを防ぐために線形増幅を使用する必要があります）。[ 18 ] この低レベルのAM方式は、多くのアマチュア無線トランシーバーで使用されています。[ 19 ]
AMは、次節で説明するアナログ方式を用いて、低レベルでも生成することができる。
現代の高出力AM送信機（ AM放送に使用されるものなど）は、高効率のクラスDおよびクラスE電力増幅器段に基づいています。[ 20 ]
古い設計（放送用およびアマチュア無線用）でも、送信機の最終増幅器（一般的に効率のためにクラスC）のゲインを制御することでAMを生成する。これは、初期の高出力送信機における効率向上への強い重点を反映している。以下のタイプは真空管送信機用だが、トランジスタでも同様のオプションが利用可能である。[ 21 ] [ 22 ]
AM復調器の最も単純な形式は、エンベロープ検出器として構成されたダイオードから成ります。1943年にフレデリック・ターマンが説明したように、ダイオード整流器はAM信号用の最も広く使用された検出器であり、変調エンベロープを復元する簡単な方法を提供しました。[ 29 ] 1904年、ジョン・アンブローズ・フレミングは、鉱石ラジオの電波検出器用にそのような回路を開発しました。[ 30 ]鉱石検出器に可変コンデンサを追加することで、特定の周波数に同調することができます。[ 16 ] : 104-106}, 111, 115
別のタイプの復調器である積検出器は、回路の複雑さが増すものの、より高品質な復調を実現できる。[ 4 ]： 157-158
![{\displaystyle {\begin{aligned}y(t)&=\left[1+{\frac {m(t)}{A}}\right]c(t)\\&=\left[1+m\cos \left(2\pi f_{m}t+\phi \right)\right]A\sin \left(2\pi f_{c}t\right)\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/637cd857e4f781d6d7bbdb570fa8c227d64d4298)
![{\displaystyle y(t)=A\sin(2\pi f_{c}t)+{\frac {1}{2}}Am\left[\sin \left(2\pi \left[f_{c}+f_{m}\right]t+\phi \right)+\sin \left(2\pi \left[f_{c}-f_{m}\right]t-\phi \right)\right].\,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e6540130eb862ec3332481d4f1730806e8352ba0)
