パルス幅変調の数学的扱いは次のようになる[1]。簡単のため、入力信号として正弦波
の場合を考える。
ここで
は物理量を表す定数、
、
はそれぞれ角振動数、時間である。
また、変調されていないときのパルス波は、周期
ごとに幅
(ただし
)の
パルスを出力するものと仮定する。
このとき、パルス幅変調された信号
は、周期
ごとに幅
のパルスが出力されるように変調される。
は変調度で、
でなければならないので
を満足しなければならない。

ここで、
はヘヴィサイドの階段関数、
は次元を持ったなんらかの定数である。
ヘヴィサイドの階段関数のフーリエ変換表示

や公式

を用い(ただし、
はディラックのデルタ関数)
[2]、
適時積分と和の入れ替えを行うと、
は


と書ける。
ここで、
が時間の並進
に対して
不変であることを用いると[3]、
をもう少しきれいに書き直すことができて、

である。最後の項
に
を代入すると、
これはFM変調の式であることがわかる。
であるから、
ローパスフィルタで
を除去できれば、
分シフトされて
元の信号が復調される。