信号変調

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: ^{[ 12 ]}

• PSK（位相偏移変調）：有限個の位相が使用されます。
• FSK（周波数偏移変調）：有限個の周波数が使用されます。
• ASK（振幅シフトキーイング）：有限個の振幅が使用されます。

直交振幅変調（QAM）では、同相信号（I、例えばコサイン波形）と直交位相信号（Q、例えばサイン波）を有限個の振幅で振幅変調し、それらを加算します。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において、これらの位相、周波数、または振幅のそれぞれに、固有のバイナリビットパターンが割り当てられます。通常、各位相、周波数、または振幅は同数のビットで符号化されます。このビット数が、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${\displaystyle M=2^{N}}$代替シンボル、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${\displaystyle f_{S}}$シンボル/秒（またはボー）、データレートは${\displaystyle Nf_{S}}$ビット/秒。

例えば、16種類の記号からなるアルファベットの場合、各記号は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やASKのように、変調信号の搬送周波数が一定の場合、変調アルファベットはコンスタレーション図で分かりやすく表現されることが多く、各シンボルについて、x軸にI信号の振幅、y軸にQ信号の振幅が示されます。

PSK、ASK、そして場合によってはFSKも、QAMの原理を用いて生成および検出されることが多い。I信号とQ信号は、複素数値信号I + jQ（jは虚数単位）に結合することができる。結果として得られるいわゆる等価ローパス信号または等価ベースバンド信号は、実数値の変調された物理信号（いわゆるパスバンド信号またはRF信号）の複素数値表現である。

変調器がデータを送信する際の一般的な手順は以下のとおりです。

1. 受信したデータビットを、送信するシンボルごとに1つのコードワードにグループ化する。
2. コードワードを属性にマッピングします。例えば、I信号とQ信号（等価なローパス信号）の振幅、あるいは周波数や位相の値などです。
3. パルス整形やその他のフィルタリングを適用して帯域幅を制限し、等価なローパス信号のスペクトルを形成する。これは通常、デジタル信号処理を用いて行われる。
4. I信号とQ信号のデジタル・アナログ変換（DAC）を実行します（今日では、上記すべては通常、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と、場合によっては余弦波直交成分を生成します。例えば、正弦波と余弦波をI信号とQ信号に乗算することで変調を行い、結果として得られる等価な低域通過信号が周波数シフトされて変調された通過帯域信号またはRF信号になります。場合によっては、アナログ信号処理ではなく、波形テーブルを用いた直接デジタル合成などのDSP技術を使用してこれを実現することもあります。その場合、上記のDACステップはこのステップの後に行う必要があります。
6. 高調波歪みや周期スペクトルを回避するための増幅およびアナログ帯域通過フィルタリング。

受信側では、復調器は通常、以下の動作を行います。

1. バンドパスフィルタリング。
2. 自動利得制御（AGC）（減衰、例えばフェージングを補償するため）。
3. RF信号を局部発振器の正弦波と余弦波の周波数で乗算することにより、RF信号を等価なベースバンドIおよび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ステップの前または代わりに、例えばアンダーサンプリングによって行われる）。
5. 等化フィルタリング、例えばマッチドフィルタ、マルチパス伝搬、時間拡散、位相歪み、周波数選択性フェージングの補償、シンボル間干渉およびシンボル歪みの回避。
6. I信号とQ信号の振幅、またはIF信号の周波数や位相を検出する。
7. 振幅、周波数、または位相を、許容される最も近いシンボル値に量子化すること。
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）にマッピングする。
9. 符号語をビットストリームに並列-直列変換する。
10. 結果として得られたビットストリームを、誤り訂正符号の除去などのさらなる処理のために渡す。

すべてのデジタル通信システムに共通することとして、変調器と復調器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、送信機と受信機が通信システムにおけるデータの符号化と表現方法を事前に把握しているためです。すべてのデジタル通信システムにおいて、送信機側の変調器と受信機側の復調器は、互いに逆演算を行う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）が非同期的に転送されます。同期変調はこれとは反対の方式です。

最も一般的なデジタル変調技術は以下のとおりです。

• 位相偏移変調（PSK）
  • バイナリPSK（BPSK）、M=2シンボルを使用
  • M=4シンボルを使用した直交PSK（QPSK）
  • 8PSK、M=8シンボルを使用
  • 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
• 周波数偏移変調（FSK）
  • オーディオ周波数偏移キーイング(AFSK)
  • 多周波数シフトキーイング（M値FSKまたはMFSK）
  • デュアルトーン多周波信号（DTMF）
• 振幅シフトキーイング（ASK）
• オンオフキーイング（OOK）は、最も一般的なASK形式です。
  • M値残留側波帯変調、例えば8VSB
• 直交振幅変調（QAM）は、PSKとASKの組み合わせである。
  • QAMのような極性変調はPSKとASKの組み合わせである。
• 連続位相変調（CPM）法
  • 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）
  • 連続位相周波数偏移変調（CPFSK）
• 直交周波数分割多重（OFDM）変調
  • 離散マルチトーン（DMT）、適応変調および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）は、トレリス変調とも呼ばれる。
• スペクトラム拡散技術
  • 直接拡散スペクトラム（DSSS）
  • IEEE 802.15.4a に準拠したチャープスペクトラム拡散(CSS) では、擬似確率符号化が使用されます。
  • 周波数ホッピングスペクトラム拡散（FHSS）は、チャネル解放に特別な方式を採用している。

MSKとGMSKは、連続位相変調の特殊なケースです。実際、MSKは、連続位相周波数偏移変調（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あり、1シンボル時間持続する矩形周波数パルス（つまり、線形に増加する位相パルス）（全応答信号）によって定義されます。

OFDMは周波数分割多重（FDM）の概念に基づいていますが、多重化されるストリームはすべて単一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を介して転送されます。変調されたサブキャリアは加算されてOFDM信号を形成します。この分割と再結合は、チャネルの劣化に対処するのに役立ちます。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つの通信チャネルを介して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みなされます。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符号分割多重アクセス（MC-CDMA）方式のマルチユーザチャネルアクセス方式に拡張でき、異なるサブキャリアまたは拡散符号を異なるユーザに割り当てることで、複数のユーザが同じ物理媒体を共有できます。

RFパワーアンプには2種類ありますが、スイッチングアンプ（クラスDアンプ）は、同じ出力電力のリニアアンプよりもコストが低く、バッテリー消費量も少なくて済みます。しかし、スイッチングアンプは、角度変調（FSKまたはPSK）やCDMAなどの比較的振幅が一定の変調信号にしか対応しておらず、QAMやOFDMには対応していません。それでも、スイッチングアンプは通常のQAMコンスタレーションには全く不向きであるにもかかわらず、QAM変調の原理を用いてこれらのFM波形やその他の波形でスイッチングアンプを駆動することが多く、また、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ためにQAM復調器が使用されることもあります。

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いて最も重要な課題の 1 つです。インテリジェント受信機の拡大に伴い、自動変調認識は電気通信システムおよびコンピュータ工学において困難な課題となっています。このようなシステムには、民生および軍事用途が数多くあります。さらに、変調タイプのブラインド認識は、商用システム、特にソフトウェア無線において重要な問題です。通常、このようなシステムでは、システム構成のための追加情報がありますが、インテリジェント受信機におけるブラインドアプローチを考慮すると、情報過多を軽減し、伝送性能を向上させることができます。明らかに、送信データに関する知識がなく、受信機には信号電力、搬送波周波数と位相オフセット、タイミング情報など多くの未知のパラメータがあるため、変調のブラインド識別はかなり困難になります。これは、マルチパスフェージング、周波数選択性、および時間変動チャネルを備えた現実世界のシナリオではさらに困難になります。^{[ 13 ]}

自動変調認識には主に2つのアプローチがある。1つ目は、尤度に基づく手法を用いて入力信号を適切なクラスに割り当てる方法である。もう1つの最近のアプローチは、特徴抽出に基づいている。

デジタルベースバンド変調は、ベースバンド信号の特性、すなわち、より高い周波数の搬送波を持たない信号の特性を変化させる。

これは、後で搬送波周波数に周波数変換するための等価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。後者の方法はいずれも、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含みます。