帯域幅（Bandwidth）
帯域幅（Bandwidth）とは、信号やシステムが有効に扱うことのできる周波数の広がり、または通信路が単位時間あたりに運べる情報量を示す基礎概念である。物理的にはアナログ信号の通過域の広さ（例：下限周波数から上限周波数までの差）として捉え、情報・通信分野ではネットワークが処理できるデータ速度（bit/s）として用いられる。電気回路、制御、計測、無線、デジタル機器設計など多くの分野で用語が共通するが、文脈により意味づけがわずかに異なるため、対象と測定基準を明確化することが重要である。
定義と基本概念
アナログ領域では、システムが十分な利得や応答を示す通過域（passband）の幅を帯域幅と呼ぶ。一般的な増幅器やフィルタでは、利得が最大値から-3 dB低下する点を境界として上下の遮断周波数を定め、その差を帯域幅とする。デジタル領域では、符号化方式や誤り率の目標を前提に、伝送可能なデータ速度（throughput）を帯域幅と表現する。いずれも本質は「許容品質で扱える周波数・情報の範囲」を定義する点にある。
単位と表現
アナログ回路や無線ではHz（またはrad/s）、通信ではbit/s（kb/s, Mb/s, Gb/s）が用いられる。アナログ帯域の評価にはデシベル尺度が有効で、-3 dB点は出力が電力比で半分、電圧比で約0.707倍に低下する境界である。また、等価雑音帯域幅（ENBW）や占有帯域幅（OBW）など、用途別の定義も存在する。時間領域の立ち上がり時間と周波数領域の帯域は相補関係にあり、近似的にB≈0.35/Tr（B：帯域幅、Tr：10–90%立ち上がり時間）が知られている。
通信工学における意味
通信路の帯域幅は、信号帯域（Hz）と雑音・歪みの影響によって実現できるデータ速度を制約する。シャノン–ハートレーの関係は理想化条件下でC＝B·log2(1+S/N)を与え、B（Hz）とS/N（線形比）が大きいほど容量C（bit/s）が増えることを示す。実務では変調方式（QAM, PSK, OFDM）や符号化、帯域制限のためのパルス成形が総合的に決め手になる。帯域の広さは周波数資源や規格の制約とも直結し、広帯域化はスループット向上と同時に隣接チャネル干渉や送受信機の線形性要求を高める。
アナログ回路・制御系の帯域
増幅器やセンサの周波数応答では、ゲインと位相の平坦性が所望範囲で保たれる幅が設計目標となる。例えばRC低域通過回路の遮断周波数は1/(2πRC)で与えられ、定数RとCの選定で帯域を制御できる。制御系ではボード線図のゲイン交差周波数近傍が実質的な閉ループ帯域を与え、帯域が広いほど追従性は高まる一方、位相余裕の低下や感度増加により安定性・雑音増幅のトレードオフが生じる。周波数の概念整理には周波数やインピーダンスの理解が不可欠である。
デジタル信号と立ち上がり時間
デジタル波形はフーリエ的に多数の高調波で構成され、急峻なエッジほど高周波成分が増える。配線・コネクタ・負荷容量が増えると高域が減衰し、波形が鈍るため、所望のジッタとアイ開口を得るにはインタコネクトの広帯域化が必要となる。一般式B≈0.35/Trは設計早期の見積りに有用で、シリアルI/Oやメモリ・バスではチャネル損失、反射、クロストークの管理が帯域確保の鍵となる。スペクトル観点の理解にはフーリエ変換が役立つ。
測定法と指標
- 周波数応答測定：ネットワークアナライザで利得・位相を掃引し、-3 dB点や群遅延を評価する。
- スペクトル観測：スペクトラムアナライザで占有帯域幅（OBW）や隣接波干渉（ACLR）を測る。
- 時間応答：ステップ応答から立ち上がり時間を測り、近似的に帯域へ換算する。
- 雑音評価：等価雑音帯域幅（ENBW）を用いて検波器・フィルタの雑音電力を見積もる。
設計のトレードオフと留意点
帯域拡大は応答性やスループットを押し上げるが、同時に雑音帯域の拡大、消費電力増加、EMIの悪化、安定性低下を招き得る。アナログ増幅器では利得帯域積（GBW）と位相余裕の確保、通信では占有帯域と隣接チャネル規格、デジタルでは配線長・特性インピーダンス整合・終端方式の整合が肝要である。用途に応じて必要最小限の帯域を定め、フィルタ設計やシールド、グラウンド設計、電源デカップリングと併せて総合最適化を図るべきである。
用語の混同に注意
ネットワーク分野では「帯域＝bit/s」、回路・無線分野では「帯域＝Hz」で語られることが多い。両者はフーリエ的対応関係を持つが、数値そのものは単位系が異なるため直接比較はできない。仕様書や規格を読む際は、どの定義・測定法（-3 dB、OBW、ENBW、実効スループットなど）に基づくのか、前提条件（S/N、変調、等化、誤り率、負荷条件）を必ず確認することが重要である。