パルス振幅変調

パルス振幅変調（PAM）とは

パルス振幅変調（PAM: Pulse Amplitude Modulation）は、パルス変調の一種で、情報（データ）を連続するパルス信号の振幅の変化として表現する変調方式です。送信側では、伝えたい情報をパルスの振幅の大きさに変換し、受信側では、各パルスの振幅レベルを読み取ることで元の情報を取り出します。この技術は、アナログ信号とデジタル信号の両方を扱うことができ、様々な通信システムや電子機器で利用されています。

PAMの基本原理

PAMの基本的な動作は以下の通りです。

1. 変調: 送信する情報をパルス信号の振幅に変換します。情報の値が大きいほどパルスの振幅も大きくなり、情報の値が小さいほど振幅は小さくなります。
2. 送信: 変調されたパルス信号を伝送路を通して送信します。
3. 受信: 受信側では、各パルスの振幅を測定します。
4. 復調: 測定した振幅値から、元の情報を取り出します。

PAMの種類

PAMは、変調する信号の種類によって、大きく以下の2つに分類できます。

アナログPAM

アナログPAMは、アナログ信号をパルス波形としてデジタル化する際に用いられます。この方式では、パルスの包絡線が元の波形を再現します。しかし、アナログ信号を直接PAMで伝送するケースは少なく、多くの場合、より効率的なパルス符号変調（PCM）やパルス位置変調（PPM）が利用されます。

デジタルPAM

デジタルPAMは、デジタル信号をパルス信号に変換する際に用いられます。複数のデジタル信号を1つのパルスで表現することで、伝送する信号の数を減らすことができます。デジタルPAMでは、振幅レベルの数によって送信できるデータ量が変わります。例えば、2ビットのデータを送る場合、4つの振幅レベル（例：-3V、-1V、1V、3V）を用いることができ、これを4-PAMまたはPAM4と呼びます。同様に、16個の振幅レベルを用いる場合は16-PAMとなります。

極性による分類

特に電気信号を利用したPAMでは、振幅の極性によってさらに以下の2つに分類できます。

単極PAM: パルスが常に正の電圧を持つ方式です。
双極PAM: パルスが正と負の両方の電圧を持つ方式です。

PAMの応用例

PAMは、様々な分野で広く利用されています。以下に、代表的な応用例を挙げます。

デジタルPAMの応用

イーサネット: 近年の高速イーサネット規格では、デジタルPAMが広く利用されています。例えば、100BASE-T4では3-PAM、100BASE-T2では5-PAM、1000BASE-Tでは5-PAM、10GBASE-Tでは16-PAMが使用されています。これらの規格では、ツイストペアケーブルを通じてデータを高速に伝送するために、PAMの多値化による伝送効率の向上が不可欠です。
100BASE-T4: 4ペアのツイストペアケーブルを使用し、各ペアで3-PAMを25メガパルス/秒で送信することで100Mbpsの半二重通信を実現しています。
100BASE-T2: 2ペアのツイストペアケーブルを使用し、各ペアで5-PAMを25メガパルス/秒で送信することで100Mbpsの全二重通信を実現しています。
1000BASE-T: 4ペアのツイストペアケーブルを使用し、各ペアで5-PAMを125メガパルス/秒で送信することで1Gbpsの通信を実現しています。
10GBASE-T: 4ペアのツイストペアケーブルを使用し、各ペアで16-PAMを800メガパルス/秒で送信することで10Gbpsの通信を実現しています。この規格では、DSQ128符号化やトムリソン-原島プリコーディングといった技術も用いられ、より効率的な伝送を実現しています。
50GBASE-Rや100GBASE-DRなど、光ファイバを使用した高速通信でも、4-PAMが用いられています。これらの規格では、高速伝送のために前方誤り訂正技術が組み込まれています。

アナログPAMの応用

* インバータ制御: PAMは、インバータ制御にも利用されています。特に、家電製品のモーター制御においては、PAM制御により効率的な電力制御が可能になります。例えば、日立製作所は、冷蔵庫、洗濯機、エアコンなどの家電製品にPAM制御を採用し、その省エネ性能をアピールしていました。

まとめ

パルス振幅変調（PAM）は、情報をパルス信号の振幅変化として表現する変調方式であり、アナログとデジタルの両方の信号を扱うことができます。イーサネットのような高速通信から、家電製品のモーター制御まで、幅広い分野で活用されています。PAM技術の発展は、より高速で効率的なデータ伝送と、より省エネルギーな電子機器の実現に不可欠です。

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