単側波帯変調

無線通信において、シングルサイドバンド変調（SSB）またはシングルサイドバンド抑制搬送波変調（SSB-SC ）は、音声信号などの情報を電波で伝送するために使用される信号変調方式の一種です。振幅変調の改良版であるSSBは、送信電力と帯域幅をより効率的に使用します。振幅変調では、出力信号の帯域幅が元のベースバンド信号の最大周波数の2倍になります。シングルサイドバンド変調では、この帯域幅の増加と搬送波に浪費される電力を回避できますが、その代償として、機器の複雑さが増し、受信機でのチューニングがより困難になります。

従来の振幅変調（AM）では、音声信号が無線周波数搬送波の振幅を制御し、搬送波と2つの鏡像側波帯を生成します。各側波帯には元の情報の完全なコピーが含まれていますが、搬送波自体は何も伝達しません。したがって、AM信号は最高音声周波数の2倍に等しい帯域幅を占有し、送信電力の大部分を搬送波と冗長側波帯に費やします。AMのこのスペクトル構造は、エヴェリットの変調理論に関する解説書を含む古典的な無線教科書に記載されています。^{[ 1 ]}

単側波帯変調（SSB）は、AMから冗長性を取り除くことで直接導出される方式です。SSBでは、変調信号全体が片側波帯のみに含まれるため、片側波帯のみを送信し、通常は搬送波を抑制します。AMと比較すると、SSBは帯域幅が約半分で済み、送信電力をより効率的に使用できます。SSB信号は通常、フィルタリングまたは位相キャンセル技術を用いて低電力で生成され、その後線形的に増幅されます。

搬送波が抑制されるため、SSB受信では、AMよりもローカルで生成された搬送波の再挿入と高い周波数安定性が必要となります。AMは比較的シンプルな機器で生成および受信できますが、SSBは主に効率と通信範囲が重要な場合に使用されます。アマチュア無線では、デジタル音声が普及​​する以前は、HF音声運用のほとんどがAMからSSBに移行していました。^{[ 2 ]}

SSB変調に関する最初の米国特許出願は、1915年12月1日にジョン・レンショー・カーソンによって提出された。^{[ 3 ]}米国海軍は第一次世界大戦前に無線回線でSSBの実験を行った。^{[ 4 ] [ 5 ]} SSBは1927年1月7日にニューヨークとロンドン間の大西洋横断長波公共無線電話回線で初めて商用サービスを開始した。高出力SSB送信機はニューヨーク州ロッキーポイントとイングランドのラグビーに設置された。受信機はメイン州ホルトンとスコットランドのクーパーの非常に静かな場所に設置された。^{[ 6 ]}

SSBは、周波数分割多重（FDM）と呼ばれる技術を使用して、長距離電話回線での搬送電話でも使用されました。FDMは1930年代に電話会社によって開拓されました。この技術により、例えばL搬送波では、1つの物理回線で多数の同時音声チャネルを伝送することができました。SSBでは、チャネル間隔は（通常）わずか4,000 Hzで済み、音声帯域幅は公称300 Hzから3,400 Hzでした。^{[ 7 ]}   

第二次世界大戦後、アマチュア無線家はSSBの本格的な実験を開始した。^{[ 8 ]} 1957年、戦略航空軍団はSSBを航空機の無線標準として確立した。^{[ 9 ]}それ以来、SSBは長距離音声無線通信の事実上の標準となっている。

1956年12月、IREの論文集は、単側波帯伝送に関する特集号を1冊丸ごと掲載し、スペクトル管理、送信機、受信機、フィルタリング、電力増幅器、軍事、商業、アマチュア用途におけるその歴史、理論、および実際的な実装について取り上げ、オズワルドの歴史的概説やウィーバーのSSB生成および検出の第3の方法も掲載した。^{[ 10 ]}

単側波帯は、ベースバンド波形の一方が他方から導出されるという特殊な場合において、直交振幅変調（QAM）の数学的形式をとる。つまり、ベースバンド波形は独立したメッセージではなく、別のベースバンド波形から導出される。

どこ${\displaystyle s(t)\,}$メッセージ（実数値）は、${\displaystyle {\widehat {s}}(t)\,}$はヒルベルト変換であり、${\displaystyle f_{0}\,}$は無線搬送波周波数です。^{[ 11 ] [ 7 ]}

この式を理解するために、${\displaystyle s(t)}$複素数値関数の実部として、情報損失なしに表現する。

${\displaystyle s(t)=\operatorname {Re} \left\{s_{\mathrm {a} }(t)\right\}=\operatorname {Re} \left\{s(t)+j\cdot {\widehat {s}}(t)\right\},}$

どこ${\displaystyle j}$は仮想単位を表します。$s_{\mathrm {a} }(t)$は、​${\displaystyle s(t),}$ つまり、それは正の周波数成分のみで構成されるということです。${\displaystyle s(t)}$:

${\displaystyle {\frac {1}{2}}S_{\mathrm {a} }(f)={\begin{cases}S(f),&{\text{for}}\ f>0,\\0,&{\text{for}}\ f<0,\end{cases}}}$

どこ${\displaystyle S_{\mathrm {a} }(f)}$そして${\displaystyle S(f)}$は、それぞれフーリエ変換である。$s_{\mathrm {a} }(t)$そして$s(t)$ したがって、周波数変換関数${\displaystyle S_{\mathrm {a} }\left(f-f_{0}\right)}$片面のみを含む${\displaystyle S(f).}$  正の周波数成分のみを持つため、その逆フーリエ変換は、${\displaystyle s_{\text{usb}}(t):}$

${\displaystyle s_{\text{usb}}(t)+j\cdot {\widehat {s}}_{\text{ssb}}(t)={\mathcal {F}}^{-1}\{S_{\mathrm {a} }\left(f-f_{0}\right)\}=s_{\mathrm {a} }(t)\cdot e^{j2\pi f_{0}t},\,}$

また、この式の実数部は情報の損失を引き起こしません。オイラーの公式を用いて展開すると ${\displaystyle e^{j2\pi f_{0}t},\,}$ 式1が得られる。

${\displaystyle {\begin{aligned}s_{\text{usb}}(t)&=\operatorname {Re} \left\{s_{\mathrm {a} }(t)\cdot e^{j2\pi f_{0}t}\right\}\\&=\operatorname {Re} \left\{\,\left[s(t)+j\cdot {\widehat {s}}(t)\right]\cdot \left[\cos \left(2\pi f_{0}t\right)+j\cdot \sin \left(2\pi f_{0}t\right)\right]\,\right\}\\&=s(t)\cdot \cos \left(2\pi f_{0}t\right)-{\widehat {s}}(t)\cdot \sin \left(2\pi f_{0}t\right).\end{aligned}}}$

コヒーレント復調$\displaystyle s_{\text{ssb}}(t)}$回復する${\displaystyle s(t)}$AM と同じです: を掛けます${\displaystyle \cos \left(2\pi f_{0}t\right),}$ そして、周波数付近の「倍周波数」成分を除去するためにローパスフィルターをかける。$2f_0$復調搬送波が正しい位相（ここではコサイン位相）でない場合、復調信号は、${\displaystyle s(t)}$そして$\displaystyle {\widehat {s}}(t)}$これは通常、音声通信では許容される（復調搬送波周波数が正確でない場合、位相は周期的にドリフトするが、周波数誤差が十分に小さければ、これも通常、音声通信では許容され、アマチュア無線家は、不自然なピッチシフト効果を引き起こすさらに大きな周波数誤差にも寛容な場合がある）。^{[ 7 ]}

SSB受信機のフロントエンドは、 AM受信機やFM受信機のフロントエンドと似ており、標準的な中間周波数（IF）帯域内で無線周波数（RF）信号の周波数シフト版を生成するスーパーヘテロダインRFフロントエンドで構成されています。

IF SSB信号から元の信号を復元するには、積検出器を使用してシングルサイドバンドをビート周波数発振器（BFO）の出力と混合し、元のベースバンド周波数範囲まで周波数シフトする必要があります。言い換えれば、これはヘテロダイン方式のもう1つの段階にすぎません。この方式が機能するためには、BFO周波数を正確に調整する必要があります。BFO周波数が30Hz以上ずれると、出力信号が周波数シフト（上昇または下降）し、音声が奇妙で「ドナルドダック」のような音になります。^{[ 7 ]} 

例として、周波数を中心とするIF SSB信号を考えてみましょう。${\displaystyle F_{\text{if}}\,}$= 45000  Hz。シフトする必要のあるベースバンド周波数は${\displaystyle F_{b}\,}$= 2000  Hz。BFO出力波形は${\displaystyle \cos \left(2\pi \cdot F_{\text{bfo}}\cdot t\right)}$信号がBFO波形と乗算（ヘテロダイン）されると、信号はシフトします。 ${\displaystyle \left(F_{\text{if}}+F_{\text{bfo}}\right)}$、そして​  ${\displaystyle \left|F_{\text{if}}-F_{\text{bfo}}\right|}$これはビート周波数またはイメージ周波数として知られています。目的は、${\displaystyle F_{\text{bfo}}}$その結果、 ${\displaystyle \left|F_{\text{if}}-F_{\text{bfo}}\right|=F_{b}\,}$= 2000  Hz。（${\displaystyle \left(F_{\text{if}}+F_{\text{bfo}}\right)\,}$ローパスフィルターによって除去できる（出力トランスデューサーまたは人間の耳がこれに用いられる）。

選択肢は2つあります${\displaystyle F_{\text{bfo}}}$: 43000  Hz と 47000  Hz は、それぞれ ローサイド注入とハイサイド注入と呼ばれます。ハイサイド注入では、45000  Hz 付近に分布していたスペクトル成分が、逆順で 2000 Hz 付近に分布します 。これは反転スペクトルとも呼ばれます。IF スペクトルも反転している場合は、BFO の反転によって適切な関係が回復されるため、これは実際には望ましいことです。その理由の 1 つは、IF スペクトルが受信機の反転段の出力である場合です。もう 1 つは、SSB 信号が上側波帯ではなく下側波帯である場合です。しかし、両方の理由が当てはまる場合は、IF スペクトルは反転していないため、非反転 BFO (43000  Hz) を使用する必要があります。

第二次世界大戦中、SSBはフランクリン・D・ルーズベルト（後のハリー・トルーマン）とウィンストン・チャーチルの間の無線/電話リンクの背後にある技術でした。コードネームはSIGSALYで、ベル電話研究所によって開発されました。^{[ 7 ]}

シングルサイドバンドは、シングルサイドバンド抑制キャリアとも呼ばれ、周波数または位相（ヒルベルト変換）弁別によってキャリアと一方のサイドバンドが抑制されます。より複雑でコストがかかりますが、帯域幅と電力の少ない2点専用通信に使用されます。ダブルサイドバンド抑制キャリアでは、キャリアのみが抑制され、100%の変調効率が得られますが、コストと複雑さが増します。テレビやFMステレオ放送に使用されます。残留サイドバンドは部分的にのみ抑制され、1つの帯域幅の25～30パーセントのみが使用されます。テレビに使用されます。^{[ 19 ] [ 20 ]}

互換性のある伝送とは、受信機が瞬時振幅復調が可能な伝送を指します。これは、ダブルサイドバンド伝送またはシングルサイドバンド伝送のいずれかです。^{[ 21 ]}例として、Leonard R. Kahn は独立サイドバンド (ISB) ステレオ方式を導入しました。この方式では、下側サイドバンドが左チャンネルを、上側サイドバンドが右チャンネルを送信します。Kahn はこの AM ステレオを STR-77 および STR-84 として商品化しました。^{[ 22 ] [ 23 ]}

アマチュア無線音声通信でシングルサイドバンドを使用する場合、10  MHz 未満の周波数では下側波帯 (LSB) が、10  MHz 以上の周波数では上側波帯 (USB) が使用されるのが一般的です。^{[ 24 ]}例えば、40 m バンドでは、音声通信は LSB モードを使用して 7.100 MHz 付近で行われることがよくあります 。20 m バンドの 14.200  MHz では、USB モードが使用されます。

 この規則の例外は、FCC規則でUSBが特に要求されている60メートル帯（5.3MHz付近）の5つの個別のアマチュアチャンネルに適用されます。 ^{[ 25 ]}

拡張シングルサイドバンドとは、より高音質なサウンドをサポートするために、標準または従来の2.9kHz SSB J3Eモード（ITU 2K90J3E）のオーディオ帯域幅を超えるJ3E （SSB-SC）モードのことです。 

振幅圧縮単側波帯（ACSSB）は、パイロットトーンを用いた単側波帯変調方式であり、受信機内のエキスパンダーによって送信機で大幅に圧縮された振幅を復元します。標準的なSSB変調に比べて有効伝送距離が向上し、同時に標準的なSSB無線機との下位互換性も維持されます。また、ACSSBは、狭帯域FM変調に比べて、同じ電力レベルにおいて帯域幅が狭くなり、伝送距離が向上します。

標準SSB変調の生成では、正弦波トーンの平均エンベロープレベルをはるかに超える大きなエンベロープオーバーシュートが発生します（音声信号がピーク制限されている場合でも）。標準SSBエンベロープのピークは、スペクトルの切り捨てと、必要なヒルベルト変換の実際の実装における近似誤差による非線形位相歪みに起因します。最近、適切なオーバーシュート補償（いわゆる制御エンベロープ単側波帯変調またはCESSB  ）により、音声伝送で約3.8 dBのピーク低減が達成されることが示されました。これにより、実効平均電力は約140%増加します。 ^{[ 26 ]} CESSB信号の生成はSSB変調器に統合できますが、CESSB信号の生成（たとえば、外部音声プリプロセッサの形式）を標準SSB無線機から分離することも可能です。これには、標準SSB無線機の変調器が線形位相であり、CESSB信号を通過させるのに十分な帯域幅を持っている必要があります。標準的なSSB変調器がこれらの要件を満たせば、CESSBプロセスによるエンベロープ制御が維持される。^{[ 27 ]}

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。

シングルサイドバンド（SSB）やその他のAM由来の変調方式では、変調前に送信音声スペクトルを圧縮することで、占有帯域幅を縮小できます。1970年代に研究された手法の一つに、狭帯域音声変調（NBVM）があります。NBVMでは、高周波数帯域の子音エネルギーを低周波数帯域にシフトさせ、音声中の母音の占有率が低いスペクトル領域に電子的に折り畳むことで、明瞭度を維持しながら送信音声帯域幅を縮小できます。

NBVMは1970年代後半にアマチュア無線文献で報告され、HF SSBリンクで実験的に評価され、良好な条件下では1～1.5kHz程度のオーディオ帯域幅で明瞭な音声が報告された。^{[ 28 ]}関連する技術は、1977年のICASSPで発表された結果を含め、専門文献でも説明されている。 ^{[ 29 ]}後の低ビットレートのデジタル音声コーデックとは異なり、NBVMは完全にアナログSSBフレームワーク内で動作した。

• ACSSB（振幅圧縮単側波帯）
• 独立側波帯
• 変調技術の他の例のための変調
• サイドバンドに関するより一般的な情報については、サイドバンドを参照してください。

• 連邦規格1037Cの一部はMIL-STD-188をサポートするために使用

• 「シングルサイドバンド伝送（特集号）」（PDF）。IRE論文集。44 （12）。1956年12月。
• Sgrignoli, G.、W. Bretl、R. および Citta. (1995). 「地上波およびケーブル放送で使用される VSB 変調」IEEE Transactions on Consumer Electronics. v. 41、issue 3、p.  367 - 382。
• J. Brittain、（1992）。「過去をスキャンする：ラルフ・V・L・ハートリー」、Proc. IEEE、vol.80、p.  463。
• eSSB - 拡張シングルサイドバンド