多重周波数シフトキーイング

多重周波数シフトキーイング（MFSK ）は、周波数シフトキーイング（FSK）のバリエーションで、2つ以上の周波数を使用します。MFSKはM値直交変調の一種で、各シンボルは直交波形のアルファベットの1つの要素で構成されます。アルファベットのサイズであるMは通常2の累乗で、各シンボルはlog ₂ Mビットを表します。

• Mは通常4から64の間です
• エラー訂正も一般的に使用される

MFSK のような M 進信号システムでは、M トーンの「アルファベット」が確立され、送信機はアルファベットから一度に 1 つのトーンを選択して送信します。M は通常 2 の累乗であるため、アルファベットからの各トーン送信は log ₂ M データ ビットを表します。

MFSK は、受信機の M 個のトーン検出フィルタのそれぞれが自身のトーンにのみ応答し、他のトーンにはまったく応答しないため、M進直交信号方式として分類されます。この独立性により直交性が実現されます。

他の M 進直交方式と同様に、 マルチシンボル コヒーレント検出を必要とせずに、M が増加すると、所定のエラー確率に必要な E b _/ N ₀比は減少します。実際、M が無限大に近づくと、必要な E _b /N _0比はシャノン限界の -1.6 dBまで漸近的に減少します。ただし、この減少は M の増加とともに緩やかであり、必要な帯域幅が指数関数的に増加するため、大きな値は実用的ではありません。実際の一般的な値は 4 ～ 64 の範囲で、MFSK は別の前方誤り訂正方式と組み合わせて、追加の (体系的な) コーディング ゲインを提供します。  

MFSK変調方式のスペクトル効率は変調次数Mの増加とともに低下する：^[1]

${\displaystyle \rho ={\frac {2\log _{2}M}{M}}}$

位相または周波数のみが変化する単一の RF トーンを送信する他の形式の角度変調と同様に、MFSK は一定のエンベロープを生成します。これにより、RF パワー アンプの設計が大幅に緩和され、線形アンプよりも高い変換効率を実現できます。

2 つの MFSK システムを組み合わせてリンクのスループットを向上させることができます。おそらく最も広く使用されている 2 トーン MFSK システムは、AT&T の商標「タッチ トーン」でよく知られているデュアルトーン マルチ周波数(DTMF) です。もう 1 つは、20 世紀に電話交換機間のトランクの帯域内信号伝送に使用されたマルチ周波数(MF) 方式です。どちらも帯域内信号伝送方式の例であり、ユーザーの通信チャネルを共有します。

DTMF および MF アルファベットのシンボルはトーン ペアとして送信されます。DTMF は「高」グループから 1 つのトーンを選択し、「低」グループから 1 つのトーンを選択しますが、MF は共通セットから 2 つのトーンを選択します。DTMF と MF は主にエンド ユーザーが局間シグナリングに干渉しないようにするために、異なるトーン周波数を使用します。1970 年代に、MF はデジタル帯域外シグナリングに置き換えられ始めました。この変換は、電話フリークと呼ばれるエンド ユーザーによる MF 信号の不正使用が広まったことが一因です。

これらの信号は、聴覚的に受信されると、ほぼ音楽的な品質を持つ音のペアの素早い連続として特徴づけられます。^[2]

2 つのトーンを直接 RF で同時に送信すると、シングル トーン システムの定エンベロープ特性が失われます。2 つの同時 RF トーンは、実際には直線性と相互変調歪みを測定するための RF パワー アンプの典型的な「ストレス テスト」です。ただし、2 つのオーディオ トーンは、従来の定エンベロープFM RF キャリアで同時に送信できますが、受信機での FM 信号の非コヒーレント検出によって、マルチトーン方式が持つ可能性のある信号対雑音比の利点が失われます。

高周波帯域でのスカイウェーブ伝播は、一般的に時間と周波数の両方に応じて変化するランダムな歪みをもたらします。これらの障害を理解することで、MFSK が HF で非常に効果的で人気のある技術である理由が理解できます。

送信機から受信機への複数の別々のパスが存在する場合、マルチパスと呼ばれる状態になりますが、それらのパスの長さがまったく同じになることはほとんどなく、したがって伝搬遅延が同じになることはほとんどありません。小さな遅延差、つまり遅延拡散により、隣接する変調シンボルがぼやけ、不要なシンボル間干渉が発生します。

遅延拡散は、周波数領域におけるコヒーレンス帯域幅に反比例します。これは、チャネル ゲインが比較的一定である周波数範囲です。これは、遅延が異なる 2 つ以上のパスを合計すると、個々のパスの周波数応答が平坦であっても、 くし形フィルタが作成されるためです。

フェーディングとは、時間とともにパス ゲインが (通常はランダムで望ましくない) 変化することです。最大フェーディング レートは、チャネルの物理的特性 (電離層で自由電子が形成され再結合する速度や、電離層内の荷電粒子雲の速度など) によって制限されます。チャネル ゲインが著しく変化しない最大間隔は、コヒーレンス時間です。

フェーディング チャネルは、信号に不要なランダム振幅変調を効果的に適用します。意図的な AM の帯域幅が変調速度とともに増加するのと同様に、フェーディングは信号をフェーディング速度とともに増加する周波数範囲に拡散します。これがドップラー拡散であり、コヒーレンス時間の周波数領域対応です。コヒーレンス時間が短いほど、ドップラー拡散は大きくなり、逆もまた同様です。

適切なパラメータ選択により、MFSK は、特に前方誤り訂正で補強された場合、大きなドップラー拡散または遅延拡散を許容できます。(大量のドップラー拡散および遅延拡散を軽減するのはかなり困難ですが、それでも可能です)。ドップラー拡散がほとんどない長い遅延拡散は、比較的長い MFSK シンボル期間で軽減でき、チャネルが各新しいシンボルの開始時にすばやく「安定」できるようにします。長いシンボルは、与えられた送信電力に対して短いシンボルよりも多くのエネルギーを含むため、検出器は十分に高い信号対雑音比(SNR) をより簡単に達成できます。結果として生じるスループットの低下は、各シンボルが複数のデータ ビットを表すように大きなトーン セットで部分的に補償できます。長いシンボル間隔により、これらのトーンを周波数内でより密に詰め込みながら直交性を維持できます。これは、データ ビット/シンボルの数とともにトーン セット サイズが指数関数的に増加するため制限されます。

逆に、ドップラー拡散が大きく、遅延拡散が小さい場合、シンボル周期を短くするとコヒーレントトーン検出が可能になる可能性があり、直交性を維持するためにトーンの間隔を広げる必要があります。

最も難しいケースは、遅延とドップラー拡散が両方とも大きい場合、つまりコヒーレンス帯域幅とコヒーレンス時間が両方とも小さい場合です。これは、 HF よりもオーロラチャネルとEMEチャネルでより一般的ですが、発生する可能性があります。コヒーレンス時間が短いと、シンボル時間、より正確には、受信機での最大コヒーレント検出間隔が制限されます。シンボル エネルギーが小さすぎてシンボルごとの検出 SNR が適切でない場合は、コヒーレンス時間よりも長いシンボルを送信し、送信されたシンボルに一致するものよりもはるかに広いフィルターを使用して検出するという代替手段があります (フィルターは、受信機で予想されるトーン スペクトルに一致させる必要があります)。これにより、ドップラー拡散にもかかわらず、シンボル エネルギーの大部分がキャプチャされますが、必然的に非効率的になります。より広いトーン間隔、つまりより広いチャネルも必要です。この場合、前方誤り訂正が特に役立ちます。

HF にはさまざまな条件が存在するため、HF 向けにさまざまな MFSK 方式 (一部は実験的なもの) が開発されています。その一部を以下に示します。

• MFSK8
• MFSK16
• オリビア・MFSK
• コクレ
• ピッコロ
• ALE (MIL-STD 188-141)
• ドミノF
• ドミノEX
• 鼓動
• CIS-36 MFSK または CROWD-36
• XPA、XPA2

ピッコロは、外務省の一部門である外交無線通信局 (DWS)のハロルド・ロビン、ドナルド・ベイリー、デニス・ラルフスが英国政府の通信用に開発したオリジナルの MFSK モードです。1962 年に初めて使用され^{[3] 、1963 年に}IEEに提出されました。現在の仕様である「ピッコロ マーク IV」は、1990 年代後半まで、主にポイントツーポイントの軍事無線通信に英国政府によって限定的に使用されていました。^{[4] [5]}

コクレはフランス政府が同様の用途のために開発した同様の変調システムである。^[3]

MFSK8 と MFSK16 は、HF でのアマチュア無線通信用に、Murray Greenman、ZL1BPU によって開発されました。Olivia MFSK もアマチュア無線モードです。Greenman は、上位 MF 周波数と下位 HF 周波数 (1.8～7.3 MHz) でのNVIS無線通信用に DominoF と DominoEX も開発しました。

自動リンク確立（ALE）は、米国軍によって開発されたプロトコルであり、主に無線間の自動信号システムとして使用されています。これは、世界中の軍隊や政府の通信、およびアマチュア無線家に広く使用されています。^{[6] [説明が必要]}これは、MIL-STD -188-141Aの旧バージョンであるMIL-STD-188-141B ^[7]として標準化されています。

「CIS-36 MFSK」または「CROWD-36」（ロシア語：Сердолик）は、旧ソ連で軍事通信用に開発されたピッコロに似たシステムの西側の呼称です。^{[8] [9] [10]}

「XPA」と「XPA2」は、ロシアの諜報機関と外務省の局から発信されたとされる、ポリトニック送信用のENIGMA-2000 ^{[11]の名称です。 [12] [13]}最近、このシステムは「MFSK-20」とも呼ばれています。

VHF、UHF通信 に使用されるMFSKモード:

• DTMF
• FSK441 型番
• JT6M
• JT65
• PI4

FSK441、JT6M、JT65 は、ジョー・テイラー (K1JT ) が限界伝搬条件下での長距離アマチュア無線 VHF 通信用に開発したWSJTファミリーまたは無線変調システムの一部です。これらの特殊な MFSK 変調システムは、対流散乱、EME (地球-月-地球)、および気象散乱の無線経路で使用されます。

PI4 ^[14]は、VUSHFビーコンと伝播研究のために特別に設計されたデジタルモードです。このモードは、世界最古のアマチュアビーコンであるOZ7IGYが使用している次世代ビーコンプロジェクトの一環として開発されました。PI4のデコーダーは、Poul-Erik Hansen、OZ1CKGが開発したPI-RXプログラムで利用できます。

DTMF は当初、電話回線信号用に開発されました。VHF および UHF 音声チャネルを介したテレコマンド (リモート コントロール) アプリケーションによく使用されます。

• ＰＳＫ３１
• 無線テレタイプ
• 周波数ホッピング拡散スペクトルでも多くの異なる周波数が使用されますが、各シンボルは 1 つの周波数のみを使用します。
• DTMF
• オリビア・MFSK
• ALE (MIL-STD 188-141)
• WSJT
• 増分周波数キーイング