Gaussian Frequency Shift Keying

Abkürzung: GFSK

GFSK ist eine Frequenzumtastung, deren Datenimpulse vor der Modulation durch ein Gauß-Filter laufen. Sie ist das Modulationsverfahren von Bluetooth und DECT und findet sich in zahlreichen Funkmodulen für kurze Strecken.

Der Grund für das Filter ist überall derselbe: Eine harte Flanke im Zeitbereich erzeugt ein breites Spektrum. Wird der Übergang weich gemacht, schrumpfen die Nebenanteile, und die Nachbarkanäle bleiben frei.

Wie GFSK moduliert

Bei einfacher Frequenzumtastung springt der Träger zwischen zwei Frequenzen — eine für die Null, eine für die Eins. Dieser Sprung ist das Problem: Er verteilt Energie weit über den eigentlichen Kanal hinaus.

GFSK schickt den Datenstrom deshalb zuerst durch einen Gauß-Tiefpass. Die Frequenz wandert danach weich von einem Wert zum anderen, statt umzuschalten. Beschrieben wird das Filter über das BT-Produkt aus Bandbreite und Symboldauer:

Je kleiner das BT-Produkt, desto schmaler das Spektrum und desto stärker reichen benachbarte Symbole ineinander. Bluetooth und DECT arbeiten mit 0,5 und damit entspannter als GSM — sie haben breitere Kanäle zur Verfügung und brauchen keinen Entzerrer im Empfänger.

Wie alle Frequenzumtastungen hat GFSK eine konstante Hüllkurve: Die Amplitude ändert sich nicht. Daraus folgt der praktische Vorteil, der das Verfahren für Funkmodule so attraktiv macht — der Sendeverstärker darf in die Begrenzung gefahren werden und arbeitet mit hohem Wirkungsgrad, und der Empfänger braucht keine Amplitudenbewertung. Ein GFSK-Transceiver ist damit klein, billig und sparsam.

Wo GFSK eingesetzt wird

Bluetooth. Die Grundrate mit 1 Mbit/s nutzt GFSK, ebenso Bluetooth Low Energy. Die schnelleren Betriebsarten mit 2 und 3 Mbit/s wechseln auf Phasenumtastung — und verlieren damit die konstante Hüllkurve, weshalb sie mehr Sendeleistung für dieselbe Reichweite brauchen.

DECT. Die Funkschnittstelle der Schnurlostelefonie überträgt mit 1,152 Mbit/s je Kanal in GFSK.

Funkmodule im ISM-Band. Die verbreiteten Transceiver für 433 MHz, 868 MHz und 2,4 GHz arbeiten überwiegend mit GFSK. Das betrifft Fernbedienungen, Sensoren, Funksteckdosen, Wetterstationen und einen großen Teil der Gebäudetechnik.

Proprietäre Funkstrecken für Tastaturen, Mäuse und Headsets.

Die Grenze des Verfahrens ist dieselbe wie bei GMSK: ein Bit je Symbol. Wer mehr Datenrate im gleichen Kanal braucht, muss die Phase oder die Amplitude mitnutzen — und verliert die Eigenschaften, die GFSK ausmachen.

Worauf bei GFSK-Funkstrecken zu achten ist

Modulationsindex und BT-Produkt müssen zusammenpassen. Zwei Module verschiedener Hersteller, die beide GFSK beherrschen, verstehen sich nur bei gleicher Parametrierung. Die Werte stehen im Datenblatt und sind einzustellen, nicht anzunehmen — das ist der häufigste Grund, aus dem eine Funkverbindung zwischen Modulen zweier Hersteller trotz gleicher Frequenz nicht zustande kommt.

Frequenzablage schlägt durch. Weil die Information in der Frequenz liegt, wirkt sich ein verstimmter Quarz direkt auf die Fehlerrate aus. Bei schmalbandigen Verbindungen im 868-MHz-Band ist das der Punkt, an dem Reichweitenprobleme entstehen, die nach einem Antennenfehler aussehen.

Das Spektrum ist schmal, aber nicht beliebig schmal. Bei dicht belegten Kanälen im 2,4-GHz-Band überlagern sich Bluetooth-Verkehr und WLAN; die Frequenzsprünge von Bluetooth sind die Antwort darauf, nicht das Filter.

Abgrenzung

FSK ist die ungefilterte Frequenzumtastung mit hartem Sprung zwischen den Frequenzen.

GMSK ist der nahe Verwandte aus der GSM-Welt: ebenfalls Gauß-gefiltert, aber mit Modulationsindex 0,5 bei stetigem Phasenverlauf und einem kleineren BT-Produkt. Die Verfahren sind so ähnlich, dass GMSK gelegentlich als Sonderfall von GFSK beschrieben wird; genauer ist die Zuordnung über Modulationsindex und Phasenstetigkeit.

PSK und QAM nutzen Phase beziehungsweise Phase und Amplitude. Sie erreichen höhere Datenraten, verlangen aber lineare Verstärker.

Frequenzsprungverfahren wechselt den Kanal und ist von der Modulation unabhängig — Bluetooth nutzt beides gleichzeitig.

Quellen

• Bluetooth SIG: Core Specification, Band Radio Specification
• ETSI EN 300 175-2: DECT Common Interface — Physical Layer
• ETSI TS 145 004: Modulation (zum Vergleich mit GMSK)