数字调制―数字通信的基础
2025/06/11
无线通信
用智能手机拍照，将照片［数据］发送给熟人［发送］，熟人接收照片［接收］，这样的交流称为通信（在本例中，由于使用了电，因此可以说电気通信）。在本文中，我们将就在“什么是数字数据？―数字通信的基础”中解说的“数据”，对它的移动——信号、数据的传播速度——通信速度，以及将数据进行远距离传输所需的操作——数字调制的基础知识进行相关说明。
INDEX
1. 数据的发送和接收
1.1 数据的移动和信号
1.2 数据移动速度
2. 数字调制
2.1 远距离数据传输所需的技术―调制
2.2 数字调制的代表示例
＜专栏＞什么是信号？
1. 数据的发送和接收
1.1 数据的移动和信号
数据是记号和符号的集合，保存在数字设备或记录介质上时处于静态。下面，我们将看看这些数据是如何通过电缆或空间等传输路径（通信通道）进行动态传输的。
当这些静态数据经过处理并从发射器沿着传输路径移动时，在本文中将该数据称为信号（图1）。通过互联网从智能手机向熟人发送照片时，数据会以信号的形式发送。信号是时间轴的特性（尽管它也具有频率轴的特性），在此为了简单起见，我们认为“将数据沿时间轴移动即成为信号”。
图1 数据与信号的关系
1.2 数据移动速度
数据的单位有bit（位）和将8bit合在一起的byte（字节），使用该单位表示数据量已在“什么是数字数据？―数字通信的基础”中说明。同样，数据的移动——信号（图2）也有单位。这就是所谓的通信速度（传输速度），即每秒传输的数据量。数据速度有好几种名称，表1对常见的名称进行了总结（在不同情况下可能使用不同的名称）。
图2 8bit＝1byte的数字信号（数字波形）示例
在图2的信号中，数据按照从先到后的顺序传输“01001101”。此外，信号电平是电压或电流，高（H）对应“1”，低（L）对应“0”。此外，这种波形称为矩形波或方波。
表1 数据速度的单位数据速度单位通信速度（传输速度）信号速度bps（也称为bit/s、b/s）传输速度B/s（也称为byte/s、Byte/s）、bps（也称为bit/s、b/s）调制速度baud（称为“波特”）
提到数据速度时，通常使用的术语是“通信速度”。人们会经常看到它，因为它在智能手机和Wi-Fi规格等当中用作传输速度。其中，仅使用bps（bit per second）作为单位时，称为“信号速度”，主要使用B/s（byte per second）作为单位时，称为“传输速度”。传输速度根据传输的数据量*1以bit数、byte数、字符等为单位。
*1 例如，1个字符为1byte，一次传输100个字符，则传输速度为100个字符/秒，即100B/s。1byte为8bit，因此转换为bit时，它相当于800bps的传输速度。这样在传输速度中使用单位［B/s］时，如果将其换算为［bps］，则传输速度与信号速度相同。
关于另一个术语“调制速度”，包括调制速度与信号速度之间的关系，将在“通信速度的高速化―数字通信的基础”中进行说明，因此这里仅指出数据速度中有调制速度。
2. 数字调制
2.1 远距离数据传输所需的技术―调制
在电信领域，为了远距离传输数据，需要在发送侧进行称为“调制”的操作（图3）。例如，如果大声喊叫，声音或许可以传到十米、二十米远，但应该也只能传到几十米远。但是，通过将声音振动转换成电信号，并加载到电波（载波）上进行传输（调制），就可以实现远距离传输。该技术是模拟电话和模拟无线电的基本原理，是模拟调制的应用事例。
图3 以无线通信为例的发射侧调制模块
同样，以“0”和“1”表示的数字数据也可以通过调制实现远距离传输。借助这项技术，人们可以将智能手机中的照片数据进行调制并通过电波传输熟人手中。
2.2 数字调制的代表示例
为了远距离传输原始信号（基带信号*2），需要上述被称为载波的连续波（正弦波）。通过基带信号改变载波的振幅、频率和相位的过程就叫数字调制。由此产生调制波。数字调制有多种方式，其中具有代表性的是ASK、FSK、PSK和QAM（表2）。以下就ASK、FSK和PSK对其示意图进行说明（QAM是将PSK的原理扩展后的调制方式，为了方便起见，将在“通信速度的高速化―数字通信的基础”中进行说明）。
*2 数字数据本身移动时的信号
表2 代表性数字调制调制方式说明ASK调制（Amplitude Shift Keying modulation）振幅偏移调制：该调制在基带信号为“1”时输出振幅恒定的载波FSK调制（Frequency Shift Keying modulation）频率偏移调制：该调制在基带信号为“1”时输出高频，在基带信号为“0”时输出低频PSK调制（Phase Shift Keying modulation）相位偏移调制：该调制在基带信号为“1”时输出相位差为0°的载波，在基带信号为“0”时输出相位差为180°的载波QAM（Quadrature Amplitude Modulation）正交振幅调制/直角相位振幅调制：该调制使用相位差为90°的2个载波，并输出让这些载波的振幅发生变化后的载波
2.2.1 ASK（Amplitude Shift Keying：振幅偏移）
数字调制中的基本方式是ASK。如图4所示，通过改变载波的振幅来表示“0”和“1”。产生与基带信号一样——载波的高振幅（电压）表示“1”，低振幅表示“0”的调制波，并且振幅以与基带信号1位的时间长度（位长）相同的位长变化。
图4 ASK调制的示意图
*3 调制波的时间变化单位称为符号。如果是将“0”和“1”这2个值（1比特）通过1次调制来表达的二进制信号，则位长与符号长度相等。
2.2.2 FSK（Frequency Shift Keying：频率偏移）
如图5所示，以载波的频率为基准，通过向更低频率和更高频率偏移来表达“0”和“1”。在图5中，载波的频率为f时，将向比f更高的频率f1偏移时作为“1”，向比f更低的频率f0偏移时作为“0”。
图5 FSK调制的示意图
2.2.3 PSK（Phase Shift Keying：相位偏移）
通过让载波的相位偏移来表达“0”和“1”。如图6所示，可以用相位为“0”的正弦波和相位处于错位半个周期（180°）的状态“π”的正弦波来分别表达“1”和“0”。
图6 PSK调制的示意图
表3总结了上面介绍的ASK、FSK和PSK调制各自的特点。每种方式都有各自的优点和缺点，应该采用哪种调制方式取决于目的、用途和环境。
表3 各调制方式的特点调制方式
抗噪性*4
频率利用效率*5
功耗
成本（电路规模）
ASK调制
低
低
低
低（简单）
FSK调制
中
中
中
中（有点复杂）
PSK调制
高
高
高
高（复杂）
*4 抗噪性：如图7所示，指加载了数据的调制波在传输路径（空间）中传输时对外部噪声的抵御能力。抗噪性强，意味着通信质量高（调制波信号的错误率低）。（转载自“无线通信的基础知识-无线机制（1）”的图2）
图7 通信系统中的基本模型构成
*5 频率利用效率：在此认为是表示单位时间里在同一频带内可以传输多少数据的指标。我们将在其他文章中对此进行相关解说。
＜专栏＞什么是信号？
说到“信号”，我们通常会想到道路交叉口和铁路上使用的交通信号，但在本文中，该术语指的是在通过无线通信传输数据时，将数据转换（调制）为适合通过无线通信传输的格式后的数据。事实上，包含数学表达的说法在内，电“信号”现在有如下所示的多种含义（在本文中，使用1的含义）。此外，信号电平可以是电压或电流。
指的是时间函数（横轴为时间轴）的模拟波形（例如声音）和数字波形（例如文本和图像），以作为信息*6的数据为基础指的是时间函数的模拟波形（例如载波）和数字波形（例如在DC-DC转换器中用于有效地进行从直流到直流的转换而产生的脉冲调制波），与作为信息*6的数据无关指的是空间函数——静态图像和时间空间函数——视频
*6 信息：可被人类解释并用于对事物做出判断和采取行动等的数据（例如文本、图像等）
1和2表示时间轴上的“信号”，3表示位置轴上的“信号”。为了对这些进行说明，需要了解被称为傅里叶变换的数学知识（傅里叶级数和变换预定在另外的文章中说明）。
［无线通信相关文章］
＜概述＞
无线通信的基础知识-无线机制（1）
无线通信的基础知识-无线机制（2）
＜基本信息＞
什么是数字数据？―数字通信的基础
本文：数字调制―数字通信的基础
通信速度的高速化―数字通信的基础
无线通信中的电波（频带宽）有效利用 - 多址接入 FDMA/TDMA/CDMA（1）
无线通信中的电波（频带宽）有效利用 - 多址接入 FDMA/TDMA/CDMA（2）
＜应用＞
什么是UWB（超宽带）无线通信？
什么是LPWA（Low Power Wide Area）无线通信 - 基础篇
什么是LPWA（Low Power Wide Area）无线通信 - 应用篇
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＜技术动态＞
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