周波数シフトキーイング

周波数シフトキーイング（FSK）は、搬送波の周波数をいくつかの離散周波数間で周期的にシフトすることにより、デジタル情報が搬送波信号にエンコードされる周波数変調方式です。 ^[1] この技術は、テレメトリ、気象気球のラジオゾンデ、発信者ID、ガレージドアオープナー、VLFおよびELF帯域の低周波無線伝送などの通信システムに使用されます。最も単純なFSKはバイナリFSK（BFSK 、一般に2FSKまたは2-FSKとも呼ばれます）で、搬送波が2つの離散周波数間でシフトされ、バイナリ（0と1）情報が送信されます。^[2]

FSKモデムのリファレンス実装が存在し、詳細に文書化されています。^[3]バイナリFSK信号の復調は、低電力マイクロコントローラでもGoertzelアルゴリズムを使用して非常に効率的に実行できます。 ^[4]

原理的には、FSK は完全に独立した自走発振器を使用し、各シンボル期間の開始時に発振器を切り替えることで実装できます。一般に、独立した発振器は切り替えの瞬間に同じ位相、つまり同じ振幅にはならないため、送信信号に突然の不連続が生じます。

実際には、多くの FSK 送信機は単一の発振器のみを使用し、各シンボル期間の開始時に異なる周波数に切り替えるプロセスによって位相が維持されます。位相の不連続性が除去される (したがって、振幅の突然の変化が除去される) と、サイドバンド電力が低減され、隣接するチャネルとの干渉が軽減されます。

ガウス周波数シフトキーイング（GFSK ）は、デジタルデータシンボルで周波数を直接変調するのではなく、各シンボル期間の初めに周波数を「瞬時に」変更し、データパルスをガウスフィルターでフィルタリングして遷移をスムーズにします。このフィルターの利点は、サイドバンド電力を削減し、隣接チャネルとの干渉を軽減できることですが、シンボル間干渉が増加するという欠点があります。これは、Improved Layer 2 Protocol、DECT、Bluetooth、^[5] Cypress WirelessUSB、Nordic Semiconductor、^[6] Texas Instruments、^[7] IEEE 802.15.4、Z-Wave 、およびWavenisデバイスで使用されています。Bluetoothの基本データレートの場合、最小偏差は115 kHzです。

GFSK 変調器は、ベースバンド波形 (レベル -1 および +1) が FSK 変調器に入る前に、遷移を滑らかにしてスペクトル幅を制限するためにガウス フィルターを通過するという点で、単純な周波数シフト キーイング変調器とは異なります。ガウス フィルタリングは、スペクトル幅を減らす標準的な方法であり、このアプリケーションではパルス シェーピングと呼ばれます。

通常のフィルタリングされていないFSKでは、-1から+1または+1から-1へのジャンプで、変調波形が急激に変化し、大きな帯域外スペクトルが発生します。パルスが-1から+1に-1、-0.98、-0.93、...、+0.93、+0.98、+1と変化し、このより滑らかなパルスを使用して搬送周波数を決定すると、帯域外スペクトルは減少します。^[8]

最小周波数偏移変調または最小シフト変調 (MSK) は、コヒーレント FSK の特にスペクトル効率に優れた形式です。MSK では、高周波数と低周波数の差はビット レートの半分と同じです。その結果、0 ビットと 1 ビットを表す波形は、搬送波周期のちょうど半分だけ異なります。最大周波数偏差は δ = 0.25  f _mです。ここで、f _{m は}最大変調周波数です。その結果、変調指数mは 0.5 になります。これは、0 と 1 の波形が直交するように選択できる最小の FSK変調指数です。

GSM携帯電話規格では、ガウス最小シフト キーイング ( GMSK )と呼ばれる MSK の変形が使用されています。

オーディオ周波数シフトキーイング(AFSK) は、デジタルデータをオーディオトーンの周波数(ピッチ)の変化で表し、ラジオや電話での送信に適したエンコードされた信号を生成する変調技術です。通常、送信されるオーディオは 2 つのトーンを交互に繰り返します。1 つは「マーク」で、バイナリ1 を表します。もう 1 つは「スペース」で、バイナリ 0 を表します。

AFSK は、ベースバンド周波数で変調を実行する点で、通常の周波数シフト キーイングとは異なります。無線アプリケーションでは、AFSK 変調信号は通常、送信用のRF キャリア( AMやFMなどの従来の技術を使用) を変調するために使用されます。

AFSKは、他のほとんどの変調モードに比べて電力と帯域幅の両方の効率がはるかに低いため、高速データ通信に常に使用されるわけではありません。^[9] ただし、AFSKは単純であるだけでなく、エンコードされた信号がAC結合リンクを通過できるという利点があり、音楽や音声を伝送するために設計されたほとんどの機器で使用できます。

AFSK は、米国の緊急警報システムで使用され、警報のテキストを実際に聞かなくても、緊急事態の種類、影響を受ける場所、発令時刻を放送局に通知します。

プロジェクト25システムのフェーズ1無線機は4レベル周波数シフトキーイング（4FSK）を使用します。^{[10] [11]}

1200ボーAFSK信号

1200 ボーの AFSK 変調信号の例を聞いてみましょう。

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1910年、レジナルド・フェッセンデンはモールス信号を送信するための2音方式を発明した。短点と長点が同じ長さの異なる音に置き換えられた。^[12] その目的は送信時間を最小限に抑えることでした。

初期の連続波（CW）送信機の中には、キー操作が不便なアークコンバーターを採用していたものもあった。アークをオン/オフする代わりに、キー操作で送信機の周波数をわずかに変化させるという、補償波方式と呼ばれる技術を採用していた。^[13]補償波は受信機では使用されなかった。この方式に使用されていたスパーク送信機は、多くの帯域幅を消費し、干渉を引き起こしたため、1921年までに推奨されなくなった。^[14]

初期の電話回線モデムのほとんどは、音声周波数偏移変調（AFSK）を使用して、最大約1200ビット/秒の速度でデータを送受信しました。ベル103モデムとベル202モデムはこの技術を使用しました。^[15]今日でも、北米の発信者番号通知は、ベル202標準の形式で1200ボーAFSKを使用しています。初期のマイクロコンピュータの中には、オーディオカセットにデータを保存するために、カンザスシティ標準という特定の形式のAFSK変調を使用していたものもありました。^[16] AFSKは、変更されていない音声帯域機器を介してデータを送信できるため、 アマチュア無線で今でも広く使用されています。

AFSKは、米国の緊急警報システムでも警告情報を送信するために使用されています。^{[引用が必要]}米国の NOAAのWeatherradioで使用されるWeathercopyでは、より高いビットレートで使用されています。

カナダの オンタリオ州オタワにあるCHU短波ラジオ局は、AFSK変調を使用してエンコードされた独自のデジタル時刻信号を放送しています。^{[引用が必要]}

周波数シフト キーイング (FSK) は、電話回線での発信者 ID (発信者の番号の表示) やリモート メータリングアプリケーションでよく使用されます。このテクノロジにはいくつかのバリエーションがあります。

ヨーロッパの一部の国では、欧州電気通信標準化機構(ETSI) 規格 200 778-1 および -2 (300 778-1 および -2 に代わる) により、3 つの物理トランスポート層 ( Telcordia Technologies (旧 Bellcore)、British Telecom (BT)、Cable Communications Association (CCA)) と、2 つのデータ形式( Multiple Data Message Format (MDMF) およびSingle Data Message Format (SDMF))、さらにDual-tone multi-freq (DTMF) システムと、メーター読み取りなどのための無音モードが組み合わされています。これは、単一の「標準」を定義しようとする試みというよりも、さまざまなタイプが存在することを認識するものです。

Telcordia Technologies (旧 Bellcore) 規格は、米国、カナダ (下記参照)、オーストラリア、中国、香港、シンガポールで使用されています。最初の呼び出し音の後にデータを送信し、1200ビット/秒の Bell 202トーン変調を使用します。データは、日付、時刻、番号を含む SDMF 形式、または NAME フィールドを追加する MDMF 形式で送信できます。

英国のブリティッシュテレコム(BT)は、ライン反転でディスプレイを起動し、MDMF に似た形式のCCITT v.23 モデムトーンとしてデータを送信する独自​​の標準を開発しました。これは BT、故Ionicaなどのワイヤレスネットワーク、および一部のケーブル会社で使用されています。詳細は、BT サプライヤー情報ノート (SIN) 227 Archived 2014-07-26 at the Wayback Machine (link broken 28/7/21) および 242 Archived 2014-07-26 at the Wayback Machine (link broken 28/7/21) に記載されています。また、 EXAR の Web サイトにある Designing Caller Identification Delivery Using XR-2211 for BT Archived 2016-03-06 at the Wayback Machineも役立つドキュメントです。

英国のケーブル通信協会 (CCA) は、ベル 202またはV.23トーンとして、短い最初の呼び出し音の後に情報を送信する独自​​の標準を開発しました。BT 標準に対応できない一部の「ストリート ボックス」(マルチプレクサ) を変更するのではなく、新しい標準を開発しました。英国のケーブル業界ではさまざまなスイッチを使用しています。ほとんどはNortel DMS-100 ですが、System X、System Y、Nokia DX220 もあります。これらのスイッチの一部は、CCA 標準ではなく BT 標準を使用していることに注意してください。データ フォーマットは BT 標準に似ていますが、トランスポート層は Telcordia Technologies に似ているため、北米やヨーロッパの機器で検出される可能性が高くなります。

• 振幅シフトキーイング（ASK）
• 連続位相周波数シフトキーイング（CPFSK）
• デュアルトーンマルチ周波数（DTMF）、オーディオ周波数のペアでデータを表す別のエンコード技術
• 周波数変化シグナリング
• 多重周波数シフトキーイング（MFSK）
• 直交周波数分割多重方式(OFDM)
• 位相シフトキーイング（PSK）
• 連邦規格 1037C
• ミリタリースタンダード188
• 拡散周波数シフトキーイング（S-FSK）

• 標準局（1922年）、無線通信の原理（第2版）、米国陸軍通信隊、ISBN 9781440078590無線通信パンフレット第40号1921年4月24日に改訂されました。
• リトル、DG（1921年4月）、「連続波無線通信」、エレクトリックジャーナル、18：124-129
• モース、AH（1925）、ラジオ：ビーム・アンド・ブロードキャスト、ロンドン：アーネスト・ベン・リミテッド

• dFSK: 高密度センサーネットワークにおける分散周波数シフトキーイング変調
• M Nasseri、J Kim、M Alam - Proceedings of the 17th Communications & Networking、2014、モバイル チャネル向けサンプリング ベース ターボ符号化非コヒーレント MFSK の統一メトリック計算
• J Kim、P Raorane、M Nasseri、M Alam - 第 46 回シミュレーションシンポジウムの議事録、2013 年、画像データ伝送のためのサンプリングベースのターボ符号化 NCQFSK のパフォーマンス分析