多値変調・とは？初心者にやさしい基本ガイド共起語・同意語・対義語も併せて解説！

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高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

多値変調・とは？

多値変調とは、デジタル信号を送るときに一つの信号波形の中に複数の「状態」を持たせてデータを表現する方法です。通常の二値変調では0と1の二つの状態だけを使いますが、多値変調では M 個の状態を使い、1つの信号で表現できるビット数を増やします。

例えば M が4のとき、一つのシンボルで2ビットを表現できます。これによりデータの伝送速度を高めることができます。

仕組み

観念としては、信号波形の振幅と位相、またはその組み合わせを複数の「点」（コンステレーション）として並べ、受信側がそれぞれの点を読み取るイメージです。実際には信号を正弦波に重ねて変化させ、受信側で歩度や位相のズレを計算してどの点に近いかを判断します。

4値の例では、4つの点を使って2ビットを一度に送ります。16-QAMでは16個の点を使い、4ビットを1シンボルで伝えます。64-QAMになると6ビット、256-QAMでは8ビットを一つのシンボルで送れるようになります。

利点と難点

利点: 同じ周波数帯でのデータ量を増やせること。帯域効率が向上します。

難点: 高い信号対ノイズ比が必要で、ノイズに弱くなります。M が大きいほど伝送距離が短い場合や受信機の設計が難しくなります。

多値変調の設計では SNR すなわち信号対ノイズ比を十分に保つことが重要です。受信機の性能は M の値とノイズ水準によって大きく影響を受けます。

実務的なポイント

設計時には M の選択、SNR、 誤り訂正、コスト、距離の関係を総合的に考えます。実際の無線通信では、環境によって最適な M が変化します。

日常の例え

日常の例えとして、二値変調は「話す／話さない」という状態、三値変調は「話す声の大きさ」を三レベルで表すようなイメージです。多値変調はこの概念をさらに広げ、音量と抑揚、タイミングの組み合わせで多くの情報を同時に伝えます。

日常の応用と実世界の例

現代の無線通信や有線デジタル伝送には多値変調が欠かせません。WiFiの一部の規格では 16-QAM や 64-QAM が使われ、データの速度と距離のバランスを取りながら通信を成立させています。5G や光ファイバーの一部でも、多値変調の技術は高効率な伝送を支えています。

表で整理

用語	説明
M	状態の数。大きいほど1シンボルあたりのビット数が増える。
ビット/シンボル	ビット数は log2(M) で決まる。
QAM/PSK	代表的な多値変調のカテゴリ。QAM は振幅と位相、PSK は位相のみを使う。
利点	同じ周波数帯でのデータ量を増やせる。
難点	高い SNR が必要でノイズに敏感。

まとめ

多値変調はデータの密度を高める技術です。適切な M の選択とノイズ管理が鍵となります。

多値変調の同意語

M-ary変調: 信号をM個の離散レベルで表す変調方式。Mは2以上。代表例にはM=4の4-PSKや4-QAM、M=16の16-QAMなどがある。
M値変調: 同じく、信号をM個の離散レベルで表す変調方式。Mは2以上。英語の M-ary modulation の日本語表現の一つ。
多階調変調: 複数の階調（レベル）を用いて情報を伝える変調方式。Mが大きいほどデータレートは上がるが、雑音耐性や実装の難易度とのトレードオフがある。
階調変調: 階調を用いるデジタル変調の総称。具体的には複数の振幅・位相・周波数の組み合わせを表現する。
多値信号変調: 信号自体が複数の値をとる性質を利用する変調方式。一般に多値変調の総称として使われる。
多値変調方式: 多値変調を指す別称。規格や論文で「多値変調方式」と表現されることがある。
M階調変調: M階調の変調。Mは2以上。信号をM段階の値で表すことによりデータレートを増やす設計思想の一つ。

多値変調の対義語・反対語

二値変調: 信号レベルが2つだけの階層で行う変調。多値変調の対義語としてよく用いられる。例: BPSKや2-PAMなど。
2値変調: 二値変調の別表現。ほぼ同義。
単値変調: 1つの信号レベルしか使わない非常に単純な表現。実務ではほとんど使われないが、対比の説明で使われることがある。
単一レベル変調: 1レベルだけを使う変調。現実には実用性が低いが、対比として用いられることがある。
アナログ変調: 信号を連続値で変調する方法。多値変調が離散値を用いるのに対し、連続的な値を扱う点を対比で挙げるときに使われる。
低階数変調: 階数が低い（例: 2値・3値など）変調。多値変調の対比として「階数を抑えた」方式を指す表現。

多値変調の共起語

多値変調: デジタル通信で、1つのシンボルに複数のビットを割り当てる変調方式の総称。高い帯域効率を得られる反面、雑音耐性や実装の難易度が上がる場合がある。
QAM変調: Quadrature Amplitude Modulationの略。振幅と位相を同時に変化させることで多値を表現する変調方式。高い帯域効率が特徴。
16QAM: 1シンボルあたり4ビットを表現するQAMの代表例。振幅と位相の組み合わせが16通りあり、バランスの良い性能を持つ。
64QAM: 1シンボルあたり6ビットを表現する高密度のQAM。帯域効率は高いがSNRが要求される。
256QAM: 1シンボルあたり8ビットを表現する非常に高密度なQAM。高速伝送に適する一方、ノイズ耐性の厳しさも高い。
QPSK: Quadrature Phase Shift Keyingの略。1シンボルあたり2ビットを表現する4状態の位相変調。ノイズに強く長距離伝送に適する。
8PSK: 8相位変調。1シンボルで3ビットを表現。位相の分解能が高いが実装は複雑になることがある。
16PSK: 16相位変調。1シンボルで4ビットを表現。位相分解能が高く、雑音耐性はPSKの中では比較的良い。
PSK変調: 位相のみを変えて情報を表現する変調方式の総称。QPSKや8PSKなどが含まれる。
ASK変調: 振幅を複数レベルで変化させて情報を表現する変調方式。実装は比較的簡単だがノイズに弱い点がある。
OOK変調: オン・オフを鍵として情報を伝える最も基本的なASKの形。信号が“1”か“0”かで表現される。
M-ary変調: 状態数をMで表す多値変調の総称。1シンボルで log2(M) ビットを表現する。
位相変調: 位相を変えることで情報を伝える変調の総称。PSKはこの一形態。
振幅変調: 振幅を変化させて情報を伝える変調の総称。ASKはこの一形態。
デジタル変調: デジタル信号を伝送するための変調方式の総称。多値変調はデジタル変調の一種。
デジタル信号処理(DSP): 受信・復調・誤り訂正などをデジタル計算で実現する技術分野。多値変調の実装にも欠かせない。
帯域効率: 同じ帯域幅でどれだけ多くのビットを伝送できるかの指標。多値変調は一般に帯域効率を高められる。
スペクトル効率: 帯域幅1 Hzあたりのビットレートの指標で、帯域効率と同義語として使われることが多い。
ビット誤り率(BER): 受信したビットと送信したビットが異なる割合。変調の性能評価でよく使われる。
シンボル誤り率(SER): 受信したシンボルと送信したシンボルが異なる割合。高次の変調ほど影響を受けやすい。
信号対雑音比(SNR): 受信信号のパワーと雑音のパワーの比。SNRが高いほど多値変調の誤りが減りやすい。
誤り訂正符号(FEC): 受信時に誤りを訂正するための符号化。変調と組み合わせて信頼性を高める。
シャノン容量: ノイズを含む伝送路で、理論上得られる最大のビットレート。高次の多値変調はこの限界に近づく設計を目指す。

多値変調の関連用語

多値変調: 複数のシンボル状態を用いて1シンボルあたりのビット数を増やすデジタル変調の総称。M を状態数とし、1シンボルあたりのビットは log2(M)。代表例には QAM、PSK、FSK、ASK などがある。
QAM: Quadrature Amplitude Modulation。I成分とQ成分の振幅を同時に変化させて複数のシンボルを作る変調方式。帯域効率が高い反面、ノイズ耐性はMが大きいと低下しやすい。
16QAM: QAMの具体例の一つ。シンボル点が16点の星座図で、1シンボルあたり4ビットを表現する。
64QAM: QAMの一種でシンボル点が64点。1シンボルあたり6ビットを表現する。高い帯域効率を得られるがノイズに弱くなる。
256QAM: QAMの高度な形態。256点の星座図で1シンボルあたり8ビット。高い帯域効率だが受信条件が厳しい。
PSK: Phase Shift Keying。搬送波の位相を離散的な状態に変えて情報を伝える多値変調の総称。
BPSK: Binary PSK。位相を0度と180度の2状態で表す最も基本的なPSK。ノイズ耐性が高い。
QPSK: Quadrature Phase Shift Keying。位相を4状態にして1シンボルあたり2ビットを表現。星座図は4点で配置される。
8PSK: 8相PSK。1シンボルあたり3ビットを表現。位相を8段階に分ける。
16PSK: 16相PSK。1シンボルあたり4ビットを表現。PSKの中で高い位相密度を持つがノイズ耐性は低下。
OQPSK: Offset QPSK。Q成分の跳変を少し遅らせることでピーク力を抑え、実装を安定させる変調方式。
DPSK: Differential PSK。現在のシンボルの位相を前のシンボルとの差分として伝える。同期が難しい場合に有利。
ASK: Amplitude Shift Keying。振幅を複数の離散値に変えて情報を伝える多値変調。簡易だがノイズに弱い。
4ASK: 4レベルの振幅を用いる ASK。1シンボルあたり2ビットを表現。
OOK: On-Off Keying。信号の有無でデータを伝える最も単純なASK の一種。実装が容易。
FSK: Frequency Shift Keying。搬送周波数を複数の状態のうちの一つとして用い情報を伝える。
MFSK: Multi-Frequency Shift Keying。複数の搬送周波数を使い多値の信号を送る方式。一般に帯域が広くなる。
OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing。多値変調を多数のサブキャリアに適用して伝送する方式。Wi-Fi や 4G/5G などで広く使われる。
IQ変調: I成分とQ成分を用いて複素平面上の点としてシンボルを表現する変調手法。QAM や PSK の実装に不可欠。
コンステレーション図: シンボル点を平面上に配置した図。M の値に応じて点の配置があり、誤り特性を直感的に把握できる。
Gray符号化: Gray ラベリング。隣接するシンボルが1ビットだけ異なるようにビットを割り当てる設計手法。誤って隣接シンボルを受信したときのビット誤りを最小化する。
帯域効率: 帯域幅1Hzあたりの伝送ビットレートの指標。帯域幅Bに対して log2(M)/B ビット/秒/Hz。Mが大きいほど高い帯域効率を得られるが実装とノイズ耐性が影響。
EbN0: 比特エネルギーと雑音スペクトル密度の比。通信性能の指標として用い、BER や SER の推定に使われる。
BER: Bit Error Rate。受信ビットのうち誤って受信した割合を示す指標。
SER: Symbol Error Rate。受信シンボルの誤り割合を示す指標。
適応変調: チャネル条件に応じて M を動的に変更する変調方式。高品質の時は M を大きくし、弱いときは M を小さくすることで性能と安定性を両立する。
パイロット符号: 同期やチャネル推定のために送信される既知の信号。受信側はこれを用いて復調や補正を行う。
搬送波同期: 受信側で搬送波の周波数と位相を正しく合わせる処理。正しい復調に不可欠。
差分符号化: 差分を用いて情報を符号化する手法。DPSK などで使われ、長距離伝送や同期が難しい状況で有効。