スペクトルの調査：変調法のガイド
なぜ変調がそれほど重要なのですか？それがなければ、長距離にわたって低周波信号を送信するには非常に大きなアンテナが必要であり、グローバル通信ネットワークが非現実的になります。変調は、信号波長を短縮することによりこれを修正し、より小さなアンテナで長距離伝送を可能にします。この進歩により、業界は有線システムから、より効率的で、広範囲で強力なコミュニケーションネットワークにシフトしました。
迅速な情報と強力なネットワークの必要性が高まるにつれて、変調方法を理解することがますます重要になります。アナログからデジタルまで、各方法は、範囲、明瞭度、帯域幅の効率などの伝送機能を改善します。この記事では、変調の仕組み、利点、用途、複雑さを調査し、最新のコミュニケーションの基礎としての役割を強調し、グローバルな接続性と情報交換を可能にします。
カタログ
図1：変調
変調プロセスの信号の種類
変調信号
メッセージ信号とも呼ばれる変調信号には、送信する必要がある情報が含まれています。これは、低周波ベースバンド信号です。その主な役割は、コミュニケーションの実質的な内容を運ぶことです。変調により、この低周波信号は、通信チャネルを介して伝送するために準備されます。
キャリア信号
キャリア信号は、特定の振幅と位相特性を備えた高周波信号です。情報コンテンツを単独で運ぶことはありません。その主な機能は、変調信号をソースから受信機に輸送することです。変調信号と組み合わせると、キャリア信号により、通信チャネル全体の効率的なデータ送信が可能になり、伝送損失と騒音が克服できます。
変調信号
変調信号は、キャリアと変調信号を組み合わせた結果です。この信号は、変調信号の情報コンテンツを埋め込みながら、キャリアの高周波特性を引き受けます。変調は、振幅、周波数、相変調などのさまざまな形で発生する可能性があります。各手法により、変調信号がさまざまな送信と受信条件に合わせて最適化し、距離を越えてさまざまなメディアを介して効率的かつ信頼できる通信を確保します。
図2：変調プロセスの3種類の信号
変調方法
アナログ変調
アナログ変調には、キャリア信号として連続的に変化する波を使用することが含まれます。この波は、入力メッセージまたはデータ信号に一致するように調整されます。波の振幅、周波数、および位相は、変調のために変更できます。アナログ変調の主なタイプは、振幅変調（AM）、周波数変調（FM）、および相変調（PM）です。
振幅変調（AM）
振幅変調（AM）では、キャリア波の振幅はメッセージ信号に直接比例して変化します。キャリアの周波数と位相は一定のままです。この方法では、キャリア周波数と下面帯域と上層帯域を含むスペクトルを生成します。AMは、他の変調タイプよりも帯域幅とパワーを必要とし、騒音と干渉を受けやすく、信号フィルタリングが困難になります。
図3：振幅変調
周波数変調（FM）
周波数変調（FM）は、メッセージ信号の振幅に基づいてキャリア波の周波数を変化させますが、振幅と位相は安定したままです。FMは、AMがノイズを抑制するよりも優れていますが、より多くの帯域幅が必要です。ラジオ放送、レーダーシステム、およびテレメトリで広く使用されています。
FMパラメーターには、変調指数と最大変調周波数が含まれ、帯域幅と伝送効率に影響を与えます。たとえば、ワイドバンドFM（WBFM）には、88.5〜108 MHzの範囲で高品質のオーディオを提供するための大きな周波数偏差（±75 kHz）があります。WBFMは広範なデータ送信を許可しますが、チャネルあたり約200 kHzの帯域幅が必要です。
狭帯域FM（NBFM）は、通常は低い変調指数（β≤0.3）と周波数偏差があり、通常は±3 kHzであるため、要求の少ない用途に最適です。帯域幅がはるかに少なく、約2倍の変調周波数が使用されます。
図4：周波数変調（FM）信号
図5：周波数変調（FM）ブロック図
相変調（PM）
位相変調（PM）は、データ信号に沿ってキャリア波の位相を変化させます。位相の変化は周波数に影響するため、PMは周波数変調の一種です。PMは、キャリア波の位相角をシフトすることによりデータをエンコードします。異なるデータ値は、異なる位相シフトに対応します。たとえば、「1」は0°シフトで、180°シフトで「0」で表すことができます。
図6：相変調（PM）
デジタル変調
優れた品質と効率的なコミュニケーションを実現するために、デジタル変調技術が利用されます。これらの方法は、電力効率の向上、利用可能な帯域幅の最適な使用、騒音抵抗の改善など、アナログ変調に対する明確な利点を提供します。デジタル変調では、メッセージ信号は最初にアナログからデジタル形式に変換され、キャリア波で変調されます。
デジタル変調におけるキャリアの波は、変調信号を運ぶパルスを作成するためにキーイングまたは切り替えによって操作されます。アナログ変調のようなデジタル変調は、キャリア波の振幅、周波数、および位相を変えることを伴います。このプロセスは、5つの主要なタイプに分類されます。
図7：振幅シフトキーイング（尋ねる）
振幅シフトキーイング（尋ねる）
振幅シフトキーイング（ASK）は、デジタル入力に基づいてキャリア信号の振幅を変更します。アナログ振幅変調と同様のこの手法は、デジタル信号では、振幅レベルが異なるバイナリ0および1を表します。ASKは、一般的に無線周波数（RF）トランスミッションで使用されます。信号のオンとオフを切り替えてデータを送信し、RF通信システムにとって重要です。
周波数シフトキーイング（FSK）
周波数シフトキーイング（FSK）は、キャリア信号の周波数を変更することによりデータをエンコードします。この方法は、モデム、コードレス電話、RFIDシステムにあります。バイナリFSKでは、2つの異なる周波数がバイナリ0および1を表します。バリアントである連続相FSKは、信号の安定性を向上させるために急激な位相変化を減らします。FSKは、低周波数と高周波数を切り替えてバイナリ値を示し、デジタル情報を効率的にエンコードします。
図8：周波数シフトキーイング（FSK）
フェーズシフトキーイング（PSK）
位相シフトキーイング（PSK）は、キャリア信号の位相を変更することにより、データをエンコードします。バイナリPSK（BPSK）は、180度分離された2つのフェーズを使用します。Quadrature PSK（QPSK）や微分PSK（DPSK）などの高度なバージョンは、より高い効率のためにシンボルごとに複数のビットをエンコードします。PSKには、一定の周波数キャリア波の位相を変更するための正確なタイミングが含まれます。ワイヤレスLANS、RFID、およびBluetoothで使用されるこの手法は、ノイズに対する抵抗のために信頼性があります。
図9：位相シフトキーイング（PSK）
直交振幅変調（QAM）
直交振幅変調（QAM）は、振幅変調と位相変調の両方を使用して、データを効率的に表現します。スペクトルでは非常に効率的で、デジタルテレビやケーブルモデムなどの高データレートアプリケーションに最適です。16-QAM、64-QAM、256-QAMなどの形式は、異なる振幅レベルを示しています。QAMバリアントであるQPSKは、2つのビットを一度に変調し、4つの位相シフト（0、90、180、270度）から選択し、帯域幅の情報容量を2倍にします。
図10：二次振幅変調（QAM）
直交周波数分割多重化（OFDM）
直交周波数分割多重化（OFDM）は、デジタルマルチキャリア変調スキームです。それは、それぞれがQAMのようなスキームで変調されている多くの密接に間隔を置いた直交サブキャリア信号を使用します。OFDMは高いデータレートを達成し、マルチパスの干渉とフェージングに抵抗します。LTEやWi-Fiなどの最新のブロードバンドネットワークに使用されるOFDMは、複数の密接に間隔を空けたデータストリームを効率的に送信します。
図11：直交周波数分割多重化（OFDM）
パルス変調
パルス変調システムは、通常のキャリアパルスの振幅、持続時間、タイミング、または形状を変更することにより、情報を送信します。この方法は、「サンプリングの原理」に従います。これにより、限られたスペクトルの連続波形が、信号の最高周波数の2倍以上で撮影された離散サンプルから正確に再構築できます。これらのサンプルは、キャリアパルスを変調します。パルス変調は、通信、制御システム、およびさまざまな電子アプリケーションに役立ちます。技術的な詳細とアプリケーションを備えた6つの主要なパルス変調は、次のとおりです。
パルス振幅変調（PAM）
PAMでは、メッセージ信号の瞬時サンプルに従ってパルスの振幅が変化します。これにより、パルス振幅が直接変化して信号の振幅と一致しますが、パルス周波数と位相は変化しません。PAMはパルス変調の単純な形式であり、より高度な方法の基礎です。イーサネット通信標準で広く使用されており、電圧パルスを使用して配線上でデジタルデータを送信します。PAMは、効率的なデジタルからアナログへの変換を促進し、ネットワーキング環境での高速データ送信をサポートします。
図12：パルス振幅変調（PAM）
パルス幅変調（PWM）
PWMは、振幅と周波数を一定に保ちながら、変調信号に基づいてパルスの幅（持続時間）を変更します。この手法は、モーターやライトなどのデバイスに配信される電力を制御するのに効果的であり、産業用自動化や家電に共通しています。たとえば、PWMはパルス幅を変更してモーターの速度を調整し、モーターの出力に直接影響します。また、デューティサイクルを変化させることにより、LEDライトを暗くし、明るい色を変えることなく輝度を調整するために使用されます。
図13：パルス幅変調（PWM）
パルス位置変調（PPM）
PPMでは、固定パルス幅と振幅を伴う変調信号の振幅に応じて、各パルスの位置が変化します。PPMは、PAMやPWMと比較して振幅ノイズに対する免疫をより良く提供し、タイミングの精度が必要な光ファイバーなどの光学通信システムに適しています。PPMの騒音に対する抵抗は、長距離にわたるデータ送信の信頼性を改善し、光ネットワークの高い忠実度を確保します。
図14：パルス位置変調（PPM）
図15：パルスコード変調（PCM）
パルスコード変調（PCM）
PCMは、アナログデータを送信するためのデジタル方法です。アナログ信号は定期的にサンプリングされ、量子化され、デジタルビットにエンコードされます。PCMは、コンピューター、テレフォニー、その他のデジタルオーディオアプリケーションのデジタルサウンドの標準です。アナログオーディオ信号を高忠実度でデジタルで送信する信頼できる方法を提供します。各アナログサンプルは、固定数のビットで表され、デジタルオーディオ処理の一貫性と精度を確保します。PCMのデジタルテレフォニーとオーディオ録音での広範な使用は、最新の通信システムにおけるその重要性を強調しています。
図16：パルス密度変調（PDM）
パルス密度変調（PDM）
パルス周波数変調（PFM）とも呼ばれるPDMは、アナログ信号振幅に基づいてパルス密度を変化させます。オーディオアプリケーションでは、マイクがPDMを使用してアナログサウンドをデジタル信号に変換します。PDMの利点は、統合された回路とデジタルからアナログのコンバーターの設計を容易にするためのシンプルさにあります。この方法は、ポータブルオーディオデバイスに役立ちます。ハードウェアの複雑さを最小限に抑えて高忠実度のオーディオ信号を表現するPDMの能力により、コンシューマーエレクトロニクスでは好ましい選択肢になります。
図17：差動パルスコード変調（DPCM）
微分パルスコード変調（DPCM）
DPCMは、連続したサンプル間の差がエンコードされるPCMのバリアントであり、標準のPCMと比較してビットレートを減らします。この方法は、帯域幅が限られている状況で有用です。これは、多くの品質を失うことなくデータ送信を減らすためです。DPCMは、オーディオ信号とビデオ信号の連続したサンプル間の相関を活用し、効率的な伝送のためにデータを効果的に圧縮します。MPEGなどのビデオ圧縮標準へのアプリケーションは、許容可能な品質レベルを維持しながらデータ送信効率を高めるDPCMの能力を示しています。
スペクトルを広げます
Spread Spectrumは、干渉、環境ノイズ、妨害からメッセージ信号を保護するために使用される変調技術です。安全な通信を保証し、信号検出を困難にします。スプレッドスペクトル技術の主なタイプは、周波数ホッピングスプレッドスペクトル（FHSS）、直接シーケンススプレッドスペクトル（DSSS）、タイムホッピングスプレッドスペクトル（THSS）、およびChirpスプレッドスペクトル（CSS）です。
周波数ホッピングスプレッドスペクトル（FHSS）
周波数ホッピングスプレッドスペクトル（FHSS）では、信号はさまざまな無線周波数にわたって送信され、設定された間隔である周波数から別の周波数に変更されます。ホッピングシーケンスとタイミングは、送信機と受信機の間で既知および同期する必要があります。この手法は、妨害や傍受に対して非常に耐性があり、軍事コミュニケーションに最適です。また、Bluetoothおよび一部のワイヤレスローカルエリアネットワーク（WLAN）でも使用されています。頻繁な周波数の変化により、敵が次の頻度を予測することが困難になり、干渉に対する耐性が向上します。
図18：周波数ホッピングスプレッドスペクトル（FHSS）
直接シーケンススプレッドスペクトル（DSSS）
直接シーケンススプレッドスペクトル（DSSS）は、擬似ランダムノイズ拡散コードを掛けることにより、より広い周波数帯域幅に元のデータ信号を広げます。このコードはデータよりも帯域幅が高いため、より広範な周波数にデータが分散されます。DSSSは、干渉とジャミングに対する耐性を改善します。GPSや元のIEEE 802.11 Wi-Fi標準など、ワイヤレス通信システムで使用されています。DSSSの主な利点は、信号対雑音比（SNR）を改善し、シグナルの騒音やその他の干渉を受けにくくする能力です。
図19：直接シーケンススプレッドスペクトル（DSSS）
タイムホッピングスプレッドスペクトル（THSS）
タイムホッピングスプレッドスペクトル（THSS）は、送信機と受信機の両方に知られている擬似ランダムシーケンスによって決定される、異なる時間間隔で短いバーストでデータを送信します。あまり一般的ではありませんが、THSSはウルトラワイドバンド（UWB）システムと安全な通信システムで使用できます。この方法により、時間ベースの要素が広がり、セキュリティを強化し、干渉と傍受により耐性を高めるために時間ベースの要素を追加します。
チャープスプレッドスペクトル（CSS）
Chirp Spread Spectrum（CSS）は、「Chirp」サウンドを生成する線形または指数の方法で、時間の経過とともに信号の周波数を変化させます。この方法は、マルチパス干渉の取り扱いに優れており、低電力使用との長距離通信を可能にします。CSSは、レーダーおよびロラテクノロジーのような長距離の低電力通信システムで使用されています。CSSの周波数の変化により、正確なタイミングと距離測定が可能になり、高精度と信頼性が必要なアプリケーションに役立ちます。
図20：チャープスプレッドスペクトル（CSS）
変調の利点
アンテナサイズの縮小：変調により、送信された信号をより高い周波数範囲にシフトすることにより、より小さなアンテナを使用できます。これらのより高い周波数では、より小さなアンテナが効果的に動作する可能性があります。
信号干渉の防止：変調技術は、信号干渉を最小限に抑え、異なる信号が合流しないようにするのに役立ちます。これは、より明確で信頼性の高いコミュニケーションにつながります。
拡張通信範囲：変調を使用することにより、信号を送信して長距離にわたって受信できます。これにより、長距離通信の有効性が向上します。
多重化機能：変調により、単一の通信チャネルで複数の信号を同時に送信できます。これにより、利用可能な帯域幅の使用が最適化されます。
調整可能な帯域幅：異なる変調スキームは、特定の要件に基づいて帯域幅の調整を可能にします。これにより、通信システムの柔軟性と効率が向上します。
受信品質の改善：変調により、ノイズと干渉が減少し、より明確で信頼性の高い受信信号が生じます。
変調の短所
より高い機器コスト：変調を実装するには、洗練された頻繁に高価な機器が必要です。これらのコストには、調達とメンテナンスの両方が含まれます。
受信機と送信機の設計の複雑さ：変調システムには、より複雑な送信機と受信機の設計が必要であり、技術的な課題とメンテナンスの需要が高まります。
FMシステムの近接要件：周波数変調（FM）システムでは、最適なパフォーマンスを維持するために、アンテナを比較的近くに配置する必要があります。
大きな帯域幅の非効率性：特定の変調手法は、大きな帯域幅を必要とするアプリケーションには適しておらず、これらのシナリオでの有効性を制限します。
消費電力の増加：変調は電力使用を増加させる可能性があります。これは、電力に敏感なアプリケーションにとって大きな問題です。
さまざまな種類の変調のアプリケーション
変調技術は、信号プロパティを変更して情報伝送をより効率的にするため重要です。ここにいくつかの用途があります：
音楽のミキシングと磁気テープの録音
音楽の制作と磁気テープの録音では、変調がオーディオ信号の振幅または頻度を調整します。これにより、忠実度の高い音の繁殖が保証され、ノイズが最小限に抑えられます。振幅変調（AM）や周波数変調（FM）などの手法は、さまざまなオーディオトラックをブレンドし、シームレスでまとまりのあるサウンドエクスペリエンスを作成します。
新生児のEEG監視
特に新生児の脳活動を監視するためには、医療用途での変調が重要です。脳波（EEG）は周波数変調を使用して脳波を追跡および記録します。これにより、早期診断と治療を支援し、神経学的状態を正確に検出できます。これらの信号を調整および復調することにより、正確な読み取りと信頼できるデータ収集が保証されます。
テレメトリーシステム
テレメトリシステムは、変調に依存して、長距離にわたってデータを送信します。位相変調（PM）および周波数変調（FM）は、キャリア信号に情報をエンコードし、リモートシステムのリアルタイム監視を可能にします。自動車および航空宇宙産業では、リアルタイムテレメトリはコンポーネントのパフォーマンスと状態を監視するのに適しています。
レーダーシステム
周波数変調により、検出された信号の精度と分解能が向上します。これにより、オブジェクトの距離、速度、方向の正確な測定が可能になり、航空交通制御と天候予測に最適です。
FM放送
放送では、高品質のオーディオ伝送には周波数変調（FM）が使用されます。FMブロードキャストは、振幅変調（AM）よりも優れた音質と干渉が少ないことを提供します。キャリア波の頻度を変調することにより、オーディオ情報をエンコードし、リスナーに明確で信頼できる音を提供します。
結論
変調は、コミュニケーションスキルを向上させるのに役立ちます。従来のアナログから高度なデジタルおよびパルス方法まで、さまざまな手法を研究することにより、それらの利点とアプリケーションを学びます。周波数変調（FM）や位相変調（PM）などの手法は、FMブロードキャストやレーダーなどの高品質の低ノイズの使用に使用されます。QAMやOFDMなどのデジタルメソッドは、デジタルテレビやブロードバンドインターネットなどの高データレートサービスに使用されます。ただし、変調は、より高い機器コスト、複雑な設計、電力使用の増加などの課題ももたらします。革新を続けるにつれて、情報伝達をより効率的で信頼性が高く、世界中で安全にするための変調が中心です。
よくある質問[FAQ]
1.最良の変調技術は何ですか？
最良の変調手法は、帯域幅の効率、電力効率、複雑さ、特定の通信環境などのアプリケーション要件に大きく依存します。たとえば、帯域幅が制限されているが電力がない環境では、騒音や干渉に対する回復力のために位相変調（PM）が理想的かもしれません。一方、高いデータレート伝送を必要とするアプリケーションの場合、使用可能なスペクトルを効率的に使用し、マルチパス干渉の影響を受けにくいため、直交周波数分割多重化（OFDM）が好まれることがよくあります。
2.どの変調技術が最も安価ですか？
振幅変調（AM）は、一般に、変調の最も安価で最も単純な形態と見なされます。複雑で安価な機器が必要であり、消費者グレードの電子機器やブロードキャストアプリケーションに適しています。ただし、周波数変調（FM）やデジタル変調スキームなどの他の手法と比較して、帯域幅の使用に関しては効率が低く、ノイズに対してより脆弱です。
3.変調タイプを決定する方法は？
適切な変調タイプを決定するには、いくつかの要因を考慮する必要があります。
帯域幅の要件：通信にはどのくらいのスペクトルが利用できますか？
電源制約：送信機の電源は限られていますか？
環境要因：マルチパス干渉や騒々しいチャンネルに問題はありますか？
システムの要件：データレートのニーズとエラーレートの許容範囲は何ですか？
この決定には、これらの要因間のトレードオフが含まれ、通信システムの特定のニーズの影響を受けます。
4.なぜ過剰変調が回避されるのですか？
AMやFMなどのシステムの変調は、信号の歪みと帯域幅の流出につながり、隣接するチャネルとの干渉を引き起こします。これは、コミュニケーションの質を低下させるだけでなく、帯域幅の使用に関する規制制限に違反します。デジタルシステムでは、過剰変調によりシンボルの切り抜きとエラー率が増加する可能性があります。指定された制限内で変調レベルを維持することは、効率的で準拠した動作に必要です。
5.変調が不十分ですか？
変調が不十分なのは、変調プロセスが割り当てられた帯域幅を最適に使用しないか、エラー率が高いシナリオを指します。変調不良の症状には、より高い電力使用量、より頻繁な伝送エラー、および他の信号との干渉が含まれます。通常、システムの調整が不十分であるか、運用条件やシステムの要件とうまく整合しない変調手法を使用します。
6.変調の式は何ですか？
変調の式は、使用される変調のタイプに依存します。例えば：
振幅変調（AM）：m（t）=（1 +k⋅x（t）⋅c（t）
ここで、kは変調指数、x（t）はメッセージ信号であり、c（t）はキャリア信号です。
周波数変調（FM）：y（t）=a⋅sin（ωct +kf∫x（t）dt）
ここで、aは振幅、ωcはキャリア周波数、kfは周波数偏差定数、x（t）はメッセージ信号です。
各タイプの変調には、通信システムの運用要件と目的に基づいて式が適用される方法に影響を与える特定のパラメーターがあります。