変調

電子工学や電気通信において、変調とは、搬送信号と呼ばれる周期的な波形の1つ以上の特性を、通常送信される情報を含む変調信号と呼ばれる別の信号で変化させるプロセスです。 ^[1]たとえば、変調信号は、マイクからの音を表すオーディオ信号、ビデオカメラからの動画を表すビデオ信号、または2進数のシーケンスを表すデジタル信号、コンピューターからの ビットストリームなどです。

この搬送波は通常、メッセージ信号よりもはるかに高い周波数を持っています。これは、低周波で信号を送信するのは非現実的だからです。一般的に、電波を受信するには、波長の4分の1の長さの無線アンテナが必要です。 ^[2] 低周波の電波の場合、波長はキロメートルのスケールであり、そのような大きなアンテナを構築することは現実的ではありません。無線通信では、変調された搬送波が無線波として空間を介して無線受信機に送信されます。

変調のもう 1 つの目的は、周波数分割多重(FDM)を使用して、単一の通信媒体を介して複数の情報チャネルを送信することです。たとえば、ケーブル テレビ(FDM を使用) では、それぞれ異なるテレビ チャネルで変調された多数の搬送信号が、単一のケーブルを介して顧客に転送されます。各搬送波は異なる周波数を占有するため、チャネルは互いに干渉しません。送信先では、搬送信号が復調され、情報を含む変調信号が抽出されます。

変調器は、変調を実行する装置または回路です。復調器（検出器と呼ばれることもあります）は、変調の逆である復調を実行する回路です。双方向通信で使用されるモデム（変調器と復調器を組み合わせた造語）は、両方の操作を実行できます。変調信号が占める低い周波数帯域はベースバンドと呼ばれ、変調された搬送波が占める高い周波数帯域はパスバンドと呼ばれます。^[要出典]

アナログ変調では、アナログ変調信号が搬送波に「印加」される。例としては、搬送波の振幅（強度）が変調信号によって変化する振幅変調（AM）や、搬送波の周波数が変調信号によって変化する周波数変調（FM）などがある。これらは最も初期の変調方式であり^[要出典]、AMおよびFMラジオ放送で音声を表すオーディオ信号を送信するのに使用されている。最近のシステムではデジタル変調が使用され、ビットを伝送する離散アルファベットの要素にマッピングすることにより、 2進数のビットのシーケンス（ビットストリーム）で構成されるデジタル信号が搬送波に印加される。このアルファベットは、実数または複素数の集合、または異なる周波数の振動のようなシーケンス（いわゆる周波数シフトキーイング（FSK）変調）で構成される場合がある。複数の搬送波を使用するより複雑なデジタル変調方式である直交周波数分割多重化（OFDM）は、 WiFiネットワーク、デジタルラジオ局、デジタルケーブルテレビ伝送 で使用されている。

アナログ変調では、アナログ情報信号に応じて変調が連続的に適用されます。一般的なアナログ変調技術には次のものがあります。

• 振幅変調（AM）（ここでは搬送信号の振幅は変調信号の瞬間的な振幅に応じて変化します）
  • 両側波帯変調（DSB）
    • 搬送波付き両側波帯変調（DSB-WC）（AMラジオ放送帯域で使用）
    • 両側波帯抑圧搬送波伝送（DSB-SC）
    • 両側波帯縮小搬送波伝送（DSB-RC）
  • 単側波帯変調（SSB、またはSSB-AM）
    • 搬送波付き単側波帯変調（SSB-WC）
    • シングルサイドバンド変調抑圧搬送波変調（SSB-SC）
  • 残留サイドバンド変調(VSB、または VSB-AM)
  • 直交振幅変調（QAM）
• 角度変調、これはほぼ一定の包絡線である
  • 周波数変調（FM）（ここでは搬送信号の周波数は変調信号の瞬間的な振幅に応じて変化します）
  • 位相変調（PM）（ここでは、搬送信号の位相シフトは変調信号の瞬間的な振幅に応じて変化します）
  • 転置変調（TM）では、波形の屈折が修正され、変調プロセスで各 1/4 サイクルが転置された信号が生成されます。TM は疑似アナログ変調（AM）です。AM キャリアは位相可変位相 f(ǿ) も搬送します。TM は f(AM,ǿ) です。

デジタル変調では、アナログ搬送信号が離散信号によって変調されます。デジタル変調方式はデジタルからアナログへの変換、対応する復調または検出はアナログからデジタルへの変換と考えることができます。搬送信号の変化は、有限数の M 個の代替シンボル (変調アルファベット) から選択されます。

簡単な例:電話回線は、デジタル ビット (0 と 1) ではなく、トーンなどの可聴音を転送するように設計されています。ただし、コンピューターはモデムを使用して電話回線で通信できます。モデムは、シンボルと呼ばれるトーンでデジタル ビットを表します。4 つの代替シンボルがある場合 (一度に 4 つの異なるトーンを生成できる楽器に対応)、最初のシンボルはビット シーケンス 00、2 番目は 01、3 番目は 10、4 番目は 11 を表します。モデムが 1 秒あたり 1000 トーンで構成されるメロディーを再生する場合、シンボルレートは1 秒あたり 1000 シンボル、つまり 1000ボーです。この例では、各トーン (つまり、シンボル) は 2 つのデジタル ビットで構成されるメッセージを表すため、ビット レートはシンボル レートの 2 倍、つまり 1 秒あたり 2000 ビットになります。

デジタル信号の定義の一つ^[3]によれば、変調された信号はデジタル信号である。別の定義によれば、変調はデジタルからアナログへの変換の一形態である。ほとんどの教科書では、デジタル変調方式をデータ伝送と同義のデジタル伝送の一形態とみなしており、アナログ伝送と考える教科書はほとんどない。^[要出典]

最も基本的なデジタル変調技術はキーイングに基づいています。

• PSK (位相シフトキーイング) : 有限数の位相が使用されます。
• FSK (周波数シフトキーイング) : 有限数の周波数が使用されます。
• ASK (振幅シフトキーイング) : 有限数の振幅が使用されます。
• QAM (直交振幅変調) : 少なくとも 2 つの位相と少なくとも 2 つの振幅の有限数が使用されます。

QAM では、同相信号 (または I、たとえばコサイン波形) と直交位相信号 (または Q、たとえば正弦波) が有限数の振幅で振幅変調され、その後合計されます。これは、各チャネルが ASK を使用する 2 チャネル システムとして考えることができます。結果として得られる信号は、PSK と ASK の組み合わせに相当します。

上記のすべての方法では、これらの位相、周波数、または振幅のそれぞれに、バイナリ ビットの一意のパターンが割り当てられます。通常、各位相、周波数、または振幅は、同じ数のビットをエンコードします。このビット数は、特定の位相、周波数、または振幅によって表される シンボルを構成します。

アルファベットが代替シンボルで構成されている場合、各シンボルはNビットで構成されるメッセージを表します。シンボル レート(ボー レートとも呼ばれる) がシンボル/秒 (またはボー) の場合、データ レートはビット/秒です。 ${\displaystyle M=2^{N}}$${\displaystyle f_{S}}$${\displaystyle Nf_{S}}$

たとえば、16 個の代替シンボルで構成されるアルファベットの場合、各シンボルは 4 ビットを表します。したがって、データ レートはボー レートの 4 倍になります。

PSK、ASK、または QAM の場合、変調信号の搬送周波数は一定であり、変調アルファベットは、各シンボルの I 信号の振幅を x 軸に、Q 信号の振幅を y 軸に示す星座図で便利に表現されることが多いです。

PSK と ASK、場合によっては FSK も、QAM の原理を使用して生成および検出されることがよくあります。I 信号と Q 信号は、複素数値信号I + jQ ( jは虚数単位) に組み合わせることができます。結果として得られる等価ローパス信号または等価ベースバンド信号は、実数値の変調物理信号 (パスバンド信号またはRF 信号)の複素数値表現です。

変調器がデータを送信するために使用する一般的な手順は次のとおりです。

1. 受信データ ビットを、送信されるシンボルごとに 1 つずつコードワードにグループ化します。
2. コードワードを属性（I 信号と Q 信号（同等のローパス信号）の振幅、周波数値、位相値など）にマッピングします。
3. 通常はデジタル信号処理を使用して、パルス整形またはその他のフィルタリングを適用して帯域幅を制限し、同等のローパス信号のスペクトルを形成します。
4. I 信号と Q 信号のデジタルからアナログへの変換 (DAC) を実行します (現在では上記のすべては通常、デジタル信号処理(DSP) を使用して実現されます)。
5. 高周波の正弦波搬送波形と、場合によってはコサイン直交成分も生成します。たとえば、正弦波とコサイン波を I 信号と Q 信号に乗算して変調を実行し、等価のローパス信号を変調されたパスバンド信号またはRF 信号に周波数シフトします。これは、アナログ信号処理の代わりに、波形テーブルを使用した直接デジタル合成などの DSP テクノロジを使用して実現される場合もあります。その場合、上記の DAC ステップはこのステップの後に実行する必要があります。
6. 高調波歪みと周期スペクトルを回避するための増幅とアナログバンドパスフィルタリング。

受信側では、復調器は通常、次の処理を実行します。

1. バンドパスフィルタリング。
2. 自動ゲイン制御、AGC（フェーディングなどの減衰を補正します）。
3. RF 信号に局部発振器の正弦波と余弦波の周波数を乗算して、RF 信号を同等のベースバンド I 信号と Q 信号、または中間周波数 (IF) 信号に周波数シフトします (スーパーヘテロダイン受信機の原理を参照)。
4. サンプリングとアナログ-デジタル変換 (ADC) (場合によっては上記のポイントの前または代わりに、たとえばアンダーサンプリングによって)。
5. 等化フィルタリング、たとえば、マッチドフィルタ、マルチパス伝播、時間拡散、位相歪み、周波数選択フェージングの補正により、シンボル間干渉とシンボル歪みを回避します。
6. I 信号と Q 信号の振幅、または IF 信号の周波数または位相を検出します。
7. 振幅、周波数、または位相を最も近い許容シンボル値に量子化します。
8. 量子化された振幅、周波数、または位相をコードワード (ビット グループ) にマッピングします。
9. コードワードをビット ストリームに並列から直列に変換します。
10. 結果のビット ストリームを、エラー訂正コードの削除などの追加処理に渡します。

すべてのデジタル通信システムに共通するのと同様に、変調器と復調器の両方の設計は同時に行う必要があります。デジタル変調方式が可能なのは、送信機と受信機のペアが、通信システムでデータがどのようにエンコードされ、表現されるかを事前に知っているからです。すべてのデジタル通信システムでは、送信機の変調器と受信機の復調器の両方が、逆の動作を実行するように構成されています。

非同期方式では、送信側の搬送波信号と位相同期した受信側の基準クロック信号は必要ありません。この場合、変調シンボル（ビット、文字、データ パケットではなく）が非同期で転送されます。その逆が同期変調です。

最も一般的なデジタル変調技術は次のとおりです。

• 位相シフトキーイング（PSK）
  • バイナリPSK（BPSK）、M=2シンボルを使用
  • 直交PSK（QPSK）、M=4シンボルを使用
  • 8PSK、M=8シンボル使用
  • 16PSK、M=16シンボルを使用
  • 差動PSK（DPSK）
  • 差動QPSK (DQPSK)
  • オフセットQPSK ( OQPSK )
  • π/4–QPSK
• 周波数シフトキーイング（FSK）
  • オーディオ周波数偏移キーイング(AFSK)
  • マルチ周波数シフトキーイング（M-ary FSK または MFSK）
  • デュアルトーンマルチ周波数(DTMF)
• 振幅シフトキーイング（ASK）
• オンオフキーイング（OOK）、最も一般的なASK形式
  • M進残留側波帯変調、例えば8VSB
• 直交振幅変調（QAM）、PSKとASKの組み合わせ
  • QAMのような極性変調はPSKとASKの組み合わせである^[要出典]
• 連続位相変調（CPM）方式
  • 最小シフトキーイング（MSK）
  • ガウス最小シフトキーイング（GMSK）
  • 連続位相周波数シフトキーイング（CPFSK）
• 直交周波数分割多重（OFDM）変調
  • 離散マルチトーン（DMT）、適応変調とビットローディングを含む
• ウェーブレット変調
• トレリス符号化変調（TCM）、トレリス変調とも呼ばれる
• スペクトラム拡散技術
  • 直接拡散スペクトル(DSSS)
  • IEEE 802.15.4aに準拠したチャープ拡散スペクトル（CSS）CSSは疑似確率的符号化を使用する
  • 周波数ホッピング拡散スペクトル（FHSS）は、チャネル解放に特別な方式を適用する。

MSKとGMSK は、連続位相変調の特殊なケースです。実際、MSK は、1 シンボル時間持続時間 (全応答シグナリング) の矩形周波数パルス (つまり、直線的に増加する位相パルス) によって定義される、連続位相周波数シフト キーイング (CPFSK) として知られる CPM のサブファミリーの特殊なケースです。

OFDM は周波数分割多重化(FDM)の考え方に基づいていますが、多重化されたストリームはすべて 1 つの元のストリームの一部です。ビット ストリームは複数の並列データ ストリームに分割され、それぞれが従来のデジタル変調方式を使用して独自のサブキャリアで転送されます。変調されたサブキャリアは合計されて OFDM 信号を形成します。この分割と再結合は、チャネル障害の処理に役立ちます。OFDM は、いわゆる OFDM シンボルの 1 つのシーケンスを使用して 1 つの通信チャネルで 1 つのビット ストリームを転送するため、多重化技術ではなく変調技術と見なされます。OFDM は、直交周波数分割多重アクセス(OFDMA) およびマルチキャリア コー​​ド分割多重アクセス(MC-CDMA) 方式のマルチユーザーチャネル アクセスメソッドに拡張でき、異なるサブキャリアまたは拡散コードを異なるユーザーに提供することで、複数のユーザーが同じ物理メディアを共有できます。

2 種類のRF パワー アンプのうち、スイッチング アンプ(クラス D アンプ)は同じ出力のリニア アンプよりもコストが低く、バッテリー電力の消費も少なくなります。ただし、スイッチング アンプは角度変調 (FSK または PSK) やCDMAなどの比較的一定振幅変調信号でのみ動作し、QAM や OFDM では動作しません。ただし、スイッチング アンプは通常の QAM コンステレーションにはまったく適していませんが、多くの場合、QAM 変調原理を使用してこれらの FM やその他の波形でスイッチング アンプを駆動し、QAM 復調器を使用してこれらのスイッチング アンプから出力される信号を受信することがあります。

インテリジェント通信システムにおける自動デジタル変調認識は、ソフトウェア無線およびコグニティブ無線における最も重要な課題の 1 つです。インテリジェント受信機の段階的な拡張により、自動変調認識は通信システムおよびコンピュータ エンジニアリングにおける難しいトピックになっています。このようなシステムには、多くの民生用および軍事用アプリケーションがあります。さらに、変調タイプのブラインド認識は、特にソフトウェア無線の商用システムにおける重要な問題です。通常、このようなシステムでは、システム構成に関する追加情報がいくつかありますが、インテリジェント受信機でのブラインド アプローチを考慮すると、情報過多を減らし、伝送パフォーマンスを向上させることができます。明らかに、送信されたデータに関する知識がなく、受信機に信号電力、キャリア周波数と位相オフセット、タイミング情報などの多くの未知のパラメーターがあるため、変調のブラインド識別はかなり困難になります。これは、マルチパス フェーディング、周波数選択性、および時間変動チャネルを含む実際のシナリオではさらに困難になります。^[4]

自動変調認識には主に 2 つのアプローチがあります。最初のアプローチでは、尤度ベースの方法を使用して入力信号を適切なクラスに割り当てます。もう 1 つの最近のアプローチは、特徴抽出に基づいています。

デジタル ベースバンド変調は、ベースバンド信号、つまり、より高い周波数での搬送波のない信号の特性を変更します。

これは、後で搬送周波数に周波数変換される同等の信号として使用することも、ベースバンドでの直接通信に使用することもできます。後者の方法は、ローカルバスでよく使用される比較的単純なラインコードと、 DSLで使用されるような複雑なベースバンド信号方式の両方を必要とします。

パルス変調方式は、パルス波を変調することにより、狭帯域アナログ信号をアナログベースバンドチャネルを介して2レベル信号として転送することを目的としています。一部のパルス変調方式では、狭帯域アナログ信号を固定ビットレートでデジタル信号（つまり、量子化された 離散時間信号）として転送することもできます。これは、たとえば何らかのラインコードなどの基になるデジタル伝送システムを介して転送できます。これらはチャネルコーディング方式ではないため、従来の意味での変調方式ではありませんが、ソースコーディング方式、および場合によってはアナログからデジタルへの変換技術 として考えるべきものです。

アナログをアナログに置き換える方法

• パルス振幅変調（PAM）
• パルス幅変調（PWM）とパルス深度変調（PDM）
• パルス周波数変調（PFM）
• パルス位置変調（PPM）

アナログ方式よりデジタル方式

• パルス符号変調（PCM）
  • 差分PCM（DPCM）
    • 適応型DPCM（ADPCM）
• デルタ変調（DMまたはΔ変調）
  • デルタシグマ変調（ΣΔ）
  • 連続可変勾配デルタ変調（CVSDM）、適応デルタ変調（ADM）とも呼ばれる
• パルス密度変調（PDM）

• オンオフキーイングを使用してモールス信号を無線周波数で送信する方法は、連続波(CW) 動作として知られています。
• 適応変調
• 空間変調は、計器着陸装置で使用されるような、空域内で信号を変調する方法です。
• マイクロ波聴覚効果は、音声波形でパルス変調され、理解可能な音声数字を想起させる。^{[5] [6] [7]}

ウィキメディア・コモンズには、変調に関連するメディアがあります。

• 乗算器と変調器 Analog Dialogue、2013 年 6 月

• ウェブデモでの AWGN チャネルのソフトデマッピングのインタラクティブなプレゼンテーション シュトゥットガルト大学電気通信研究所
• モデム（変調と復調）
• CodSim 2.0: マラガ大学コンピューター アーキテクチャ学部のデジタル データ通信モデル用のオープン ソース仮想ラボ。デジタル ライン エンコーディングとデジタル変調をシミュレートします。任意の Web ブラウザー用に HTML で記述されています。