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AM変調とFM変調とは?仕組み・原理・メリットデメリットについて紹介!

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こんにちは!
現役Webエンジニアの今井(@ima_maru)です。

今回は、大学でAM変調についての実験をしたので、そのアウトプットついでに以下のようなことを解説します。

この記事に書かれていること
  • 変調とは何か
  • AM変調とFM変調の仕組み
  • AM変調とFM変調の違い
  • AM変調とFM変調のメリットとデメリット

それでは解説に移ります!

もくじ

変調とはなにか?

まずは、変調とは何かということを解説します。

ざっくり言えば、変調とは、信号の情報を保ったまま、周波数帯域を変える技術のことです。

信号の情報を保つってのが重要なポイントで、何らかの形で信号の情報を保存します。

変調はなぜ必要?

変調が必要な場合のいい例はラジオです。

「AMラジオ」だとか「FMラジオ」だとかです。

ラジオは、あるきまった周波数帯域の電波を飛ばしています。

これは、ラジオを聴くときに、聴きたいラジオ局の周波数に合わせることからも想像できますね。

実は、ラジオ局は「ある決まった周波数帯域しか使ってはいけない」というルールに乗っ取って放送しています。

例えばこんな感じ。

ラジオ局使っていい周波数
A局900kHz
B局1000kHz
C局1100kHz

その理由は、同じ周波数帯域で電波を飛ばしてしまうと混信してしまうからです。

つまり、同じような周波数の電波を飛ばしていたら、混ざっちゃうからダメ!ということです。

なので、

  • 私は、900kHzの周波数で放送するよ!
  • じゃあ僕は、1000kHzの周波数帯域を使うね。
  • 俺は、1100kHzの電波で放送すれば混ざらないな。

このように取り決めをして放送しているわけです。

でもこの状態、少し妙な感じがしませんか? 私は最初、

「だいたい人の声100Hz~1000Hzぐらいなのに、900kHz(900,000Hz)の電波でどう表そうっていうんだ...。」

このように思いました。

人の声を送ろうにも、その周波数帯域では送れないじゃないですか。

ここで必要になるのが変調という技術です。

この変調は、人間の声などの音声データを、900kHzや1000kHzといった、ある特定の周波数で表現することを可能にします

なので、変調を使えば、いろんな音声データをラジオ局の使える周波数帯域まで上げることができるわけなんです。

素晴らしい技術です。

変調とは搬送波の変化で送りたい信号を表現すること

AM変調やFM変調は、搬送波という基本となる信号を使って送りたい信号を表すということをします。

この搬送波と呼ばれるもの(別名:キャリア波)はとても高周波一定の振幅を保った信号です。

イメージは以下のようなものです。

この信号を基本の信号とします。

電波の送信側も受信側もこれが基本。

受信側は搬送波だけを受け取れば、なにも情報がないことと等しいのです。

そこで、受信側の受け取る信号がほんの少しだけ搬送波と違う場合はどうでしょうか?

これは、一つの情報になります。

例えば、一部だけ振幅が大きい、もしくは小さい場合、受信側はその部分を何らかの情報なんだなと判断できるはずですよね。
理由は、基本の波形と違う部分だからです。

この基本の波形からの変化を工夫して、送りたい信号を表現することができれば、高周波数の電波を用いて、それよりも低周波の信号を表すことができます。

これが変調です。まとめると、

変調の仕組み
  1. 高周波数の「搬送波」と呼ばれる基本信号を用いる
  2. 搬送波を少し変化させることで情報を持たせる
  3. 変化の仕方を工夫して、送りたい信号を表現する

というのがAM変調FM変調といった変調技術の仕組みです。

搬送波の振幅を変化させて送りたい信号を表現する手法AM変調と呼ばれ、

搬送波の疎密(詰まってるかスッカスカか)で表現する手法FM変調と呼ばれます。

この辺のことはイメージするのが少し難しいかもしれません。

以下の記事は2分程度で読めて、とても参考になるのでぜひ読んでみてください。

わかりやすい変調のイメージ

今回は、その技術の代表例「AM変調」「FM変調」を解説します。

AM変調とは?

AM変調のAMとは、Amplitude Modulationの略で、振幅変調という意味です。

その名にある通り、搬送波の振幅に送りたい信号を乗せるということをします。

以下の図で、一番上の波形と一番下の波形を見比べてみてください。

画像参照 : wikipedia

図に描かれている波形は、上から以下のような信号になります。

  1. 送りたい信号
  2. 搬送波(非常に周波数が高いので塗りつぶされて見える)
  3. 搬送波の拡大図(実際は高周波数の正弦波であることがわかる)
  4. AM変調波(上下に送りたい信号と同じ形が表れている)

ここで、AM変調波の波形の上下の形が、送りたい信号と全く同じ形になっている

ということに気が付いたでしょうか?

変調後の波形の上部はそのまま変調前の波形、下部は反転した波形が現れています。

この情報を切り取ることができれば、音声を復元できそうですね。

AM変調波のままでは、音声として正常に聞くことはできません。

それは、このAM変調波はあくまで搬送波の振幅が変化しただけの高周波のままの信号だからです。

拡大すれば、高周波数のなみなみが現れるだけです。

なので、ラジオの受信側は、このAM変調波を元の送りたい信号に戻す作業が必要になります。

その作業を復調と呼びます。

復調については、今後の記事で書こうと思います。

FM変調とは?

FM変調のFMとは、Frequency Modulationの略で、周波数変調という意味です。

その名にある通り、搬送波の周波数に送りたい信号を乗せるということをします。

画像参照 : wikipedia

図に描かれている波形は、上から以下のような信号になります。

  1. 搬送波(本当はもっと高周波)
  2. 送りたい信号
  3. FM変調波(送りたい信号の振幅を周波数の高低で表現している)

FM変調波は送りたい信号の振幅に対応して、周波数を上げ下げしています。

例えば、送りたい信号の振幅が一番高い部分ではFM変調波の周波数が高くなっています

ようは、FM変調波の疎密度が送りたい信号の振幅を表しているんです。

こちらも、そのままでは音声を正常に聞けないので、受信側で復調作業が必要になります。

AM変調(ラジオ)とFM変調(ラジオ)のメリットとデメリット

AM変調とFM変調が使われいる例としてラジオを挙げ、それらのメリットデメリットについて理由付きで紹介します。

AMラジオFMラジオ
使用する搬送波低周波数高周波数
使用する周波数帯域幅狭い広い
電波の届く距離遠くまで届く遠くまでは届かない
ノイズに対する強さ弱い強い

こちらを参考にさせていただきました。

AMラジオのメリット

AMラジオのメリットは「遠くまで電波が届く」「使用する周波数帯域幅が狭くて済む」ということです。

「遠くまで電波が届く」のは、障害物の影響を受けにくい低周波数の電波(波長の長い電波)を用いるためです。

一般的に、波長の長い電波は山などの障害物の後ろに回り込みやすいという特徴を持っています。

「使用する周波数帯域幅が狭くて済むのは、FM変調と違い搬送波の周波数は変えないからです。(振幅を変化させることで変調する)

AMラジオは海外まで届く性能があるみたいですよ。また、限られた周波数帯域を節約できるのもAM変調のメリットですね。

AMラジオのデメリット

AMラジオのデメリットはAM変調の仕組み自体がノイズの影響を受けやすいからということです。

これは、AM変調の仕組み自体がノイズの影響を受けやすいからです。

AM変調は、搬送波の振幅を変化させることで変調をしています。

そのため、ノイズによって振幅が変化すると、送りたい信号にノイズが乗ってしまうことにつながります。

FMラジオのメリット

FMラジオのメリットは「ノイズに強い」ということです。

これは、FM変調の仕組み自体がノイズの影響を受けにくいからです。

FM変調は、搬送波の周波数を変化させることで変調をしています。

そのため、ノイズによって振幅が変化しても周波数への影響がない(少ない)ので、送りたい信号にノイズが乗らないのです。

信号強度が十分に大きければ、ノイズはほぼ無視できるといわれています。良く言うのは、FMラジオは高音質だということ。

FMラジオのデメリット

FMラジオのデメリットは「遠くまで電波が届かない」「使用する周波数帯域幅が広くなってしまう」ということです。

「遠くまで電波が届かない」のは、障害物の影響を受けやすい高周波数の電波(波長の短い電波)を用いるためです。

一般的に、波長の短い電波は直進しやすく曲がりにくいという特徴を持っています。

「使用する周波数帯域幅が広くなってしまう」のは、変調に周波数を変化させることが必要だからです。

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AM変調とFM変調のまとめ

大学で実験をして、AM変調とは何なのかを初めて知りました。

昔何気なく聞いていたラジオが、実はこんな原理で成り立っていたのかと知ることができてとても面白かったです。

ほかにもいろんな変調技術があるみたいなので、そちらも興味があれば調べてみてください。

最後まで読んでいただきありがとうございます。

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もくじ