FSK(Frequency-Shift Keying)とは？意味をわかりやすく簡単に解説

text: XEXEQ編集部

FSK(Frequency-Shift Keying)とは

FSK(Frequency-Shift Keying)とはデジタル信号を変調方式の一種であり、周波数偏移変調とも呼ばれています。FSKでは送信するデジタルデータの値に応じて、搬送波の周波数を変化させることで情報を伝送します。

FSKは主に低速のデータ通信で使用されており、構造が簡単で実装が容易という特徴があります。例えば、電話回線を使用したモデム通信や、無線通信の一部で採用されています。

FSKでは送信するデータが「1」の場合と「0」の場合で、異なる周波数の搬送波を使用します。受信側では受信した信号の周波数を検出することで、元のデジタルデータを復元することができます。

FSKには2値FSKと4値FSKの2種類があります。2値FSKでは2つの周波数を使用してデータを伝送しますが、4値FSKでは4つの周波数を使用することで、より高速なデータ伝送が可能となります。

FSKは他の変調方式と比較して伝送速度は遅いですが、信号の検出が容易で、雑音の影響を受けにくいという利点があります。このため、信頼性が重視される通信システムでは今でもFSKが使用されているのです。

FSKの変調方式と原理

FSKの変調方式と原理に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

FSKの変調方式における周波数の切り替え
FSKの変調回路の構成と働き
FSKの復調方式とデータの復元

FSKの変調方式における周波数の切り替え

FSKでは送信するデジタルデータの値に応じて、搬送波の周波数を切り替えます。具体的にはデータが「1」の場合はある周波数の搬送波を、「0」の場合は別の周波数の搬送波を使用して信号を送信するのです。

例えば、2値FSKの場合、データが「1」の時は1200Hz、「0」の時は2200Hzの搬送波を使用するといった具合です。送信側ではデータの値に応じて搬送波の周波数を高速に切り替えることで、情報を伝送していきます。

4値FSKの場合は4つの異なる周波数を使用します。各周波数は2ビットのデータに対応付けられており、これにより2値FSKと比べて伝送効率を向上させることができるのです。

FSKの変調回路の構成と働き

FSKの変調回路は搬送波の周波数を切り替えるための発振器と、データの値に応じて発振器の出力を切り替えるスイッチから構成されています。発振器は一定の周波数で正弦波を出力する回路です。

送信するデータが「1」の場合、スイッチは発振器Aの出力を選択します。一方、データが「0」の場合は発振器Bの出力を選択するのです。これにより、データの値に応じた周波数の搬送波が生成されます。

変調回路ではデータの値が変化するたびにスイッチが切り替わり、搬送波の周波数が変化します。この動作を高速に行うことで、デジタルデータを周波数変調された信号に変換することができるのです。

FSKの復調方式とデータの復元

受信側ではFSK信号の周波数を検出し、元のデジタルデータを復元します。復調回路には周波数弁別器と呼ばれる回路が使用されます。周波数弁別器は入力信号の周波数に応じて、出力電圧を変化させる働きを持っています。

受信したFSK信号が周波数弁別器に入力されると、信号の周波数に応じた電圧が出力されます。この出力電圧をしきい値と比較することで、元のデジタルデータが「1」なのか「0」なのかを判定するのです。

復調回路では周波数弁別器の出力をサンプリングし、その値に応じてデジタルデータを復元します。これにより、送信側で変調された信号から、元の情報を取り出すことが可能となります。

FSKの応用例と利用分野

FSKの応用例と利用分野に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

FSKを用いた低速データ通信
FSKによる無線通信システム
FSKのその他の応用例

FSKを用いた低速データ通信

FSKは低速のデータ通信に広く利用されています。代表的な例が、電話回線を使用したモデム通信です。モデムはコンピュータとアナログ電話回線を接続するための機器で、FSKを用いてデジタルデータを変調し、送受信を行います。

モデム通信では通常、2値FSKが使用されます。送信側のモデムはコンピュータから受け取ったデジタルデータをFSK信号に変換し、電話回線を通じて送信します。受信側のモデムはFSK信号を復調し、元のデジタルデータを復元してコンピュータに渡すのです。

FSKを用いたモデム通信は低速ではありますが、シンプルで信頼性の高い通信を実現することができます。また、電話回線のような既存のインフラを利用できるため、広く普及しているのが特徴です。

FSKによる無線通信システム

FSKは無線通信システムにも応用されています。例えば、RFIDやNFCなどの近距離無線通信技術ではFSKが使用されることがあります。これらのシステムではデータの読み取りや書き込みを行うために、FSK変調された信号が送受信されるのです。

また、アマチュア無線においても、FSKが使用されています。FSKはRTTY(Radio Teletype)と呼ばれる通信モードで利用されており、テキストデータの送受信に用いられます。アマチュア無線ではFSKの簡便性と信頼性が評価されているのです。

このように、FSKは有線・無線を問わず、様々な通信システムで活用されています。特に、低速かつ信頼性が重視される用途において、FSKは今でも重要な役割を果たしているといえるでしょう。

FSKのその他の応用例

FSKはデータ通信以外にも様々な分野で応用されています。例えば、音響機器ではFSKを用いた制御信号の伝送が行われることがあります。リモコンから送信される信号を、FSKを用いて変調し、機器側で復調することで、確実な制御を実現しているのです。

また、一部の産業用機器ではFSKを用いたデータ通信が利用されています。工場の生産ラインにおける機器間の通信や、計測機器とコンピュータ間のデータ伝送などに、FSKが採用されているケースがあります。堅牢性と信頼性が求められる環境下ではFSKの利点が活かされているのです。

さらに、教育の現場でも、FSKが活用されています。通信の原理を学ぶ際に、FSKを題材とすることがよくあります。FSKの仕組みを理解することはデジタル通信技術の基礎を学ぶ上で重要な意味を持つからです。

FSKの課題と今後の展望

FSKの課題と今後の展望に関して、以下3つを簡単に解説していきます。

FSKの伝送速度の限界と高速化への取り組み
FSKと他の変調方式との比較
FSKの今後の応用可能性

FSKの伝送速度の限界と高速化への取り組み

FSKの最大の課題は伝送速度の限界にあります。FSKでは周波数の切り替えに一定の時間を要するため、高速なデータ通信には適していません。この問題を解決するために、様々な取り組みが行われています。

一つの方法が、マルチ値FSKの採用です。2値FSKの代わりに、4値や8値のFSKを使用することで、より多くのデータを同時に伝送することができます。これにより、伝送効率を向上させ、通信速度を高めることが可能となるのです。

また、FSKと他の変調方式を組み合わせる試みも行われています。例えば、FSKとQAM(直交振幅変調)を組み合わせたQFSKという方式があります。QFSKでは周波数と振幅の両方を変調することで、伝送容量を増大させることができます。

FSKと他の変調方式との比較

FSKは他の変調方式と比べていくつかの特徴があります。まず、FSKは雑音の影響を受けにくく、信号の検出が容易であるという利点を持っています。この特性は信頼性が重視される通信システムにおいて、FSKが選択される理由の一つとなっています。

一方で、FSKはスペクトル効率が低いという欠点もあります。スペクトル効率とは与えられた周波数帯域幅で、どれだけのデータを伝送できるかを表す指標です。FSKは周波数の切り替えに一定の帯域幅を必要とするため、帯域幅の利用効率が悪くなってしまうのです。

他の変調方式、例えばPSK(位相偏移変調)やQAMはFSKと比べてスペクトル効率が高いという特徴があります。これらの方式では周波数だけでなく、位相や振幅も変調に利用するため、より多くのデータを伝送することができるのです。用途に応じて、適切な変調方式を選択することが重要といえるでしょう。

FSKの今後の応用可能性

FSKはシンプルで信頼性が高いという特長を持っています。この利点を活かし、今後も様々な分野での応用が期待されます。特に、IoTの普及に伴い、FSKの活躍の場が広がっていくことが予想されます。

IoTでは多数のセンサーやデバイスが相互に通信を行う必要があります。その際、信頼性と低消費電力が重要な要件となります。FSKはこれらの要件を満たす通信方式の一つであり、IoTにおけるデータ通信に適しているといえるでしょう。

また、FSKは宇宙通信への応用も期待されています。宇宙空間では電波環境が厳しく、信号の劣化が起こりやすいという問題があります。FSKは雑音の影響を受けにくいという特性を持っているため、宇宙通信において有効な選択肢の一つとなり得るのです。今後、FSKのさらなる発展と新たな応用分野の開拓が期待されます。