変調器とは
変調器とは、元の電気信号の振幅や周波数、位相などを変化させて、より伝送しやすい信号に変える機器のことです。
例えば、離れた2点間で無線通信を行う場合、送りたいデータをそのままの状態で信号として伝送するのは困難なため、変調器による信号の変調が必要になります。具体的には、送信したいデータを無線周波数のサイン波に乗せることで信号を送信します。
変調方式は、アナログ変調とデジタル変調の2種類です。相違点としては扱う信号がアナログ信号かデジタル信号かの違いであり、基本的な原理は同じです。
変調器の使用用途
変調器は、テレビやラジオ放送を送受信するために使用される機器です。音声や映像など、情報の種類によって周波数はそれぞれ異なりますが、そのまま信号として伝送するには周波数が低すぎる場合があります。
そのため、テレビやラジオ放送での変調器の用途は、元の信号よりも高い周波数に変調してデータ伝送することです。また、インターネット接続では、光ファイバー回線のように電気信号を光信号に変調したり、特有の周波数を持つ電話回線を用いて伝送したりする場合があります。
変調器の原理
放送や無線通信において、データをそのまま相手に伝送することは現実的ではありません。伝送しやすい形に変調することが必要です。
変調器では、まずベースとなる信号を用意し、そこに違いを与えることで識別可能な信号にします。このベースとなる信号を搬送波またはキャリアといいます。
搬送波に信号を乗せる方法は、大きく分けて以下の3つです。
1. 振幅変調
振幅変調 (AM) とは、搬送波の振幅を変調する方法です。ラジオやテレビなどで使われますが、外部の雑音なども拾ってしまうという特徴もあります。
復調時は受信した波形の上半分を切り出し、ピーク・ポイントを結ぶ (包絡線) と、送信側のアナログ信号を取得することができます。
2. 周波数変調
周波数変調 (FM) とは、搬送波の周波数を変調する方法です。ラジオのFM放送等に利用されます。周波数帯域は広くなりますが、振幅変調に比べ外乱が少ないのがメリットです。
FMの場合は、周波数を電圧に変換する回路 (クワドラチャ検波回路など) に振幅を一定にした受信信号を与えることで、出力電圧として周波数変調された送信側のアナログ信号を復調します。
3. 位相変調
位相変調 (PhM) とは、信号の大きさに合わせて搬送波の位相ずらす方法です。この方法は現在主流となったデジタル変調でよく使用されています。
アナログ信号の電圧レベルに比例するように、キャリア信号の時間的タイミングを変化させることで、元々のキャリアから時間差を作り出し、変調波形を作成する方式です。
変調器の種類
変調器は変調方式で、アナログ変調、デジタル変調、パルス変調、スペクトラム拡散方式の4つに大きく分類することができます。
1. アナログ変調方式
アナログ変調方式を用いた変調器は、上述したAMやFMのどちらかの変調方式が主な動作原理です。AM方式では、AMラジオ放送や航空無線などが主な使用例です。FM方式はFMラジオ放送やアマチュア無線、業務無線などで使用されます。
2. デジタル変調方式
デジタル変調方式は1と0の二値信号を伝送する方式です。携帯電話やBSテレビ放送など、近年の無線通信に採用されています。
デジタル変調はアナログ変調で変調波形を方形波にした場合と捉えることができます。デジタル信号で変調する方式の名称は、AM、FM、PhMに対応してASK (Amplitude Shift Keying) 、FSK (Frequency Shift Keying) 、PSK (Phase Shift Keying) です。
キャリアをスイッチで切り替えることと同義であることから、上記の名称で呼ばれています。
3. その他の変調方式
パルス変調方式はパルス幅を変化させる手法を指し、スペクトラム拡散方式は信号エネルギーを広域帯に分散させる手法を指します。
参考文献
https://www.cqpub.co.jp/hanbai/books/30/30341/30341_2syo.pdf
https://xtech.nikkei.com/it/pc/article/NPC/20070517/271444/