はじめに

Angel-softwareの神山紫音です。このたびは、PSKデジタル音声通信のビット誤り率向上に関する研究プロジェクトへのご関心をいただき、ありがとうございます。私たちは、背景ノイズの影響に応じた最適化モデルの開発を通じて、より堅牢な無線通信技術を実現したいと考えています。

プロジェクトが始まったきっかけ

自分の手で、電波の仕組みをつくりたい。

私がデジタル無線通信に興味を持ったきっかけは、マイコンを使って、自分の手で通信の仕組みをつくってみたいと思ったことでした。

最初に取り組んだのは、ESP32を使ったFSK通信です。データを周波数の変化に変換し、それを信号として送る。普段何気なく使っている無線通信も、ひとつひとつの仕組みを理解して組み立てていけば、自分でも実現できるのではないか。そんな好奇心から始まった取り組みでした。

その後、関東アマチュア無線大学ミーティングに参加し、同じように無線通信に取り組む人たちの活動に触れました。FSKをはじめとするさまざまな通信方式に挑戦している人たちを見て、自分も次の段階へ進みたいと思うようになりました。

「次は、自分の手でPSKをやってみたい。」

FSKでは周波数の変化によって情報を伝えます。一方、PSKでは波の位相を利用します。さらに、IQ信号を扱い、信号処理や同期、復調の仕組みまで理解できれば、これまでとは違った方法で無線通信を実現できるはずです。

そこで興味を持ったのが、GNU RadioとADALM-PLUTOです。下の写真の中のPCの付近に有るのがそれです。

GNU Radioを使えば、信号の生成から変調、通信路を通った信号の解析、復調までを、自分でブロックを組み合わせながら実験できます。ADALM-PLUTOを組み合わせれば、ソフトウェア上で生成したIQ信号を、実際の無線信号として送受信することにも挑戦できます。

私がやりたいのは、既製の通信機能をただ動かすことではありません。信号がどのようにつくられ、通信路を通ることで何が起き、受信側では何を手掛かりに元の情報を取り出すのか。その一連の過程を、自分で組み立て、観察し、理解したいのです。

まずはFSKとPSKの比較から始め、ノイズや周波数偏差が通信に与える影響、同期や復調の仕組みなどを調べていきたいと考えています。そして将来的には、自分で設計した変調方式や信号処理を実際の無線環境で試し、デジタル音声通信などにも応用していきたいと思っています。

もちろん、機材を購入すればすぐに実現できるわけではありません。信号処理の知識を身につけ、ソフトウェアを扱い、実験を繰り返しながら、少しずつ理解を深めていく必要があります。

今回の挑戦は、そのための第一歩です。

頭の中で理解するだけではなく、自分でつくった信号を実際に電波として送り、相手側で受信できるところまで確かめたい。

その好奇心を出発点に、無線通信と信号処理について学び続け、実験から得られた知見を今後の研究や創作につなげていきたいと考えています。

この挑戦を続けるために、機材や実験環境を整えるところから、皆さんに応援していただけたら嬉しいです。

アマチュア無線の課題と私たちの使命

アマチュア無線の愛好家や学生の中には、自作や技術検証に挑戦したいと考える人たちがいます。しかし、PSK通信の理論から実装まで、日本語でまとまった学習環境はほとんど存在しません。位相制御やFPGA、RFモジュールの制御はディスクリートで自作するとなると極めて難しく、先行研究や実装ガイドも海外の事例に限定されているのが現状です。その中でも私たちはできる限り先行研究を見ながら役に立つ実践的研究に励みたいと思っています。

現在 我々の手元のパソコンで GNURadioを使うことによりBPSK,QPSK信号の生成には至っています。ところで我々が実現したいものを考えるに差し当たっては工学的アプローチ つまりそれを具体的に自然界の中で扱った時、ノイズにどのような埋もれをするのか、それに際した ボコーダーの選定、

また 

第1の実験ではボコーダーを変えることだけでまず通信路でのビット誤り率を向上させることはできないであろうか、

第2の実験では冗長ビットと呼ばれる 優先順位の高いデータに覆いをかぶせることによって情報を保護してデータを伝えることができるという技術があります。その技術は 優先順位の高いデータを守れる反面情報伝送の際にタイムラグが発生してしまう 難点があります。つまり できる限り 冗長ビットは少なくしたいというわけです。そこでまず冗長ビットの送出レートによって情報の ビット誤り率は向上するであろうかという実験。

そして最後 第3の実験は PSK搬送波のシンボルレートとビット誤り率の話です。PSK 搬送波を考える時シンボルレートというものがあります。シンボルレートはつまり私たちの会話で言うと しゃべる速度にあたります。単位時間あたりにかける変調の量。デジタル信号であれば早く伝えられることが理想的ですので、シンボルレートは高ければ高いほど単位時間あたりに伝えられる情報量が大きくなると考えられます。しかしながら難点もあり、ノイズに埋もれてしまった時に単位時間あたりの情報密度が大きくなると取り落としてしまう情報が増えてしまうのも必然です。ということで 第3の実験では、まず 我々が使っている装置で確実に PSK 搬送波のシンボルレートをあげることによってビット誤り率がどう変化するのかという実験を 先ほどの仮定に基づいて前提を固めるために実験 いたします。

最後にこのプロジェクトの真髄であります実験の第4を考えます。

これら 第1から第3の実験を総まとめ して、PSK 通信におけるビット誤り率の向上に寄与する 3 パラメーターを選定します。その上で、まずその3パラメーターを全てあげたらどうなるのか拮抗しうる 条件があるのかを考えます。例えばの話ですが シンボルレートを上げることで 冗長ビットの量が多くなったことにより 単位時間あたりの情報密度の低下をを補うことができます。こういった形でそれぞれのパラメーターの特異性を考えます。

そこで 最後我々の一番の活かしどころである「その場所その環境への適応型の模索」の部分について考えます。当たり前ですが我々が昨今 生活している場所は様々な電磁波が飛び交っており、田舎の誰もいない隠遁地よりも都会の方が通信を行うにあたっては ノイズを加味しなくてはならないものです。そこで一つ、その場所その環境に適した形で最適化できるモデルを作ってみたいと考えたのです。

具体的に考えますと、まずノイズ源を用意いたします。そしてとても大きなラジオ局の近くは強電界ですからそういった場所では抑圧の影響を受けるはずです。あるいは 工場の近くであれば別の電磁ノイズが乗るでしょう。

今回は ノイズ 源としてアマチュア無線のID‐51でホワイトノイズを FM 変調 で送信して実験しようと思います。

その上で 普通のパラメーター設定における PSK 搬送波のビット誤り率と最適化した状態でのビット誤り率を検証してみたいと思います。

さて その最適化の仕組みについても考えます。最適化と一口に言いましても難しいと思われがちですが 実は今回の実験の重要部分は先ほど述べた実験 1から実験3 に全てが込められています。先ほどの実験がうまくいかなくてはここからの話は全く要をなしません。と言いますのもここから先は実験 1から実験 3の結論をもとに三次元線形計画法の傾きと切片から式を求めます。それを用います、その場所における最適な（ボコーダーの情報密度、冗長ビットの送出レート、シンボルレート等）のパラメーターを的確に数字として出すことができます。つまり私たちが これぐらいがちょうどいいかなと考えていた ざっくりしたものではなく、的確に数字として明確に出してくれるというわけです。

今私が言ったプロセス（実験4）がうまくいくとしたら、それはつまり どの場所においても同じように実験を行い、基準点を遠くのノイズが少ないと思われる里山で検証しておけば、基準点を元にその場所においてどのようなノイズがどれくらいの電界強度で含まれているかを考えることができ、それに基づいて 先ほどの 3次元の線形計画法に於いて（ボコーダーの情報密度、冗長ビットの送出レート、シンボルレート）のそれぞれの直線の傾きと切片を出すことができます。それがその場所その環境におけるPSK通信のやりにくさを示すデータになります。これを用いますとその場所においてどのような PSK 通信を行うことが最適であると考えられるのかを的確に出してくれるモデルができると考えられます。

最後の実験5は今申し上げましたように他の場所で それが 応用できるのかという検証がしたいです。具体的に 長野県の山の平野部で同じように実験を行い、それを基準として用います。それをもとに 我らの甲府盆地でその基準のモデルに対してのノイズをまず検証します。それができましたら それぞれのパラメーターについての実験 1 実験2 実験3 を行います。それをもとに3次元線形計画法を用いてモデルを考え、通常のモデルに対しての最適化モデルがどれほどの改善が見られたかを検証します。

この実験 1から実験 3の間にパラメーターが非線形になった場合はその理由と根拠、非線形要素も 加味した状態のモデルの最適化を数学的に考えたいと思います。

実現したいこと

PSK音声通信の実装と最適化は、単なる技術的な挑戦ではありません。使用環境ごとに異なる背景ノイズの影響に対応させるために、ボコーダの特質、シンボルレート、冗長ビットの送出レートを三次元線形計画法を用いて最適化するモデルを構築したいと考えています。これにより、どのような環境でも信頼性の高い通信が可能になります。

技術的なアプローチ

既存のデジタル音声通信技術には、ノイズ環境への適応性という課題があります。私たちは、測定データと理論計算を組み合わせ、各環境パラメータに対して最適なボコーダ設定を自動で決定するシステムの開発を目指しています。これは、アマチュア無線の実用性を大きく向上させるものになるはずです。

研究の背景と意義

アマチュア無線界では、FSKを中心とした技術が主流でしたが、PSKの可能性はまだ十分に開拓されていません。私たちが開発するこのモデルは、無線通信技術の新しい標準を作る可能性を秘めています。さらに、この研究成果は学術的な価値も高く、将来の通信技術発展に貢献できると確信しています。

日程

実験1 2026 12月

実験2 2027 4月

発表会【関東大学アマチュア無線社団局合同ミーティング】2027 6月

ここで2027年の初夏から夏にかけて進路を左右させる試験が挟まるために休暇を取らせてもらう。

実験3  2027 9月

実験4  2027 10月

結果の整理と文章の作成

発表 【関東大学アマチュア無線社団局合同ミーティング】2028 6月

2028 8月 ハムフェア

ポスターセッション＆論文等の出版発行物 の頒布

（関東合同社団局ミーティング画像 引用元:https://www.uec.ac.jp/news/announcement/2025/20250716_7088.html）

実現に向けたマイルストーン

2027年の関東大学アマチュア無線社団局合同ミーティングでは研究の途中経過を発表し、2028年のハムフェアではポスターセッションで最終成果を披露する予定です。同時に査読付きの論文としても完成させることで、研究の信頼性と学術的価値を確保します。

皆さんへのお願い

このプロジェクトを実現するには、実験装置の購入、ソフトウェア開発環境の整備、そして研究に専念するための時間が必要です。皆さんからのご支援は、単なる資金援助ではなく、次世代の無線通信技術を一緒に作る仲間としてのご参加です。特に、アマチュア無線の技術向上に関心を持つ学生や技術者の皆さんにとって、この研究成果は理論から実践までを学べる貴重な教材になるでしょう。[研究成果イメージの図表]

最後に

あの日のミーティングで感じた、技術に対する純粋な情熱を形にしたいという思いは変わっていません。皆さんのご支援があれば、PSK音声通信の新しい可能性を世界に示すことができます。ぜひ、この挑戦に力をお貸しください。

具体的に この資金の中身を申し上げますと、gnu ラジオはオープンソースソフトウェアであるため 無料で利用することができます。しかしながらこの研究は 実験 を主としまして その実験の結果から全てを積み上げていきますので、RFモジュール（無線送受信設備）が必須となってきます。

ここで用いますのはアナログデバイス社が出しております SDR無線開発 研究 モジュールの ADALM-PLUTEです。一介の学生である私は資金が潤沢にあるわけではなくこのモジュールを2つ使って検証 や測定をしたいと思っているので1つにあたり 46,000円ほどかかるものを 個人輸入するのは大きな障壁が存在すると言えます。いただきました資金は主にその目的で使います。他にもプリアンプと必要に応じて空中線の変更も考えているため、そこの部分で余裕を持って3万円 +で12万円の状態にしています。

何卒よろしくお願いします。