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Subj: Gleichwellenfunk 1.Teil
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X-Info: Einspielung ohne Passwortschutz
Von Felix, HB9ABK:
Chris, OE5CBP suchte eine Beschreibung des Gleichwellenfunks.
Hier habe ich einen guten Text gefunden.
Allerdings fehlen in Packet die Zeichnungen und Bilder.
Wer dies vollstaendig sehen moechte, findet es bei:
http://www.funkmeldesystem.de/bos-funk.php
Hier der Text (1.Teil)
Facharbeit
Gleichwellenfunk
Christoph Kosian
Gliederung und Inhaltsverzeichnis
Einleitung
2. Definition Radiowellen
2.1 Ausbreitungseigenschaften
3. Einsender-Systeme
3.1. Empfaenger- / Senderdiversity
4. Gleichwellenfunksysteme
4.1 Technische Realisation GWF
5. Anlage
L1. Einleitung
Der Gebrauch flexibler und unabhaengiger Kommunikationsmittel erweist sich in
der heutigen Zeit als immer wichtiger. Modernes Hilfsmittel fuer nicht
drahtgebundene Kommunikation ist die Hochfrequenztechnik. Sie ermoeglicht die
Ueberbrueckung weiter Strecken mit einem kompakten oft tragbaren Geraet, dem
Funkgeraet. Funk ist die Bezeichnung fuer drahtlose Uebermittlung von
Kommunikation. Diese drahtlose Uebermittlung bietet Vorteile gegenueber den
drahtgebundenen Fernmeldemitteln, wie dem Fernsprecher oder dem Fernschreiber,
die nicht ohne weiteres ueber natuerliche Hindernisse wie Wasserflaechen
genutzt werden koennen. Die Uebertragung der Informationen mittels Funk
geschieht mit Hilfe von Radiowellen. Drahtlos ist die Verwendung dieser Art der
Kommunikation deshalb, weil keine Verbindungsleitung zwischen Aussender und
Empfaenger besteht. Die Funktechnik bedient sich der Radiowelle die keine
explizite Leitung o.ae. benoetigt. Eine fuer die Erzeugung und Verarbeitung von
Radiowellen gefertigte Anlage besteht immer aus einer elektrischen Sende- und
Empfangsanlage, der Spannungsversorgung, der Modulationszufuehrung (z.B.
Mikrofon, Morsetaste, Videokamera), einer Modulations- und
Demodulationseinrichtung und einer Antenne.
Wir wollen uns mit dem Problem der Versorgung eines bestimmten vorgegebenen
Gebietes mit einer Funkanlage beschaeftigen die es moeglich macht, den
Teilnehmern dieses Funknetzes sich untereinander, unabhaengig von deren
Standort im Gelaende, zu verstaendigen. Die Funkversorgung solcher meist sehr
grossen Gebiete mit nur einem Sender, erweist sich oft als sehr schwierig und
unzureichend. Ein Loesungsansatz fuer dieses Problem ist die Verwendung von
sogenannten Gleichwellenfunkanlagen. Sie ermoeglichen ein grosses Gebiet mit
unter Umstaenden schwierigen topographischen Gegebenheiten mit einem Funknetz
zu versorgen.
Anwendungen der Gleichwellenfunktechnik sind zahlreich zu finden. So wird
dieses System meist in Funknetzen der BOS (Behoerden und Organisationen mit
Sicherheitsaufgaben) verwendet, aber in dem Bereich des neuen digitalen
Hoerrundfunks (DAB = Digital Audio Broadcasting) findet die Gleichwellentechnik
ihre Anwendung.
L2. Definition Radiowellen
In der Nachrichtentechnik wird eine Vielzahl von elektromagnetischen
Radiowellen verwandt, die sich in ihren Ausbreitungseigenschaften
unterscheiden, in ihrer physikalischen Grundform jedoch alle gleich sind. Jeder
Leiter an dem eine Spannung angelegt wird, wird von einem elektrischem Feld
umgeben, jeder stromdurchflossener Leiter wird von einem Magnetfeld umgeben. So
sind elektrisches und magnetisches Feld untrennbar miteinander verknuepft, man
spricht vom Elektromagnetismus.
Eine elektromagnetische Welle, kurz Radiowelle, ist eine Welle die sich
staendig wiederholt und sich im freien Raum ungehindert ausbreitet. Zu
Vergleichen ist der Schwingungsvorgang mit einem Gegenstand der in eine ruhige
Wasserflaeche faellt und so eine Wellenbewegung ausloest. Von der Ruhelage
steigt der Verlauf der Welle bis zu einem positiven Hoechstwert und faellt dann
wieder ueber den Ruhepunkt hinaus bis zu einem negativem Hoechstwert und
erreicht danach wieder die Nulllinie. Dieser Vorgang wird innerhalb einer
Wellenlaenge vollzogen, so sind also Wellentaeler und Wellenberge eine
Wellenlaenge voneinander entfernt. Die Wellenlaenge wird mit dem griechischem
Buchstaben 1l = Lambda bezeichnet und hat als Einheit 1m = Meter. Die Spanne
von dem positivem oder negativen Hoechstwert zum Nullpunkt bezeichnet man als
Amplitude oder in der technischen Anwendung auch Schwingungsweite oder Hub.
Als Einheit verwendet man Hertz (zu Ehren des deutschen Physikers Heinrich
Hertz), abgekuerzt Hz. Die Formel zur Ermittlung der Frequenz lautet:
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle entspricht im
freien Raum mit der Lichtgeschwindigkeit. Zwischen Wellenlaenge und der
Frequenz besteht ein fester Zusammenhang:
Radiowellen ueber 30 kHz (Hochfrequenz = HF) koennen sich durch Wechselwirkung
zwischen elektrischen und magnetischem Feld frei im Raum ausbreiten und
erzeugen dabei eine Feldstaerke E, deren Masseinheit Mikrovolt pro Meter ist.
2.1. Ausbreitungseigenschaften
Die Feldstaerke eines Senders am Empfangsort ist abhaengig von der
Strahlungsleistung in Watt von der Sendeantennenhoehe in m von der
ueberbrueckten Entfernung (Reichweite) r in km.
Dem Empfaenger wird am Empfangsort eine Spannung von der Empfangsantenne
zugefuehrt die sich aus der Feldstaerke ergibt. Fuer den Zusammenhang zwischen
Strahlungsleistung und Empfangsfeldstaerke E in Bodennaehe gilt folgende
Formel:
Verdoppelt man die Sendehoehe, so verdoppelt sich auch die Empfangsfeldstaerke.
Um eine Verdopplung der Empfangsfeldstaerke mit Hilfe der Sendeleistung zu
erreichen, so ist sie um das 16fache zu erhoehen. Bei einem sehr hohem Standort
der Sendeantenne (etwa das 10fache der umgebenden Bebauung) waechst die
Feldstaerke nur noch mit der zweiten Wurzel aus der Strahlungsleistung.
Der Einfluss der Sendeleistung auf die Feldstaerke am Empfangsort ist also
entsprechend gering.
Funkwellen im Meterwellenbereich haben quasioptische Eigenschaften, also dem
Licht aehnlich. Meterwellen breiten sich in homogener Luft geradlinig aus,
jedoch in Luftschichten mit unterschiedlichen Temperatur-, Feuchtigkeits- und
Druckverhaeltnissen, kruemmt sich die Welle leicht zur Erdoberflaeche. Der
Wirkungsradius bleibt jedoch begrenzt. Durch die lichtaehnlichen
Ausbreitungseigenschaften koennen Meterwellen reflektiert, an scharfen Kanten
gebeugt und an Gegenstaenden absorbiert werden. Reflexion und Absorption
bestimmen die Ausbreitung der Wellen im Alltag. Die geradlinige Ausbreitung,
die Meterwellen, macht eine Nutzung vornehmlich fuer den Nahverkehr moeglich.
Berge und Haeuserschluchten absorbieren zwar direkte Strahlen, jedoch machen
reflektierte Wellen eine Versorgung meistens ausreichend moeglich.
Durch Reflexion an verschiedenen Flaechen ueberlagern sich Wellenfronten.
Dadurch entstehen kleine Zonen in denen sich die Wellen entweder verstaerken
oder ausloeschen. Diesen Vorgang nennt man Interferenz (=Ueberlagerung). Zonen
mit gegensaetzlicher Wirkung liegen jeweils eine halbe Wellenlaenge entfernt,
Zonen mit gleicher Auswirkung jeweils eine Wellenlaenge.
3. Ein-Sender-Systeme
Eine Funkversorgung mit nur einem Sender erweist sich immer als Kompromiss
zwischen einer guten Funkversorgung und den Ueberreichweiten. Erhoeht man also
die Sendeleistung und/oder die Antennenhoehe, so erhoeht sich der Abstand der
zum naechsten Sender auf dem die gleiche Frequenz wirtschaftlich genutzt werden
kann. Auch erhoeht sich die benoetigte Energie, die von einem Sender
aufgebracht werden muss, um auch Empfaenger, die sich in schwierigem Gelaende
befinden, zu erreichen, da ein betraechtlicher Teil der Energie durch
Abschattung und Reflexion verloren geht. Treffen zwei Wellenzuege (ein direkter
und ein reflektierter Strahl) auf einen Empfaenger, so erfolgt dort eine
vektorielle Addition. Gleiche Feldstaerke vorrausgesetzt, erfolgt so eine
zeitweise Verstaerkung (Auffuelleffekt) bzw. Ausloeschung. Bei
unterschiedlicher Staerke wird durch die Interferenz nur eine Abschwaechung
wahrgenommen.
Abbildung 3-1 Zeitabhaengige Schwankung der Feldstaerke an einem Ort im
Ein-Sender-Funkfeld
Abbildung 3-2 Ortsabhaengigkeit der Feldstaerke Daempfungsverlaufe im Funkfeld
3.1. Empfaenger- / Senderdiversity
Haeufig wird in schwierig zu versorgenden Gebieten, Sender- und
Empfaengerdiversity angewandt. Empfaengerdiversity bezeichnet das Aufstellen
mehrerer Antennen an niedrigen Standorten, um Stoerungen von Teilnehmern
anderer Funkverkehrskreise auf die Empfaenger zu vermeiden. Beim
Senderdiversity werden mehrere niedrig angebrachte Sender verwandt, um das zu
versorgende Gebiet besser zu versorgen und Ueberreichweiten zu minimieren.
Das Verhaeltnis von Nutzflaeche zur Stoerflaeche, der Funkversorgungsgrad
naehert sich, je nach topografischen Verhaeltnissen, optimalen Werten.
Haeufig findet man solche Funknetze in sogenannter Gleichkanaltechnik.
Kennzeichen dieses Systems sind mehrerer ortsfester Funkanlagen auf einem
Kanal, deren Sendebereiche sich nicht oder vernachlaessigbar ueberlappen, wobei
sich der Frequenzversatz der einzelnen Sender zueinander im Rahmen der nach
Technischen-Richtlinien zugelassenen Toleranzen bewegen darf. Natuerlich ist
diese Methode (Anmerkung von DL6XB dazu: Hier fehlt wohl noch was?!)
4. Gleichwellenfunksysteme
Im Betrieb einer Gleichwellenfunkanlage werden Sender und Empfaenger im
Diversity Verfahren benutzt, die sich in ihren einzelnen Sendebereichen gewollt
ueberlappen. So laesst sich ein Gebiet auch mit schwierigen topografischen
Gegebenheiten mit ausreichender Senderzahl und guten Standorten fast
vollstaendig ausleuchten. Trotzdem muessen auch hier Kompromisse eingegangen
werden. Insbesondre die Gleichwellenfunksysteme sind in ihren physikalischen
Eigenschaften nicht einfach zu planen.
Zentrales Element fuer die Funktion einer Gleichwelle, ist der sogenannte
FM-Unterdrueckungseffekt - auch "capture-effect" genannt . Der FM-
Unterdrueckungseffekt sorgt dafuer, dass an Orten wo der Unterschied der
Feldstaerke zweier Sender mehr als ca. 6dB ist, der schwaecher einfallende
Sender vollstaendig unterdrueckt wird. Damit ist auch in den
Ueberlappungsbereichen einer Gleichwelle in diesen Zonen eine vollkommen
einwandfreie Funkversorgung moeglich. Leider schwankt die Grenze dieser Zone
staendig. Die Ausmasse dieser Zone von Feldstaerkedifferenzen von <6dB betragen
im flachen Land ca. 1/3 und bei Ausbreitung im Stadtgebiet ca. 1/6 des
Senderabstands.
Abbildung 4-1 Ausdehnung des Ueberlappungsgebietes (auf flachem Land)
In Gebieten in denen der "capture-effect" noch nicht greift, also der
Unterschied der Feldstaerken <6dB ist, ueberlagern sich beide Wellen derart,
dass sehr harte Phasenspruenge entstehen, diese werden jedoch bei zunehmender
Phasendifferenz der Traeger geringer. Dieses Phaenomen uebersteuert die
Empfaenger-Elektronik derart, dass Stoergeraeusche einsetzen, man spricht vom
Klirrfaktor.
Anfaenglich wurden die einzelnen Sender exakt synchronisiert, dieses fuehrte
jedoch zu ortsfesten Funkloechern. Dies ist fuer mobile Empfaenger nicht weiter
schlimm, da die Minima und Maxima einfach durchfahren werden koennen, fuer
ortsfeste Empfaenger kann sich dieses Phaenomen jedoch als Problem
herausstellen. Wendet man jedoch einen geringen Frequenzversatz von 2 bis 5Hz
an, wandern die Minima und Maxima. Da jedoch eine gewisse
Feldstaerkenschwankung immer gegeben ist, verwischen die Extreme. Bei Drei-
Sender-Anlangen sind kaum reine Minima und Maxima zu beobachten. Im praktischen
Betrieb ist ein moeglichst kleiner Frequenzversatz zu waehlen, der absolut
stabil gehalten werden muss, damit z.B. Datentelegramme zuverlaessig
uebertragen werden koennen, da hier die Minima einen ausreichenden Abstand
haben, um das gesamte Telegramm zu uebertragen. Dies ist wichtig, da die
Rauschsperre eines Empfaengers genuegend lange offen bleibt, um die Auswertung
zu garantieren. Eine hoehere Frequenzablage fuehrt somit auch zu erhoehten
Gleichwellenstoerungen.
Die Phasendrehung eines NF-Signals im Funkfeld berechnet sich nach folgender
Formel:
Je weiter sich also ein Empfaenger aus der Mitte zweier Sender entfernt, umso
staerker nehmen die Stoerungen zu durch die Laufzeitunterschiede zu.
Die Zonen in denen der "capture-effect" noch nicht wirkt - auch
Zwischensendergebiet genannt -, darf wegen der Laufzeitunterschiede nicht
groesser als 15km breit sein. Nimmt man an, das das Gebiet ohne
"capture-effect" etwa 1/3 des Senderabstands betraegt, kommt man auf einen
maximalen Senderabstand von 45km, im Praxisbetrieb haben sich auch 50km
bewaehrt, zur Datentelegrammuebertragung ist jedoch ein Abstand von <30km zu
empfehlen. Also ist der Abstand der einzelnen Gleichwellensendern immer
moeglichst klein zu waehlen, in Staedten ist der schnellere Feldstaerkenverlust
entsprechend hierdurch auszugleichen. Die Sendeleistung der einzelnen Sendern
sollte jedoch immer gleich sein, um da dies bei Laufzeitausgleichen
beruecksichtigt werden muesste.
L4.1. Technische Realisation GWF
(Feuerwehr-Gleichwelle MK)
Ein grosser Nutzer der Gleichwellenfunktechnik sind die BOS (Behoerden und
Organisationen mit Sicherheitsaufgaben) zu denen die Polizei, Feuerwehr,
Rettungsdienste, Katastrophenschutzorganisationen gehoeren. Die BOS sind auf
schnelle und zuverlaessige Kommunikation angewiesen. Die besonderen
Eigenschaften des GWF kommen hier besonders zur Geltung, hohe Verfuegbarkeit
und Netzausleuchtung sowie die Eigenschaft das "Jeder Jeden hoert".
Vor einiger Zeit wurde im Feuerwehr-Betriebskanal im 4m Bereich der Feuerwehr
Maerkischer Kreis noch auf Gleichkanaltechnik mit zwei Relaisstellen in
Iserlohn (Danzturm) und Luedenscheid (Homert) gesetzt. Hierbei mussten jedoch
extreme Funkloecher und Ueberreichweiten bis in den Kreis Osnabrueck in Kauf
genommen werden. Infolgedessen wurde auf Gleichwellenfunktechnik umgestellt.
Der Feuerwehr-Betriebskanal 470 (76,675MHz im Unterband/Empfaenger und 86,475
im Oberband/Sender) wird jetzt mit fuenf Relaisnebenstellen betrieben, die ihre
Standorte in Luedenscheid, Iserlohn, Plettenberg, Meinerzhagen und Balve haben.
Die Gleichwellenzentrale befindet sich auf der Homert und ist ueber 70cm
Richtfunkstrecken an die einzelnen Relaisnebenstellen angebunden. In der
Zentrale werden die einzelnen von den Empfaengern aufgenommene Signale auf
deren Staerke bewertet und der Kreisleitstelle und den Sendern zugefuehrt.
Dabei uebermitteln die Empfaenger staendig die Qualitaet des empfangenen Signal
und das empfangene Signal selber, mit Hilfe eines Zeitschlitzverfahren auf
einem Duplexkanal zur Zentrale. Dabei wird die Niederfrequenz durch zeitliche
Kompression so gekuerzt, dass Luecken fuer eine Datenuebertragung entstehen. Am
Ende der Strecke werden die Daten ausgefiltert und die NF durch Expansion
lueckenlos zusammengefuehrt. Die Empfangsqualitaet wird in zwei Bit kodiert und
nacheinander von den einzelnen Gleichwellenumsetztern in je einem Datenschlitz
gesendet. Hinzu kommt ein drittes Bit, das als Meldebit fungiert. Es zeigt an,
dass eine Stoermeldung oder ein Notruf vorliegt. Ist das Meldebit von einem
Umsetzer gesetzt, fragt die Zentrale mittels Kurztelegramm die Ursache des
Meldebits ab. In Richtung zu den Gleichwellenumsetzern werden in jedem
Zeitschlitz drei Bit mit der Auswahlinformation fuer die Empfaenger
uebertragen. Jedes NF-Intervall wird um etwa 17 Prozent komprimiert. In den so
gewonnenen Datenschlitzen werden alle Sender der Funkbruecke nacheinander
eingeschaltet und die Information digital uebertragen. Alle Gleichwellensender
werden mit einem Kurztelegramm ein- und ausgeschaltet. Dieses Kurztelegramm
dient gleichzeitig zur Synchronisation und zur Uebermittlung anderer Meldungen,
zur Ueberwachung und Fernmessung.
Um eine unnoetige Auftastung der Relaisnetze, etwa durch Ueberreichweiten,
wird zur Auftastung der Tonruf II kurz angewendet (2135Hz fuer einen Zeitraum
von 0,5 bis 2,0 Sekunden). Die Relaisstelle sendet nach einer Mindesttastzeit
von 0,5 sec einen Quittungston Tonruf II im Oberband aus. Bleibt das NF Signal
nach 5 sec. aus oder wird laenger als 3min das Relais offen gehalten, schaltet
das Relais automatisch in den Ruhezustand zurueck. Diese Auftastung wird
BOS-intern als RS1-Enz bezeichnet. Ein Ausnahme bildet jedoch die
Kreisleitstelle (uebergeordnete-Einsprechmoeglichkeit) in Luedenscheid, sie hat
bevorrechtigten Zugriff auf das Relais, der Ausgang der Empfaenger ist
dauerhaft auf die Abfrageeinrichtung geschaltet, d.h. es muss im Verkehr mit
der Kreisleitstelle kein Tonruf angewendet werden, auch faellt der Traeger im
Gespraech mit der Leitstelle unverzoegert ab. Dies hat Vorteile, da einerseits
Teilnehmer anderer Funkverkehrskreise nicht Kenntnis von der Betriebsweise des
Funkverkehrskreises haben muss und standardisierte Lagemeldungen (Einsatz
uebernommen, Einsatzort an etc.) in Form von Datentelegrammen uebermittelt
werden koennen, ohne den Tonruf anzuwenden, da die Auswerteeinrichtung in der
Gleichwellenzentrale integriert ist, andererseits werden so unnoetige
Belaestigungen anderer Funkverkehrskreise durch eigene Ueberreichweiten
gemindert. Auch ist die ungestoerte Alarmierung von Einsatzkraeften moeglich,
da die Leitstelle ebenfalls bevorrechtigten Zugang zu den Sendern hat.
Fortsetzung folgt
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