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DL6XB > RELAIS 23.07.03 06:46l 309 Lines 17670 Bytes #999 (364) @ DL
BID : HIES2FDB0HHB
Read: DF2EL GUEST DB0FHN
Subj: Gleichwellenfunk 2.Teil
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Sent: 030722/0421z @:DB0HHB.#HH.DEU.EU [HH-Bergedorf JO53cm] DP6.00 $:HIES2FDB0
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Hier die Fortsetzung:
5. Anlage
Gleichwellenfunk im Amateurfunk
Gunnar Sircar, DD5KI
Amateurrelaisfunkstelle in Gleichwellenfunk Technik.
Erfahrungsbericht und Funktionsbeschreibung des neuerbauten Relais DB0PM im
Landkreis Miesbach, Oberbayern.
Relaisfunkstellen sind fuer viele mobil und tragbar funkende YLs und OM zum
unentbehrlichen Hilfsmittel geworden, um die Reichweite des Handfunkgeraetes
oder der Mobilstation zu erhoehen. Relaisfunkstellen werden meist auf
exponierten Standorten gebaut, so dass ihre Reichweite, und damit auch die
Reichweite des einzelnen Benutzers, moeglichst gross ist. Auf diese Weise
werden grosse Landstriche mit Amateurfunkzugang versorgt. Haeufig zeichnen sich
diese Gebiete durch unterschiedlichstes Gelaendeprofil aus. Vom klein- ueber
den grossstaedtischen Gebaeudedschungel bis hin zu gebirgigen alpinen Regionen,
ueberall soll das heimatliche Relais zu arbeiten sein. Dem Wunsch nach grosser
Reichweite des Relais steht oft der Nachteil entgegen, dass damit auch immer
mehr potentielle Teilnehmer ueber das Relais funken koennen und somit auch die
Belegung des Relais mit QSOs einem Dauerbetrieb nahe kommt. Die durch die
Ueberbelegung entstehenden unangenehmen Auswirkungen sind jedem bekannt, der
einmal ueber ein besonders exponiertes Relais funken wollte. Ein weiterer
Nachteil der hohen Standorte ist die somit zwangslaeufige hohe sogenannte
Stoerreichweite. Die Stoerreichweite ist die Entfernung, in der kein weiteres
Relais auf gleicher Frequenz errichtet werden kann, da das weit entfernte
Relais zwar noch lange gehoert, aber nicht mehr stabil und gut erreicht werden
kann. Bei Ueberreichweiten werden diese Entfernungen noch vergroessert. Mit der
in Europa, und im speziellen in Deutschland, knappen Anzahl von Frequenzen fuer
Relaisfunk stellt sich die Frage: Wie kann bei gleichzeitig guter Versorgung
von bestimmten Regionen die Stoerreichweite verringert werden, und somit in
naeherer Entfernung die selbe Frequenz wieder vergeben werden? Eine Antwort
scheint mir der Gleichwellenfunk zu sein.
Lagebestimmung
In unserem Heimatbereich von Miesbach bis Rosenheim gibt es eine
Relaisfunkstelle, DB0PM auf Kanal R87 im 70cm Band, am suedoestlichen Ruecken
des Taubenberges. Sie versorgt nun seit vielen Jahren (1984) zuverlaessig den
groessten Teil unseres OV-Gebietes, das sich mehr oder minder mit Teilen der
Landkreise Miesbach und Rosenheim deckt. Eine bestimmte Zone des Landkreises
konnte das Relais jedoch auf Grund unguenstiger topographischer Gegebenheiten
nicht versorgen. In diesen Bereichen tritt vor allem Mehrwegeempfang auf, der
sich in Empfangsverzerrungen aeussert. Diese koennen so stark werden, dass die
uebertragene NF unverstaendlich wird.
Mehrwegeempfang
Diese Verzerrungen beruhen auf dem Effekt, dass das an den entfernten Bergen
reflektierte Signal einen wesentlich laengeren Weg hinter sich hat als das
meist gleich starke "direkte" Signal. Es treffen also am Empfaengereingang
mindestens zwei annaehernd gleich starke Signale auf. Die Zeit, die die Signale
gebraucht haben, um anzukommen, ist jedoch zum Teil sehr unterschiedlich. Somit
kommen am Empfaengereingang Signale mit unterschiedlicher Laufzeit an. Die bei
der Demodulation im Empfaenger entstehende Verzerrung ist dabei von drei
Faktoren abhaengig. Erstens muessen die Signale annaehernd gleich stark sein.
Zweitens wird der Grad der Verzerrung von der Groesse der Laufzeitdifferenz
bestimmt, also je groesser die Zeitdifferenz, desto groesser die Verzerrung.
Drittens ist die Verzerrung vom Modulationshub, also der Bandbreite des
Signalinhaltes abhaengig. Somit kaeme es bei SSB-Empfang zu weniger
Verzerrungen als bei breitbandigeren FM-Signalen. Im Mobilbetrieb in unserer
Voralpenregion sind die durch Mehrwegeempfang auftretenden Verzerrungen der
Modulation nicht besonders stoerend, da sich der Empfaenger bewegt und sich
somit auch die Feldstaerke der beiden Empfangswege staendig veraendert. Oftmals
erweist sich der Mehrwegeempfang im Mobilbetrieb sogar als aeusserst
vorteilhaft, da sich die unterschiedlichen Signale gegenseitig ergaenzen. Waere
nur das "direkte" Signal oder eine Reflexion zu empfangen, so waere es durch
Abschattung an Gebaeuden, Waeldern und Hindernissen stark "verflattert". So
aber ergaenzen sich alle Signale bei der Fahrt in diesem Gebiet. An
Feststationen kommt es aber zu laengeren Zeiten, in denen zwei/mehrere Signale
gleich stark sind. Dabei wird der Empfang der Modulation durch die, in ihrer
Laufzeit unterschiedlichen Signale, fast vollstaendig zunichte gemacht.
Problem und Loesung
Ein Fuellsender und -empfaenger fuer das betroffene Gebiet war letztlich ein
Gedanke, der in die engere Wahl kam. Bei naeherer Betrachtung mussten jedoch
zwei Fragen geklaert werden: Wie wird der moegliche zweite "Fuellstandort" an
das Hauptrelais am Taubenberg angebunden? Schliesslich muessen ja
Informationen, wie das Unterbandsignal zum Hauptstandort und das Oberbandsignal
der Hauptstelle zur "Nebenstelle" gebracht werden. Die zweite Frage lautete:
Auf welchem Relaiskanal koennte das Nebenstellenrelais betrieben werden? Eine
zweite Frequenz kam nicht in Frage, weil nur fuer die Versorgung dieses
Gebietes die Belegung eines weiteren Relaiskanales nicht der
Verhaeltnismaessigkeit entsprochen haette. Auf der gleichen Frequenz koenne es,
so schien es, wegen der Interferenz der beiden Sendesignale nicht betrieben
werden. Anfaenglich schienen die Anforderungen nicht erfuellbar zu sein.
Beim Durchsuchen von Literatur anderer Funkdienste in der Fachbibliothek meines
QRLs stiess ich auf den Titel "Gleichwellenfunk" [1]. Hierin wurden alle
Merkmale, physikalisch-, technische Anforderungen und Erfahrungsberichte in
leicht verstaendlicher und komprimierter Form erlaeutert. Nach Studium der
Literatur und Diskussion der Technik im Kreis der OV-Mitglieder war fuer uns
klar, dass dies der fuer uns richtige Weg sein koenne. Waehrend dieser Zeit
entstanden in unserem Landkreis zwei neue Relaisfunknetze der BOS in
Gleichwellentechnik. Unser OVV Gorch, DF3MH konnte den Kreisbrandinspektor
Andy, DB5MG dazu gewinnen, einen Vortrag ueber das Feuerwehrrelaisnetz fuer
interessierte Funkamateure am 21.11.1992 zu halten. Angeregt durch diese
Veranstaltung und die dabei aufgezeigten technischen Vorteile wurde nun
fieberhaft an dem Plan gearbeitet, ein Gleichwellenrelais fuer DB0PM zu planen
und zu bauen.
Ziele und Anforderungen
Wesentliches Ziel unseres Projektes war die Versorgung der Problemzone im
Bereich Holzkirchen. Die Abdeckung dieses Gebietes sollte ohne Erhoehung der
Reichweite des Relais in seinen Aussengrenzen und somit ohne Vergroesserung der
"Stoerreichweite" geschehen. Durch den Einsatz von Gleichwellensendetechnik,
sollte eine insgesamt bessere Feldstaerke in weiteren Funkloechern durch den
sog. Auffuelleffekt entstehen. Durch die Verwendung von mehreren
Relaisempfaengern sollte der Empfang durch Empfangsdiversity verbessert werden.
Sammeln von Erfahrungen beim Einsatz dieser Technik im Amateurfunk mit dem Ziel
der besseren Frequenzoekonomie fuer Relaisfunkstellen war unser Ziel.
Was ist Gleichwelle?
Die sich von der Antenne eines Senders ausbreitenden Funkwellen werden auf dem
Weg zur Antenne des Empfaengers durch Berge, Gebaeude, Waelder oder andere
Hindernisse vielfach reflektiert, gebeugt oder abgeschattet. Dabei entstehen,
z.B. am Boden reflektierte, neue Wellen. Der RX empfaengt also mindestens zwei
Wellen gleichzeitig, eine direkte und eine am Boden reflektierte. Beide Signale
erzeugen am Empfaengereingang (vektoriell) addiert eine Amplitude die im
guenstigsten Fall den doppelten Wert hat und im unguenstigsten Fall
ausgeloescht wird. In der Praxis ist aber dieses Zweiwellenmodell selten so
ausgepraegt. Es finden auch kaum totale Ausloeschungen und damit auch keine
stoerspannungserzeugenden Phasenspruenge statt, sondern die Uebergaenge sind
fliessend. Normalerweise kommt es trotz Mehrwegeempfang im Mobilbetrieb zu
keinen stoerenden Verzerrungen der Sprache. Jede einzelne Welle stammt ja vom
gleichen Sender, ist somit frequenzgleich und enthaelt ausserdem die gleiche,
nahezu phasengleiche Sprachmodulation mit gleichem Frequenzhub
(Modulationsgrad). Es sind quasi gleiche Wellen, Gleichwellen! Diese
Gleichwellenbedingung entsteht also auch bei gleichzeitigem Senden mehrerer,
innerhalb des gewuenschten Versorgungsgebietes stationierter, Sender mit
gleicher Modulation und Sendefrequenz.
Vorteile von Gleichwellenfunk
1. Auffuelleffekt Feinstruktur
Betrachten wir Gebiete, in denen die Feldstaerke jedes einzelnen Senders fuer
sich alleine nur gering ist. Bei Empfang nur eines einzelnen Senders zeigt die
Feldstaerke im Fahrbetrieb starke Einbrueche. Werden nun beide (oder mehrere)
Sender gleichzeitig empfangen, ergibt sich eine Auffuellung der
Felstaerkeeinbrueche.
2. Auffuelleffekt Grobstruktur
An Orten, an denen Abschattungen verursacht durch das Gelaendeprofil und durch
Bebauung entstehen, kann bei entsprechender Standortwahl des anderen Senders
die Grobstruktur aufgefuellt werden.
3. Verbesserung des Verhaeltnisses Nutzreichweite zur Stoerreichweite
4. Mit dem gleichzeitigem Einsatz von einem Empfaenger je Gleichwellenstandort
wird eine Verbesserung des Empfangs durch Empfangsdiversity erreicht.
5. Wandern von verbleibenden Funkloechern durch geringe Frequenzablage (im Hz
Bereich)
6. Ausfallsicherheit: Bei entsprechender Steuerung kann, bei Ausfall eines
Senders oder Empfaengers, der Relaisbetrieb weiter gehen.
Gleichwelle - nichts neues
Gleichwellentechnik wird bereits seit laengerem kommerziell eingesetzt. Der
Bayerische Rundfunk benutzt dieses Verfahren fuer seine Mittelwellensender
Muenchen - Ismaning und Nuernberg bereits seit 1981. Ebenso gibt es schon seit
etwa 1984 ein Linien - Gleichwellenfunknetz der Deutschen Bundesbahn. Digital
Audio Broadcasting (DAB) benutzt ebenfalls die Gleichwellentechnik.
Genehmigung
Mit dem Bau einzelner Komponenten des Relais wurde bereits vor Erteilung der
Genehmigung fuer den Gleichwellenbetrieb begonnen. Da die Unterstuetzung des
DARC fuer dieses Projekt bereits im Vorfeld gesichert war, wurde noch vor
Einreichung des Antrags, mit dem BAPT an der Loesung des Rufzeichenproblems
gearbeitet. Da wir ja zu der bestehenden Relaisfunkstelle auf dem Taubenberg
noch eine Gleichwellennebenstelle an einem anderen Standort beantragen wollten,
muesste eigentlich die Nebenstelle ein anders Rufzeichen bekommen. Dies stellt
aber ein Problem dar. Da, wie oben erlaeutert, alle Sender die gleiche
Modulation aussenden muessen, kam die Aussendung von verschieden Rufzeichen
nicht in Frage. Nach langen Verhandlungen konnte mit dem BAPT dann doch noch
eine Uebereinkunft erreicht werden, die fuer diese zwei Sender ein einziges
Rufzeichen vorsah.
Realisation bei DB0PM
Um unser Versorgungsloch aufzufuellen, entschieden wir uns fuer den Einsatz
einer weiteren Relaisfunkstelle, mit Anbindung an die Hauptstelle, in
Gleichwellensendetechnik mit Empfangsdiversity (Bild 1, Prinzipskizze).
Nachdem nun die Technik fuer die Versorgung unseren Problemgebietes klar war,
begaben wir uns auf die Suche nach einem zweiten Standort, von dem aus das
Gebiet versorgt werden koennte.
Standortwahl
Der Standort unserer Wahl musste einige Bedingungen erfuellen:
Zum einen sollte der zusaetzliche Standort das Problemgebiet versorgen, aber
gleichzeitig die Reichweite des bestehenden Relais in seinen Aussengrenzen
nicht vergroessern. Die Forderung, dass die Reichweite des Relais in seinen
Aussengrenzen nicht erweitert werden sollte, ergab sich aus zwei Gruenden.
Erstens war unser Ziel, nur ein Funkloch zu fuellen, und nicht gleichzeitig
unsere Reichweite zu erhoehen, um dem Gedanken nach Frequenzoekonomie gerecht
zu werden. Zweitens musste damit gerechnet werden, dass in den Zonen, in denen
beide Sender zwar schwach, aber annaehernd gleich stark zu empfangen sind, es
bei Feststationen, die sich in diesem Gebiet befinden, zu den sich bei
Gleichwellenbetrieb ergebenden Interferenzen kommt (siehe weiter unten).
Zum anderen sollte der zweite Standort aber auch so gelegen sein, dass eine
Funkverbindung zwischen Haupt- und Nebenstelle gewaehrleistet ist, um beide
Sender mit gleicher Modulation zu versorgen und gleichzeitig die
Empfangssignale der Nebenstelle zur Bewertung in die Hauptstelle zu
transportieren. Die erste Wahl fuer den zusaetzlichen Standort fiel auf
Holzkirchen. Er erfuellte die Bedingung nach beschraenkter Reichweite und
wuerde das Funkloch auch bestens versorgen. Jedoch zeigte sich erst nach
Beantragung des Standortes, dass die Feldstaerke fuer die Verbindung zwischen
der Haupt- und der Nebenstelle nicht dauerhaft ausreichend war. Weiterhin war
das Signal tageszeitlichen und witterungsabhaengigen Schwankungen unterlegen.
Ein neuer Standort wurde gesucht und gefunden. Dieser hat zwar absolute
Sichtverbindung zur Haupststelle, kann aber nur bedingt unser Funkloch
versorgen. Zudem ist er relativ hoch gelegen, was unserer Forderung nach
Beibehaltung des Relaisversorgungsbereiches in seinen Aussengrenzen nicht
voellig gerecht wird. Wir mussten aber mangels anderer Standorte diesen
Kompromiss eingehen. Das Gleichwellenrelais besteht in unserem Fall aus zwei
Relaisfunkstellen, einer Hauptstelle und einer Nebenstelle (Bild 2,
Blockdiagramm). Sie sind mittels eines 23cm Vollduplex-Zubringers (Link)
miteinander verbunden. Die Hauptstelle befindet sich auf dem Taubenberg, dem
bisherigen Standort. Die Nebenstelle befindet sich etwa 8 km davon entfernt, in
Sichtweite auf einem anderen Huegel. Hauptstelle und Nebenstelle stellen
jeweils ein komplettes UHF-Relais dar. Beide Stellen arbeiten auf R87
(439.075 MHz).
Bedingungen fuer Gleichwellenfunk
Die beteiligten Sender muessen fuenf Voraussetzungen erfuellen:
* sehr genau uebereinstimmende Senderfrequenz
* gleicher Modulationsinhalt
* zur gleichen Zeit gesendete Modulation (gleiche Modulations-Phase)
* gleicher Modulationsgrad (Frequenzhub)
* die HF-Laufzeitunterschiede am Empfangsort duerfen nicht zu gross werden.
Die UHF-Sender
Um die erste Bedingung fuer den Gleichwellensendebetrieb zu erfuellen, wurden
beide Sender mittels hochgenauer ofengesteuerter Quarzoszillatoren in ihrer
Sendefrequenz auf +/- 3 Hz (!) aufeinander abgeglichen. Sie werden sich jetzt
natuerlich fragen, warum die beiden Sender nicht absolut auf der gleichen
Frequenz sind. Die Sendefrequenzdifferenz ist aus folgendem Grund notwendig:
Fuer den Fall, dass beide Sender auf exakt der gleichen Frequenz waeren,
wuerden sich im Ausbreitungsbereich der Sender stehende Wellen bilden. Es
entstuenden also feststehende Zonen, in denen sich beide Sendesignale
gegenseitig ausloeschen wuerden, da sie dort in gleicher Amplitude und mit
genau um 180 Grad entgegengesetzer Phase zusammentraefen. Um diesen Effekt der
feststehenden "Loecher", entstanden durch Ausloeschung, zu vermeiden, wird die
Sendefrequenz der Sender auf eine Differenz von etwa 3 Hz eingestellt. Dies
fuehrt dazu, dass es zwar immer noch zu Ausloeschungen kommt, sich diese
Stellen aber nun fortwaehrend bewegen. Diese Erscheinung ist am Empfaenger des
stillstehenden Relaisbenutzers deutlich sicht- bzw. hoerbar. Besonders an
Stellen, an denen beide Signale gleich stark sind, schwankt das Signal, am
S-Meter deutlich sichtbar, im Takt der 3 Hz. In den Bereichen, in denen die
beiden Signale bereits schwach sind, also in den Randbereichen des
Versorgungsbereiches des Relais, ist dieser Effekt natuerlich stoerend, da das
Signal im Takt rauscht. Fuer kuenftige Projekte wird, alternativ zum teuren,
hochstabilen Quarzoszillator, die Synchronisation von Neben- und Hauptstelle
erwogen. Es ist die Idee entstanden, einen Oszillator mit Kurzzeitstabilitaet
zu verwenden, der ueber mehrere Stunden die Sendefrequenz konstant haelt. Dabei
wird die Oszillatorfrequenz auf eine niedrige Frequenz (z.B. 5 kHz) geteilt und
ueber die 23cm-Linkstrecke uebertragen. Da bei der Uebertragung mit einem
Phasenjitter zu rechnen ist, kann nur ueber einen laengeren Zeitraum eine
Synchronisation erfolgen. Diese erfolgt durch Auszaehlen der Schwingungen und
entsprechende Korrektur des anderen Senderoszillators. Das Verfahren wurde
jedoch noch nicht in der Praxis getestet, das Ergebnis ist daher noch
unbekannt.
Sendermodulation
Fuer die Aufbereitung der Sendefrequenzen werden PLL-Synthesizer verwendet.
Dies ist aus zwei Gruenden erforderlich:
* Verfuegbare, genaue Quarzoszillatoren arbeiten auf konstanten Frequenzen
(z.B. 6.4 MHz), aus denen sich durch Vervielfachung die Sendefrequenz nicht
gewinnen laesst.
* Der Sender muss FM-moduliert werden, was mit einem entsprechend genauen
Oszillator nur schlecht moeglich ist.
Beide Gruende machen den Einsatz eines Synthesizers erforderlich. Auch dieser
muss jedoch besonderen Anforderungen genuegen.
* Das Uebertragungsverhalten muss im gesamten Modulationsfrequenzbereich
reproduzierbar sein. Insbesondere im Bereich der unteren NF-Grenzfrequenz
geht im allgemeinen die Eigenschaft des Loopfilters der PLL stark in das
Uebertragungsverhalten (Amplitude und Phase) mit ein. Das ist zunaechst nicht
problematisch, muss aber bei beiden Sendern absolut gleich sein.
* Die PLL muss sehr rauscharm sein (insbesondere im Bereich von niedrigen
Frequenzen). Oft beobachtetes "Rumpeln" und "Rupfen", bedingt durch
Instabilitaeten und Mikrofonie im VCO oder mangelhafter Praezision des
Phasenvergleichers, duerfen nicht auftreten.
Die Baugruppe "Kobold" von H.Helpert, DJ9HH, erfuellt diese Anforderungen und
wurde deshalb verwendet.
Rest folgt im 3.Teil
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