GMSK – Gaussian Minimum Shift Keying
Abkürzung: GMSK
GMSK ist ein Modulationsverfahren, bei dem die Information in der Frequenz liegt und die Amplitude des Signals konstant bleibt. Es ist die Modulation von GSM und GPRS und damit jahrzehntelang das am häufigsten eingesetzte Funkverfahren überhaupt gewesen.
Der Name beschreibt den Aufbau: eine Minimum-Shift-Keying-Modulation, deren Datenstrom vor dem Modulator durch ein Gauß-Filter läuft.
Wie GMSK entsteht
Ausgangspunkt ist MSK, eine Sonderform der Frequenzumtastung mit dem Modulationsindex 0,5. Die Phase läuft dabei stetig und dreht sich über die Dauer eines Symbols um genau ±90 Grad — es gibt keine Sprünge, wie sie bei einfacher FSK oder bei Phasenumtastung auftreten. Das hält das Spektrum schon vergleichsweise schmal.
GMSK geht einen Schritt weiter: Der rechteckige Datenimpuls wird vor der Modulation durch einen Gauß-Tiefpass geschickt. Aus der harten Flanke wird ein weicher Übergang, und weil steile Flanken im Zeitbereich breite Spektren im Frequenzbereich bedeuten, schrumpfen damit die Nebenanteile des Sendesignals deutlich.
Der Filter wird über das BT-Produkt beschrieben — Bandbreite des Filters mal Symboldauer. GSM verwendet BT = 0,3. Je kleiner der Wert, desto schmaler das Spektrum und desto stärker greifen benachbarte Symbole ineinander. Genau das ist der Handel, auf dem das Verfahren beruht:
| BT-Produkt | Spektrum | Symbolübersprechen |
|---|---|---|
| groß (→ MSK) | breiter | gering |
| klein (0,3 bei GSM) | schmal | deutlich, muss im Empfänger behandelt werden |
Bei BT = 0,3 reicht ein Symbol spürbar in seine Nachbarn hinein. GSM nimmt das in Kauf und löst es im Empfänger mit einem Entzerrer, der eine Folge von Symbolen gemeinsam bewertet — die Trainingssequenz in der Mitte jedes Bursts ist genau dafür da.
Warum GMSK für Mobilfunk gewählt wurde
Zwei Eigenschaften haben den Ausschlag gegeben.
Konstante Hüllkurve. Die Amplitude des Signals ändert sich nicht, die Information steckt allein in der Phase beziehungsweise Frequenz. Damit darf der Sendeverstärker in die Begrenzung gefahren werden, ohne das Signal zu verfälschen. Solche Verstärker haben einen erheblich besseren Wirkungsgrad als lineare — bei einem batteriebetriebenen Gerät ist das kein Detail, sondern der entscheidende Punkt. Ein weiterer Vorteil liegt in der geringen Hüllkurvenschwankung: Es gibt keinen Spitzenwert, für den Reserve vorgehalten werden müsste.
Schmales Spektrum. GSM arbeitet mit 200 kHz Kanalraster bei einer Symbolrate von rund 270,8 kBaud. Dass das nebeneinander funktioniert, ohne die Nachbarkanäle zu stören, verdankt das Verfahren dem Gauß-Filter.
Die Kehrseite: GMSK überträgt ein Bit je Symbol. Die spektrale Effizienz ist damit niedrig, und an dieser Grenze endete die Entwicklungslinie — EDGE wechselte auf 8-PSK und brachte damit drei Bit je Symbol, verlangte aber einen linearen Verstärker und eine Amplitudenregelung, also genau das, was GMSK vermeidet.
Wo GMSK heute noch arbeitet
Über GSM hinaus hält sich das Verfahren dort, wo Robustheit und einfache Sender zählen:
- AIS in der Seeschifffahrt, zur Übermittlung von Schiffspositionen
- ACARS und weitere Datendienste in der Luftfahrt
- Teile des Bündelfunks und digitaler Betriebsfunk
- Satellitentelemetrie, teils als Variante mit größerem BT-Produkt
In Mobilfunknetzen ist GMSK mit der Abschaltung der 2G-Netze auf dem Rückzug; in vielen Ländern bleibt GSM aber als Trägerdienst für Maschinenkommunikation und als Rückfallebene in Betrieb.
Abgrenzung
MSK ist die ungefilterte Grundform. GMSK entsteht durch das vorgeschaltete Gauß-Filter.
GFSK ist das verwandte Verfahren von Bluetooth und DECT: ebenfalls Gauß-gefilterte Frequenzumtastung, aber mit anderem Modulationsindex und größerem BT-Produkt — die Phase läuft dort nicht zwangsläufig stetig, und es wird weniger Rücksicht auf das Spektrum genommen, weil die Kanäle breiter liegen.
8-PSK ist die Modulation von EDGE und überträgt drei Bit je Symbol, dafür mit schwankender Amplitude.
QAM verändert Amplitude und Phase gemeinsam und erreicht noch höhere Datenraten — zum Preis linearer Verstärker und höherer Anforderungen an das Signal-Rausch-Verhältnis. Alle heutigen Mobilfunkgenerationen arbeiten damit.
Leitungscodes behandelt die entsprechende Fragestellung auf dem Kabel: dort geht es nicht um Trägermodulation, aber um dasselbe Ziel, ein Spektrum zu formen.
Quellen
- ETSI TS 145 004: Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Modulation
- ITU-R M.1371: Technical characteristics for an automatic identification system (AIS)
- ETSI TS 145 002: Multiplexing and multiple access on the radio path