位相偏移変調（PSK）とは｜定義・仕組み・種類をわかりやすく解説

位相偏移変調（PSK）の定義・仕組み・種類を図解でわかりやすく解説。BPSK/QPSKなどの違いや無線通信での応用、利点と課題を初心者向けに紹介。

位相シフトキーイングは、情報を送信する方法です。これは、搬送波の位相を変調することによって行われます。このようなシステムでは、波の振幅は情報を伝えず、すべての情報は信号の位相に存在します。多くの場合、これにより、利用可能な帯域幅をより有効に利用することができます。

我々は波をくねくねとした線（正弦波のようなもの）として考えれば、1秒間に特定の回数だけくねくねしていて、我々はそれがくねくねのどの部分にあるかを変更することができます。それがくねくねの一番上にある場合、我々はすぐにくねくねの一番下にそれを変更する場合、これは位相シフトと呼ばれています。この変化を利用して情報を伝えることができます。

波がくねくねの頂点に到達するたびに変化させるか、変化させないかによって、1またはゼロのどちらかを送ることができます。これを二進位相シフト・キーイングと呼びます。波が頂点に達するたびに波の位相を変えれば、これは1を表し、頂点で変えなければ0を表すことができます。 コンピュータとラジオを使って、テキストをこのような波に変えて送信することができます。この波の変化を聞いているラジオやコンピュータは、送信されている元のメッセージを把握し、それをテキストに戻すことができます。

バイナリ位相シフトキーイングは、非常に効率的に電波を渡ってコンピュータデータを送信するために使用することができます。特定の無線LAN規格では、高いデータレートを得るために、直交周波数分割多重化と時々カップルになる位相シフトキーイングを使用しています。

基本的な仕組み

位相偏移変調（PSK: Phase Shift Keying）は、搬送波 s(t)=A cos(2πf_c t + φ) の位相 φ を離散的に切り替えて情報を伝えます。各位相は1つの「シンボル」を表し、シンボルごとに複数ビットを割り当てられます。受信側は搬送波の位相を復元して、どの位相が送られたかを判別し、元のビット列に戻します。

代表的な種類

• BPSK（二相PSK）：位相を0°または180°の2値に切り替える最も単純な方式。1シンボルあたり1ビット。雑音に対する耐性が比較的高く、位相復元が可能な系でよく使われます。
• QPSK（四相PSK）：位相を4値（例：45°, 135°, 225°, 315° など）にして、1シンボルで2ビットを送る方式。BPSKに比べてスペクトル効率が2倍になりますが、同じシンボルレートでより多くのビットを送れます。
• 8-PSK, 16-PSK などの高次PSK：位相の段数を増やして1シンボル当たりのビット数を増やす方式。符号化効率は向上しますが、位相差が小さくなるため雑音やフェージングに対する耐性は低下します。
• DPSK（微分PSK）：搬送波の絶対位相を復元する代わりに、隣接するシンボル間の位相差を比較して判定する方式。位相復元器（PLL）が難しい環境で有利ですが、性能はコヒーレント検出に比べ若干劣ります。

コンステレーションと符号化

PSKはコンステレーション図（複素平面上の位相点）で直感的に表現できます。シンボル間のビット割り当てにはGray符号を使うことが多く、隣接するシンボルが1ビットだけ異なるようにすることで、誤り時のビット損失を最小化します。

検出方法と実装上のポイント

• コヒーレント検出：受信側で搬送波の位相を正確に再生（位相同期）し、位相差を判定する方式。最高の性能が得られますが、位相同期回路（PLL）や高精度な復調器が必要です。
• 非コヒーレント／微分検出：位相復元を行わずに処理する方式。実装が簡単で位相揺らぎに強い反面、SNRあたりの性能はコヒーレント検出より劣ります。
• 実装要素としては、位相シフタやIQ変調器、ローカルオシレータ、シンボル同期回路、フィルタ（パルス整形）などが必要です。

性能とトレードオフ

一般に、同じ平均電力で比較すると BPSK と QPSK はAWGNチャネルにおいて同等のビット誤り率（BER）性能を示します。高次のM-PSKはスペクトル効率が高くなる反面、同じEb/N0での誤り率は増加します。設計では以下を考慮します：

• スペクトル効率：1シンボルで運べるビット数／シンボルレート。高次変調は効率が良い。
• 雑音耐性：同じ平均電力での誤り率。BPSKやQPSKは有利。
• 実装の複雑さ：高次変調やコヒーレント検出は回路設計・同期精度の要求が高い。

PSKとOFDMの組合せ

近年の多くの無線通信システムでは、直交周波数分割多重化（OFDM）とPSKやQAMを組み合わせて使います。OFDMは周波数選択性フェージングに強く、各サブキャリア上でQPSKや16-QAM, 64-QAMなどの変調を行うことで高いデータレートと頑健性を両立します。特に一部の無線LAN規格やLTE、5Gの一部モードでこの組合せが採用されています。

主な応用例

• 衛星通信や地上無線リンク（堅牢性が求められる場面でQPSKやBPSKが多用される）
• Wi‑Fi（OFDMの各サブキャリアでQPSKや高次変調を使用）
• セルラー通信（変調方式はチャネル状況に応じて動的に選択）
• データモデム、RFID、衛星放送など

利点と欠点（まとめ）

• 利点：スペクトル効率が高い（特に高次PSK）、実装が比較的単純（BPSK/QPSK）、OFDMと組合せると柔軟なレート制御が可能。
• 欠点：高次PSKは雑音や位相揺らぎに弱い、位相復元が必要な場合は同期回路の設計が難しい。

位相偏移変調は、用途やチャネル条件に応じて位相段数や検出方式を変更することで、スペクトル効率と信頼性のバランスを取ることができる柔軟な変調方式です。通信システムではしばしば誤り訂正符号、パルス整形、適応変調（Adaptive Modulation）と組み合わせて使われます。

質問と回答

Q:フェーズシフトキーイングとは何ですか?

Q:帯域幅を有効に活用するために、このシステムをどのように利用すればよいのでしょうか?

Q:「位相シフト」とはどういう意味ですか?

Q: バイナリーフェーズシフトキーイングは、電波を使ったコンピュータのデータ送信にどのように利用できるのですか?

Q:フェーズシフトキーイングを使用する無線LANの規格にはどのようなものがありますか?

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