周波数ホッピング
周波数ホッピングは、搬送波の周波数を擬似乱数的に短時間ごと（ドエルタイム）に切り替えながら送受信するスペクトラム拡散方式である。狭帯域搬送を時間軸上で多数のチャネルに「跳躍（ホップ）」させることで、狭帯域妨害への強さ、スペクトラムの平均化、電波秘匿性、同一バンドでの共存性を高める。送信側と受信側は同一のホッピングシーケンスとタイミングを共有して同期追従する必要がある。代表的応用には、軍用無線、産業用無線、2.4 GHz帯の短距離通信などがある。[/toc]
原理と基本用語
本方式は、有限個の周波数集合（ホップセット）から時刻ごとに1チャネルを選び、そこに狭帯域変調（例: 2-FSK、GFSK、π/4-DQPSK など）を載せる。1チャネルに滞在する時間をドエルタイム、単位時間あたりのホップ回数をホップレートという。周波数選択は擬似乱数系列（PN系列）で決定され、シーケンスの周期が長いほど秘匿性と分散効果が高まる。受信機は同一の系列とクロックを用いて周波数アジリティを実現し、瞬時の搬送周波数へロックして復調する。
ホップ方式の分類
- スローホッピング（SFH）: 1シンボル期間に対してホップレートが低く、複数シンボルが同一チャネルで送られる。実装が容易で誤り訂正と相性がよい。
- ファストホッピング（FFH）: 1シンボル内で複数回ホップする。狭帯域妨害を強く平均化できるが、同期・復調が難しく受信機の設計負荷が高い。
- 順次/ランダム/擬似ランダム: チャネルの並びが規則的か、PN駆動かで秘匿性と干渉分散の度合いが変わる。
ホッピングシーケンスの生成
PN系列はLFSR（線形帰還シフトレジスタ）やm系列、Gold系列等で実装される。チャネル数Mに対し系列をMで剰余化して周波数インデックスに写像するのが典型である。相互相関の低い系列を複数用意すると、多元接続（複数リンクの同時運用）での衝突確率を下げられる。シーケンスは法規上、所要の均等性・擬似性を満たす必要がある（例: 各チャネルが一定時間内にほぼ均回数選ばれる）。
同期と受信機設計
受信機はタイミング同期（フレーム同期）と周波数追従を同時に満たす。一般には、既知パターンのプレアンブルをホップに沿って送出し、相関検出で開始点を得る。以後は水晶発振器や温補発振器（TCXO）に基づくクロックで追従し、ドエル境界でローカル発振器（LO）を高速切替する。チャネル推定は狭帯域で済むため等化は簡素だが、切替遅延（スイッチングタイム）と位相連続性がBERに影響する。強い狭帯域干渉に遭遇しても次ホップで回避でき、インターリーブ＋FEC（例: 畳み込み符号、LDPC）と組み合わせるとパケットレベルの復元性が高い。
耐妨害性と秘匿性
周波数ホッピングは狭帯域ジャミングに頑健である。妨害が一部チャネルに限定されても、時間平均で受信可能エネルギを確保できるからである。広帯域ノイズに対しては拡散利得（processing gain）が抑圧度を決め、ホップ数・ホップ分布の均一性・FECが総合的性能を左右する。秘匿性は「第三者がホップパターンを知らない限り、追従・復調が困難」な点に由来する。ただし現代的観点では、暗号鍵で擬似系列とペイロード双方を保護するのが前提である。
スペクトラム利用と規制
免許不要帯（例: 2.4 GHz ISM帯）では、ホップ数の下限、各チャネル滞在時間（最大ドエル）、最小チャネル間隔、送信電力や占有帯域密度などが規定されることが多い。多数チャネルへの均等ホップは、同一バンドの他方式との共存性を高める。周波数計画では、隣接チャネル漏洩（ACLR）、スプリアス、切替過渡（周波数スルー）を抑えるRF設計と、局発シンセサイザのループ帯域・ロック時間の最適化が要点となる。
変調方式とスループット
搬送上の狭帯域変調は、実装容易性とロバスト性から2-FSK/GFSKが用いられることが多い。高スループットを狙う場合は、シンボル当たりのビット数を増やす（π/4-DQPSK 等）か、ドエル内シンボル数や符号化率を最適化する。ただしファストホップでは同期・ループトラッキングが厳しく、高次変調は感度劣化や位相雑音耐性の面で制約を受ける。実用では、伝搬環境（フェージング）と干渉統計を踏まえたリンクバジェットとPER目標から方式選定を行う。
マルチユーザ運用
複数リンクを同一バンドで同時運用する場合、シーケンスの直交性・準直交性を高め、開始位相（初期シード）を分離する。衝突時はARQ再送やランダムバックオフで回復し、長期的には平均化により公平性を確保する。チャネル数が限られる場合は、ブラックリスト（干渉の強い周波数を除外）やホワイトリスト（許容チャネル限定）で環境適応を図る。
応用と実装例
周波数ホッピングは、工場内のセンサネットワーク、可搬機器の短距離リンク、遠隔制御、アマチュア無線の実験的通信などで用いられる。耐干渉性が要求される軍・防災通信、また拡散によるスペクトラム平準化が望まれる密集環境で有効である。組込み実装では、位相同期ループ（PLL）を内蔵したRFトランシーバICと、MCU側のタイマ割込みでホップスケジューラを駆動するのが一般的であり、温度・電源変動に対する周波数安定化（TCXO採用、キャリブレーション）が性能の鍵となる。
DSSSとの位置づけ
スペクトラム拡散の代表であるDSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）は、チップ列で帯域を広げるのに対し、周波数ホッピングは離散チャネル間を時間分割で巡回する。DSSSは相関処理による利得とコード多重が得意で、FHSSは周波数ダイバーシチと狭帯域干渉への回避が得意である。実システムでは、FEC・ARQ・適応変調符号化（AMC）と組み合わせ、要求遅延・スループット・堅牢性のトレードオフで方式を選択する。