光通信の変調方式とは？QPSK・QAMの違いとOSNRとの関係を解説
コヒーレント通信では、変調方式によって伝送容量や通信品質が大きく変わります。
特にQPSKやQAMといった多値変調は、現代の光伝送において重要な役割を担っています。
この記事では、変調方式の基本から、シンボルの意味、QPSK・QAMの違い、OSNRとの関係までを整理します。
変調方式とは
変調方式とは、データを光信号に変換する方法のことです。
コヒーレント通信では、振幅と位相を組み合わせて情報を表現する多値変調が用いられます。
シンボルとは
変調方式を理解するうえで、まず押さえておきたいのがシンボルという考え方です。
シンボルとは、通信で一度に表現する信号状態の単位です。ビットが0や1といったデータそのものを表すのに対し、シンボルはそれらのビットを実際の信号の状態として表現したものと考えると分かりやすくなります。
例えば、1ビットずつしか表現できない方式では、1シンボルで表せる情報量は1ビットです。一方で、4通りの状態を使える方式では、1シンボルで2ビット分の情報を表現できます。
これは、4通りの状態があれば以下のように対応付けできるためです。
- 00
- 01
- 10
- 11
つまり、シンボルあたりに表現できる状態数が多いほど、一度に多くの情報を送ることができます。
ビットとシンボルの違い
ビットは情報そのものの最小単位であり、通常は0または1で表されます。
一方でシンボルは、そのビット列を実際にどのような信号状態で送るかを表します。
例えば、4つの状態を持つ変調方式では、1シンボルで2ビットを送ることができます。16個の状態を持つ変調方式なら、1シンボルで4ビットを送ることができます。
一般的には、状態数をMとすると、1シンボルあたりのビット数は log2(M) で表されます。
- 4状態 → 2ビット/シンボル
- 16状態 → 4ビット/シンボル
- 64状態 → 6ビット/シンボル
なぜシンボルが重要なのか
光通信では、同じシンボルレートでも、1シンボルあたりに多くのビットを載せられれば、より大きな伝送容量を実現できます。
つまり、シンボルあたりの情報量を増やすことが、高速化や高効率化につながります。
ただし、シンボルの状態数を増やすほど、各状態の差が小さくなるため、ノイズや歪みの影響を受けやすくなります。
このため、変調方式は「高効率」と「耐性」のトレードオフで選ばれます。
QPSKとは
QPSK（Quadrature Phase Shift Keying）は、位相を4段階に変化させることで情報を伝送する方式です。
4つの異なる状態を使うため、1シンボルあたり2ビットを表現できます。
- 4状態
- 1シンボルあたり2ビット
- 耐ノイズ性が高い
- 長距離伝送に適している
比較的シンプルで耐性が高いため、長距離系や厳しい光条件のリンクで使われやすい方式です。
QAMとは
QAM（Quadrature Amplitude Modulation）は、振幅と位相を組み合わせて情報を表現する変調方式です。
QPSKよりも多くの状態を使えるため、1シンボルあたりの情報量を増やせます。
- 16QAM：16状態 → 4ビット/シンボル
- 64QAM：64状態 → 6ビット/シンボル
多くの情報を送れる一方で、各状態の間隔が狭くなるため、ノイズや歪みに対する耐性は低下します。
QPSKとQAMの違い
QPSKとQAMの違いは、主に「1シンボルあたりに載せられる情報量」と「ノイズへの強さ」にあります。
- QPSK：低容量・高耐性
- QAM：高容量・低耐性
このトレードオフにより、用途に応じて使い分けられます。
OSNRとの関係
変調方式によって必要なOSNRは大きく異なります。
- QPSK：低OSNRでも動作しやすい
- 16QAM：より高いOSNRが必要
高次の変調方式ほど状態間の差が小さいため、ノイズの影響を受けやすくなります。
そのため、リンク設計ではOSNRと変調方式をセットで考える必要があります。
OSNRについては以下の記事で解説しています。
非線形効果との関係
高次の変調方式ほど非線形効果の影響を受けやすくなります。
そのため、パワー設計やチャネル設計が重要になります。
非線形効果については以下の記事で解説しています。
コヒーレント通信との関係
QPSKやQAMは、コヒーレント通信によって実現される代表的な変調方式です。
コヒーレント通信については以下の記事で解説しています。
現場での考え方
距離と変調方式
長距離ではQPSK、短距離や高容量重視ではQAMといった使い分けが一般的です。
OSNRマージン
高次変調では必要OSNRが高くなるため、十分なマージンを確保する必要があります。
柔軟な制御
最近では、リンク条件に応じて変調方式を切り替える柔軟な運用も行われています。
まとめ
変調方式は、光通信の性能を左右する重要な要素です。
シンボルとは、ビット列を実際の信号状態として表したものであり、1シンボルあたりにどれだけの情報を載せられるかが伝送効率を決めます。
QPSKは耐性が高く、QAMは高効率ですが条件が厳しくなります。OSNRや非線形効果とあわせて理解することで、より実践的な光伝送設計が可能になります。
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