無線LANのすべて 第3回

デジタル信号をアナログ信号に変換する仕組み

きっちり知りたい無線LANの変調技術の基礎

電波はEthernetで使われるような銅線ケーブルと異なり、デジタル信号をそのままの形で伝送することはできない。そこで、電波の形で送信できるように信号を変換するために「変調」と呼ばれる技術が使われる。ここでは基本的な変調技術について見ていこう。

変調技術の基礎

　データを電波として伝送しやすいように変換することを「変調」という。実のところ、どうして変調という変換作業が必要かというのは意外と知られていないのではないか。そもそも変調とは何のために必要なのだろうか。

　電話回線を使うモデムを接続するシリアルケーブルや、プリンタを接続するパラレルケーブルは生のデジタルデータ（電圧変化による信号）を伝送させている。この生のデータは数メートル程度の短い距離を伝送させるのにはまったく問題ない。だが、数百メートルや数キロメートルといった長距離ではちょっとした雑音で信号の電圧変化を正しく検知できなくなり、データが壊れてしまう。いわゆる文字化けという現象だ。

　本来、こうした電線では交流を利用するほうが効率がよいとされている。そこでデータを交流信号に変換して伝送する「変調」を行なう。変調を行なうと、雑音にも強くなるうえ、誤り訂正技術などを組み込むことでエラーに強い、信頼性の高い伝送を行なうことができる。

　無線の場合、変調にはもう1つ重要な理由がある。それは、生のデジタルデータを変調せずに無理矢理電波にしようとすると、途方もなく広い周波数帯域が必要になってしまうことだ。データを無線伝送させるためには、電波が決められた周波数帯域に収まるよう制限して送信しないとお互いに混信して無線を使う意味がなくなってしまう。変調は、電波の周波数という限られた資源を有効に使うための大切な変換技術だということを覚えておこう。

周波数と振幅

　無線に必須のキーワードが「周波数」と「振幅」だ。周波数は音の高さ低さと同じように、電波の波の振動数のことで、単位はヘルツ（Hz）だ。たとえば、図1のように1秒間に10回の繰り返しの波があれば10Hzとなる。周波数を逆数にすると、1つの波の繰り返しにかかる時間、すなわち「周期」になる。10Hzであれば、1/10＝0.1秒がこの周期になる。

図1　搬送波の周波数と振幅

　通常、周波数ではメガヘルツ（MHz）やギガヘルツ（GHz）といった単位が使われることが多く、前者は百万ヘルツ、後者は十億ヘルツとかなり大きな単位になっている。たとえば、無線LANに使われている2.4GHzは2,400,000,000Hzであり、1秒間に2,400,000,000回振動していることを意味している。この周波数を、データを送る側と受ける側で、ちょうどテレビやラジオのチャンネルを合わせるようにすることで、他の無線通信との混信を防ぐことができる。いわば周波数は無線を使ううえでの「窓」にあたる役割だ。

　もう1つのキーワード「振幅」もチェック事項だ。振幅を簡単に説明するならば、信号のレベル（強度）のことを指す。無線技術で振幅といえば、振幅の強弱で変調する振幅変調（AM）を連想する読者も多いだろう。しかし、デジタル無線通信では、さらに多くのデータを載せるために、後述の位相と振幅を組み合わせたQAMという多値変調技術を使用する。

振幅変調と周波数変調

　変調の基本中の基本が「振幅変調（AM：Amplitude Modulation、ASK：Amplitude Shift Keying）」と「周波数変調（FM：Frequency Modulation、FSK：Frequency Shift Keying）」だ。AMやFMという用語はラジオのバンドの名称にもなっているのでだれもが聞いたことがあるだろう。振幅変調は振幅を、周波数変調は周波数を、元の信号に従って変えて（変調＝調子を変える）データを載せている。

　アナログの音を振幅変調することを考えよう（図2）。ここで変調される基準電波のことを「搬送波（キャリア）」と呼ぶので覚えておいてほしい。通常、搬送波は高い周波数を持ち、周波数が変化しない一定の電波である。振幅変調では、載せる音によって搬送波の振幅を変化させる。音が大きければ振幅も大きく、音が小さければ振幅も小さくするわけだ。

図2　振幅変調（AM、ASK）の概念

　受信側では、その振幅変調を施した変調波を受け取ったら、その逆の作業をすることで元の音を取り出せる。つまり、振幅の小さな変調波を受信したら音が小さく、振幅の大きな変調波を受信したら音を大きく鳴らす仕組みを備えていれば元の信号を復元できるわけだ。これを「復調」といって、必ず変調と対となる機能であって、無線伝送には必須の作業になる。変調だけ行なってもデータを元に戻さなければ何の意味もないのだ。

　次にデジタルデータを周波数変調することを考えよう（図3）。データの0/1に応じて搬送波の周波数を高くしたり、低くしたりすればよい。この周波数の差が大きければ大きいほど、雑音に強くなるのである。しかし、周波数には限りがあるので、好きなだけ周波数の差を大きくするというわけにはいかない。

図3　周波数変調（FM、FSK）の概念

　ちなみに、振幅変調は変調波に雑音が入ってしまうと、それがそのまま復調されて出力されてしまう欠点がある。AMラジオを聞いているとき、バイクが近くを通ったりすると、バリバリとした音が入ってくるのを聞いた人も多いだろう。逆に周波数変調は復調時にこのような振幅成分を切り落とすことができるため、雑音が入りにくく、品質のよい伝送ができるという特徴がある。

　なお、英語表記で振幅変調をAM：Amplitude Modulation、ASK：Amplitude Shift Keyingと2種類表記しているが、前者はおもにアナログ信号・変調のときに、後者はおもにデジタル変調のときに呼ばれる名称である。本稿では日本語表記ではどちらも「変調」としているのでご注意いただきたい。

（次ページ、「位相で0/1を区別位相変調」に続く）