AM｜振幅を変える基本変調

2025.09.27

AM

AM（Amplitude Modulation、振幅変調）とは、情報信号の振幅に応じて搬送波の振幅を連続的に変化させる変調方式である。無線放送や航空無線など歴史的に広く用いられ、回路構成が簡潔で復調が容易という特徴をもつ。一方で、電力利用効率や帯域利用効率、雑音耐性の面では他方式に劣る場合がある。ここでは原理、数式モデル、スペクトル、変調度、電力効率、検波、主要バリエーション、実装上の留意点を大学初学者レベルで体系的に解説する。

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定義と基本原理

AMは、搬送波をcos(2πfct)とし、ベースバンドの情報信号m(t)（|m(t)|≤1を想定）によって搬送波の振幅を変動させる。すなわち、搬送の振幅Aが(1+k·m(t))で重み付けされ、包絡線が情報に一致する。増幅器や変調器はこの包絡線を忠実に形成できるよう線形領域で動作させる必要がある。

数学モデル

代表的な両側波帯・残留キャリアのAM（DSB-FC）は、s(t)=A[1+μm(t)]cos(2πfct)で表される。ここでμは変調度（0≤μ≤1が基本）であり、μが大きいほど包絡線の変化は深くなる。m(t)が単一正弦波m(t)=cos(2πfmt)の場合、s(t)は搬送周波数fcに対してfc±fmの側帯を生じる。m(t)が一般波形で帯域Bをもつとき、側帯はfc±[0,B]に広がる。

スペクトルと帯域

AMの周波数スペクトルは、搬送成分（デルタ状）と対称な両側帯で構成される。必要帯域幅はベースバンド帯域Bの2倍、すなわちW=2Bである。搬送波自体は情報を含まないが、包絡線検波を容易にするため送信される（残留キャリア）。一方、搬送を抑圧する方式では検波回路が同期を要する。

変調度と過変調

変調度μは包絡線の最大・最小からμ=(Amax−Amin)/(Amax+Amin)で定義される。μ≤1では包絡線が常に正で、包絡線検波（ダイオード検波）が成立する。μ>1（過変調）では包絡線が反転し、復調歪みが顕著になるため避けねばならない。多音変調時はピークファクタが増し、実効的に過変調に陥りやすいため、システムはヘッドルームを確保する。

電力効率とSNR

AMの送信電力は搬送成分に多く割り当てられる。単一正弦変調で平均送信電力Ptに対し、側帯に載る有効情報電力はμに比例するが、搬送電力は一定で情報を運ばない。このため同一送信電力なら、側帯だけを利用する抑圧キャリア方式や単側帯方式が高効率である。雑音は主に加法性白色ガウス雑音（AWGN）を想定すると、振幅に直接影響し、同じ受信電力条件では角度変調（AM以外の方式）よりSNR面で不利になりやすい。

検波（復調）方式

  • 包絡線検波：ダイオードとRCで構成され、残留キャリアAMに適する。簡便・低コストだが過変調や強いフェージングに弱い。
  • 同期検波（コヒーレント検波）：受信側で局部搬送を再生し乗算してベースバンドを得る。搬送抑圧AMやSSBに必要で、線形歪や周波数オフセットに注意する。

方式のバリエーション

  • DSB-FC（両側波帯・残留キャリア）：一般にAMと呼ばれる基本形。回路が単純で汎用。
  • DSB-SC（両側波帯・搬送抑圧）：搬送を送らず電力効率が良いが同期検波が必須。
  • SSB（単側波帯）：帯域と電力を半減できる。音声伝送や短波通信で有利。
  • VSB（残留側波帯）：片側帯を主としもう一方を部分的に残す。テレビの映像搬送で伝送特性と実装の折衷に用いられる。

実装上の留意点

送信側では、変調器の直線性、出力段のIMD（相互変調歪）、フィルタの群遅延特性が音質・歪率に影響する。受信側では、AGCによるダイナミックレンジ拡大、局部発振の安定度（同期検波時）、RF・IF段の選択度が重要である。アンテナ・フィーダは搬送周波数に見合う整合を取り、反射損失を低減する。近傍に強電界がある場合、検波の非線形により不要復調（ラジオの“鳴き”）が起こることがある。

帯域設計とフィルタリング

音声AMの上限周波数をfaとすれば必要帯域は約2faである。受信機のIFフィルタは群遅延ができるだけ平坦で、包絡線保真度を損ねない特性が望ましい。送信側の低域遮断が不適切だと変調度測定の基準が揺らぎ、過変調検出が困難になる。隣接チャネル干渉抑制のため、送信側は規定のスペクトラムマスクを満足し、受信側は選択度を確保する。

測定と評価

  • 変調度：オシロスコープで包絡線の最大最小から算出、あるいは専用変調計を用いる。
  • 歪率：同期検波でベースバンドを取り出しTHDを測定。包絡線検波歪と区別する。
  • 占有帯域：スペクトラムアナライザで−26 dBや−40 dBの基準幅を評価する。
  • SNR：受信等価雑音帯域幅内でC/Nから換算し、復調後SNRとの関係を確認する。

用途と適用分野

中波放送、短波放送ではDSB-FCのAMが長年用いられてきた。航空無線（VHF）では混信時の可聴性や瞬断時の動作特性からAMが採用されている。業務通信やアマチュア無線ではSSBが主流で、帯域・電力効率に優れる。映像搬送ではVSBが実用的な折衷として用いられた歴史がある。デジタル化の進展後も、シンプルなハードウェアと低消費電力という利点から、計測用信号のテスト変調や教育用途でAMは有用である。

設計例の要点

  • ベースバンド整形：プリエンファシスは通常不要だが、低域の直流成分は抑える。
  • 直線性確保：変調器と終段PAをバックオフしてIMDとスプリアスを抑圧。
  • 変調度管理：ピーク演算でμ≤1を厳守、複合音源ではクリッパ・リミッタで保護。
  • 受信安定化：AGC時定数を音質と追従性のバランスで設定し、フェージング対策を行う。

補足：包絡線検波の動作条件

包絡線検波器のRC時定数はfcに対して十分小さく、かつベースバンドの最高周波数に対して過度に小さくならない範囲に設定する。ダイオード順方向電圧は低レベル受信で効きやすく、整流効率向上のために検波前の増幅やショットキー素子の採用が有効である。

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