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Amateurfunklehrgang Klasse E von Eckart K.W. Moltrecht, DJ4UF |
Hinweis: Derzeit basiert dieser Onlinelehrgang auf den Prüfungsfragen aus dem Lehrgang der Klasse 3 und Vorschlägen des Ausbildungs- und Jugendreferates (AJW) des DARC für einen Entwurf des Fragenkatalogs der Klasse E nach den Regeln der "Novice Licence". Die BNetzA wird den Entwurf des Fragenkatalogs erst im dritten Quartal 2006 (August, September) veröffentlichen. Erst dann werden die hier verwendeten Prüfungsfragen entsprechend ausgetauscht. Aber Sie können schon beginnen, nach diesem Lehrgang zu lernen. Die neuen Fragen werden sicher ähnlich (oder gleich) sein. Der eigentliche Lehrgangsinhalt ändert sich dabei aber kaum mehr.
Bisher werden im Amateurfunk für Sprechfunk (Übertragung von Sprache) nur analoge Modulationsarten verwendet. Dazu gehören auch SSB und FM, die in der Lektion 14 (Modulation) bereits ausführlich besprochen wurden. In dieser Lektion geht es um analoge und digitale Betriebsarten.
Um eine Vorstellung bezüglich der Unterschiede zwischen analogen und digitalen Signalen zu bekommen, wird für viele der Übertragungsarten das Frequenzspektrum skizziert (SSB: Bild 16-1). Aus diesem Frequenzspektrum erkennt man, ob analoge oder digitale Informationen vorliegen. Außerdem ergibt sich daraus die Bandbreite. Eine analoge Information erkennt man in den gezeichneten Spektren daran, dass der Informationsbereich durchgängig ist und keine Lücken enthält. Beim SSB-Spektrum ist der Frequenzbereich von 300 Hertz bis 3 Kilohertz lückenlos vorhanden. Für die Übertragung dieses Signals (also für SSB) benötigt man eine Bandbreite von 300 Hz bis 3 kHz also 2,7 kHz. Sowohl auf der Senderseite wie auch auf der Empfangsseite muss das Filter mindestens diese Bandbreite aufweisen. Bei AM im Rundfunk werden beide Seitenbänder übertragen (siehe Lektion 14). Die Bandbreite muss dann mehr als doppelt so groß sein. AM wird aber im Amateurfunk nicht mehr verwendet. Viele Transceiver können aber auf AM geschaltet werden. Bei Frequenzmodulation im VHF-/UHF-Bereich wird der Träger mit einem Hub von zirka 3 kHz „hin und her moduliert“. Diesem Hub überlagert sozusagen noch das NF-Frequenzspektrum von 2,7 kHz. In der Praxis kommt man mit einer Bandbreite von 12 kHz aus. Man kann deshalb ein Kanalraster von 12,5 kHz verwenden. Allerdings muss die NF-Bandbreite vor der Modulationsstufe mit einem Bandpassfilter begrenzt werden, damit die HF-Bandbreite nicht zu groß wird.
Die digitale Sprachübertragung ist im Amateurfunk noch nicht üblich. Es gibt Versuche. Aber die notwendige Bandbreite ist größer als bei SSB. Sie ist abhängig von der Abtastfrequenz. Als Abtastfrequenz genügt das Doppelte der höchsten, vorkommenden Frequenz, also für ausreichende Sprachverständlichkeit zweimal 3 kHz, gleich 6 kHz. Im weltweiten Telefonverkehr über Telefonleitungen verwendete man eine Abtastfrequenz von 8 kHz.
Bei der Telegrafie werden Texte übertragen. Im Prinzip gehört die Übertragung von Information im Morsecode zu den digitalen Betriebsarten. Es wird der Sender im Rhythmus der Morsezeichen ein- und ausgeschaltet. Es ist sozusagen hundertprozentige Amplitudenmodulation (Bild 16-3). Man nennt diese Modulationsart auch ASK (amplitude shift keying). Verwechseln Sie dies nicht mit AFSK, wobei das A für Audio und F für Frequency steht! Die Übertragung selbst wird entweder per Hand mit der Morsetaste durchgeführt oder mit Hilfe eines Computers über die Tastatur. Die Dekodierung erfolgt entweder durch direktes Hören durch den Menschen oder wiederum mit Hilfe eines Computers. Das direkte Hören und Dekodieren im Gehirn erfordert ein längeres Training. Man übt die Morsezeichen solange, bis diese im Unterbewusstsein gespeichert sind und allein durch Erkennen des Tastrhythmus gelesen werden können. Morsen kann wie eine Fremdsprache verstanden werden. Es gibt zwei wesentliche Vorteile der Übertragung durch Morsetelegrafie gegenüber der Sprachübertragung. Erstens benötigt man keine Fremdsprachenkenntnisse. Die Texte werden üblicherweise durch international festgelegte Abkürzungen übertragen. Für ein Standard-QSO muss man nur diese Abkürzungen lernen. Der zweite große Vorteil ist die geringe Bandbreite. Wenn der Empfänger auf diese schmale Bandbreite eingestellt wird, verbessert sich das Signal-Rausch-Verhältnis im gleichen Maße, wie die Bandbreite verringert wird.
Für die funktechnische Übertragung von Informationen in Schriftform verwendet man auf der Sendeseite normalerweise eine Tastatur, auf der Empfängerseite einen Bildschirm oder Drucker. An dieser Stelle kann am Beispiel der historischen Funkfernschreibtelegrafie RTTY (Radio Teletype) mit einem elektromechanischen Fernschreiber einmal das Prinzip der seriellen Datenübertragung erläutert werden. Der Fernschreibcode hat fünf Bits. Es bedeutet, dass jedes zu übertragende Zeichen aus einer Kombination von fünf Werten aus 1 oder 0 zusammengesetzt ist, zum Beispiel 10011 oder 01011 und so weiter. Auf der Senderseite kann dieser Code durch Drücken der entsprechenden Taste auf der Fernschreibertastatur erreicht werden. Dies wird mit paralleler Eingabe in Bild 16-4 bezeichnet. Es muss nun über eine einzige Leitung nacheinander (serielle Übertragung) erreicht werden, dass dieser Code als 5-Bit-Zustand auf der Empfängerseite als Druckersignal (TTY in Bild 16-4) zur Verfügung steht. Zu diesem Zweck laufen gleichzeitig auf der Sender- und auf der Empfängerseite zwei sich drehende Nockenscheiben an, die den Zustand 1 (Spannung vorhanden) oder 0 (keine Spannung) nacheinander (seriell) abfragen und fünf zugehörige Relais auf der Empfängerseite stellen. Wenn der umlaufende Schalter am letzten Kontakt angekommen ist, wird das zugehörige Zeichen ausgedruckt. Heute verwendet man zwar kaum noch elektromechanische Fernschreiber sondern fast ausschließlich den Computer und erzeugt die Töne mit Hilfe der Soundkarte. Jedoch hat man die Art der Übertragung wie früher belassen, um eine Kompatibilität mit den Fernschreibmaschinen zu erhalten. Man überträgt die beiden Signalzustände Mark (EIN) und Space (AUS) durch zwei Töne (AFSK audio frequency shift keying) oder mit Hilfe der Hochfrequenzumtastung mit zwei Frequenzen (FSK frequency shift keying). Mehr dazu im Lehrgang Klasse A. In diesem Zusammenhang kann der Begriff Baudrate (gesprochen: Bohtrate) erläutert werden. Die Baudrate ist die Übertragungsgeschwindigkeit des kürzesten Zeichens (Bit) eines digitalen Signals. Hier in Bild 16-5 bei RTTY wäre dies
Lösungen: Siehe Anhang 1!
Packet Radio ist ein Funkübertragungsverfahren für Texte und Daten, das mit Funkfernschreiben verglichen werden kann. Jedoch bietet es gegenüber RTTY etliche Vorteile. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist ein Vielfaches höher. Es wird mit Fehlerkorrektur gearbeitet. Es können mehrere Stationen auf einer Frequenz arbeiten. Es gibt viele Zwischenstationen (Digipeater) und es gibt Speicherstellen für die Nachrichten (Mailboxen). Packet Radio wird in Deutschland und in den Nachbarländern überwiegend in FM im UHF-Bereich durchgeführt. In ost- und südeuropäischen Ländern ist Packet Radio auch noch im VHF-Bereich (2-m-Band) üblich. Es werden Baudraten von 1200 und 9600 Baud verwendet. Packet Radio auf Kurzwelle wird mit 300 Baud durchgeführt. Bei Packet Radio werden die Zeichen nicht alle direkt nacheinander ausgesendet, sondern sie werden nach einer bestimmten Regel, dem Protokoll, zu Paketen von beispielsweise 256 Zeichen und einem Header (Verbindungsweg, Rufzeichen) zusammengesetzt und dann als kurze Aussendung von weniger als einer Sekunde übertragen. Danach kann die nächste Station ihr Paket auf der gleichen Frequenz übertragen.
Die Ausrüstung zur Durchführung von Packet Radio ist recht preiswert. Außer einer einfachen FM-Funkstation (Bild 16-7) und einer vertikal polarisierten Antenne benötigt man einen Computer und ein Modem. Entsprechende Software ist im Amateurfunkbereich meist kostenlos zu haben.
1k2-PacketBeim 1200 Baud Packet Radio (1k2) arbeitet man mit den beiden NF-Tönen (NF-Zwischenträgerfrequenzen) von 1200 und 2200 Hertz. Die Töne werden mit einer Baudrate von 1200 Bit/s umgeschaltet. Dieses AFSK-Signal (audio frequency shift keying) wird anschließend in normaler FM (über den Mikrofoneingang) auf den eigentlichen Hochfrequenzträger aufmoduliert. Der HF-Frequenzhub wird so gewählt, dass man mit einer HF-Bandbreite von 12 kHz auskommt. Die Digipeater für 1k2-Packet-Radio haben üblicherweise Kanalraster von 25 kHz oder 12,5 kHz.
9k6 PacketUm bei Packet Radio mit höheren Übertragungsgeschwindigkeiten als 1200 Baud arbeiten zu können, kann man nicht mehr mit dieser Doppelmodulation wie bei 1k2-Packet arbeiten. Der englische Funkamateur G3RUH hat ein Verfahren entwickelt, 9600 Baud schnelles Packet Radio auf einem 25 kHz breiten Kanal durchzuführen. Es gibt dabei zwei Probleme, erstens: Das 9600-Baud-Signal ergibt eine Rechteckfrequenz von 4800 Hertz, die der Modulator übertragen muss. Der NF-Verstärker muss sowohl bei der Modulation als auch bei der Demodulation dieses Rechtecksignal übertragen können. Es wird praktisch eine Bandbreite von 6 kHz benötigt. Beim Sprechfunk begrenzt man aber normalerweise die NF-Bandbreite bei 3 kHz. Das zweite Problem: Werden viele Einsen oder Nullen hintereinander übertragen, ergeben sich sehr niedrige Frequenzen bis hin zu Gleichstrom. Dieses Problem hat G3RUH dadurch gelöst, dass er das Packet- Signal systematisch verwürfelt. Bei längeren Ketten von Einsen oder Nullen werden diese abwechselnd invertiert. Dennoch wird wegen des Rechtecksignals eine niedrige Übertragungsfrequenz von etwa 20 Hertz benötigt. Bild 16-8 zeigt die Unterschiede zwischen 1k2- und 9k6-Packet. Transceiver für 9k6-Packet müssen diesen speziellen Anforderungen angepasst werden.
Lösung: Siehe Anhang 1!
VerbindungsartenIn der Nachrichtentechnik werden Simplex- und Duplex-Verbindungen unterschieden. Ferner gibt es noch Halbduplex. Simplex (= einfach) bedeutet, dass es nur einen Sender und auf der anderen Seite einen (oder mehrere) Empfänger gibt. Der Rundfunk oder eine Rundspruchstation wären dafür Beispiele. Aber auch bei Packet Radio Digipeatern wird dieses Prinzip verwendet. Wenn der Digipeater auf derselben Frequenz sendet und auch hört. Wenn er Daten sendet, müssen alle angeschlossenen Stationen schweigen (Bild 16-9). Duplex bedeutet zweifach. Bei Duplexbetrieb eines Digipeaters ist die Sendefrequenz eine andere als die Empfangsfrequenz. Im 70-cm-Band sendet der Digipeater 7,6 MHz höher als er empfängt. Beim normalen Amateurfunkbetrieb arbeitet man normalerweise auf der gleichen Frequenz. Dann ist es nicht möglich, gleichzeitig zu empfangen, wenn man sendet, weil man sonst sein eigenes Signal empfangen würde. Man arbeitet abwechselnd. Wenn die eine Station sendet, kann die andere empfangen und dann wird umgeschaltet. Diese Übertragungsart heißt Halbduplex.
Lösung: Siehe Anhang 1!
APRS ist die Abkürzung aus dem amerikanischen Automatic Position Reporting System. Es arbeitet nach dem Prinzip von Packet Radio, nämlich kurze Datenpakete auf einer Frequenz auszusenden. Allerdings werden keine Zweiwegverbindungen aufgebaut, sondern die Datenpakete werden nur in eine Richtung (Simplex) nach einem interessanten Verteilerprinzip verbreitet. Jede teilnehmende Station kann gleichzeitig auch Digipeater sein. Auf diese Art und Weise können Daten, wie zum Beispiel Wetterdaten, Positionsmeldungen, Messwerte an eine große Gruppe von Empfängerstationen weiter vermittelt werden. Die typische APRS-Frequenz ist 144,800 MHz. Weil die APRS-Stationen ihre Position ständig melden, können diese auf der Empfängerseite mit Hilfe eines Computers auf einer Karte dargestellt werden. Dadurch kann man die Bewegung eines Fahrzeugs oder Schiffs sichtbar machen. Auf der Karte in Bild 16-10 sind viele APRS-Stationen durch ihre Rufzeichen zu erkennen.
PSK31 ist ein Textübertragungsverfahren in PSK (Phase Shift Keying), das 1999 von dem Funkamateur G3LPX vorgestellt wurde. Es arbeitet mit einer Bitrate von 31,25 Bit/s. PSK31 benötigt dadurch nur 31 Hz Bandbreite, das ist nur ein Zehntel der Bandbreite von Telegrafie. Stellt man die Filter bei Empfang auf diese geringe Bandbreite ein, erhält man einen Systemgewinn von 10 dB, Leistungsfaktor 10. Dies bedeutet, dass man nur ein Zehntel der Leistung benötigt, um den gleichen Signal-Stör-Abstand wie bei CW zu bekommen. Tatsächlich zeigt es sich auch in der Praxis. Man kann mit Leistungen um 10 Watt weltweiten Funkverkehr in PSK31 machen. Die Betriebsart PSK31 wird wie RTTY mit Computer und Soundkarte durchgeführt. Man benötigt kein Modem.
Lösung: Siehe Anhang 1!
AMTOR kommt von Amateur Microprocessor Teleprinting Over Radio und bedeutet Amateurfunk-Fernschreiben mit Hilfe eines Mikroprozessors. Es ist ein Verfahren mit hoher Übertragungssicherheit, da bei einer AMTOR-Verbindung die empfangende Station nach der Aussendung von drei Zeichen zur Quittierung des fehlerfreien Empfangs aufgefordert wird (ARQ, automatic repeat request). Beide Sender sind also immer wechselweise in Betrieb. Die Übertragung der Signale geschieht wie bei RTTY durch Frequenzumtastung mit den gleichen Tönen und gleicher Shift. Allerdings werden die Dreierblöcke mit 100 Baud gesendet. Die Dreierblocks werden in einem Abstand von 450 ms gesendet, so dass der antwortenden Station eine Lücke von 240 ms verbleibt, ihr Kontrollzeichen zu senden. Die Zeit für die Empfangs-Sende-Umschaltung muss also in dieser Betriebsart sehr kurz sein. AMTOR wird mehr und mehr durch das neuere und bessere Verfahren PACTOR verdrängt.
PACTOR kommt von Packet Teleprinting Over Radio und bedeutet Fernschreiben mit Hilfe eines Mikroprozessors in "Paketform" - ähnlich Packet Radio. Pactor ist ein von DF4KV und DL6MAA weiterentwickeltes Verfahren von Amtor. Amtor wurde für die reine Textübertragung entwickelt. Pactor arbeitet wie Packet Radio mit einem Fehlerkorrekturverfahren, das so sicher ist, dass auch 8-Bit-Daten (zum Beispiel Programme) übertragen werden können. Es funktioniert noch bei sehr schwachen Signalen an der Rauschgrenze. Man benötigt also nur geringe Leistungen. Bei PACTOR gibt es ähnlich wie bei Packet Radio aber eben weltweit auf Kurzwelle Mailboxen, in denen man Nachrichten an Funkamateure ablegen kann. Es gibt sogar Mailboxen, die eine Nachricht per Internet als E-Mail an den Empfänger weiter leiten. Damit kann man beispielsweise als Segler oder Mobilist Nachrichten an andere Funkamateure senden, mit denen man derzeit keine Verbindung aufbauen kann. Nachteil: Für Pactor wird ein spezieller Controller benötigt (Bild 16-12), der Gebrauchsmuster geschützt ist und von Funkamateuren nicht nachgebaut werden kann. Die Anschaffung ist ziemlich teuer. Das alte Pactor-1-Verfahren aber ist frei und wird gelegentlich auch für den Kurzwellen-Mailboxbetrieb verwendet.
Die Übertragung von Bildern in den schmalen Frequenzbereichen der Kurzwellenbänder haben die Funkamateure dadurch gelöst, dass Bildauflösung und Anzahl der Bilder pro Zeiteinheit drastisch verringert werden. Das Schwarz-Weiß-Bild wurde anfangs so langsam abgetastet, dass eine komplette Übertragung etwa 8 Sekunden benötigte. SSTV kommt von slow scan television und bedeutet Fernsehen mit langsamer Abtastung. Um nicht wie beim Fernsehen 13 Millionen Bildpunkte für ein Bild übertragen zu müssen, hat man die Bildauflösung drastisch reduziert. Wie Versuche gezeigt haben, reicht ein Bildraster mit 120 Bildpunkten pro Zeile und 120 Zeilen mit 8 Helligkeitsstufen gut aus, um ein Bild deutlich zu erkennen. Heute verwendet man ein System mit einem Bild aus 320 mal 240 Punkten in Farbe. Hierbei werden die drei Farben rot, grün, blau nacheinander in ihren Helligkeitsstufen übertragen. Die Übertragung eines Bildes dauert damit aber bereits 120 Sekunden. Die Funkamateure haben für SSTV folgende Festlegungen (SSTV-Norm) getroffen. Dem Helligkeitswert weiß wird die NF-Frequenz 2300 Hz und dem Wert schwarz wird 1500 Hz zugeordnet. Linear dazwischen (also analog!) liegen die Helligkeitswerte der drei Farben. Für die notwendige Synchronisation wird eine Tonfrequenz von 1200 Hz festgelegt.
Für Funkamateure, die SSTV nicht betreiben, ist solch ein analoges Signal daran zu erkennen, dass regelmäßig der 1200-Hz-Bildsynchronisierimpuls zu hören ist. Ansonsten wechseln die Tonfrequenzen jede Millisekunde und ergeben ein buntes Tonfrequenzgemisch. Bei SSTV verwendet man meistens Fotos vom Shack, der Antennenanlage oder der Landschaft aus der eigenen Umgebung und schreibt mit Hilfe des SSTV-Programms in diese Bilder mit großen Buchstaben die zu übertragenden Textinformationen hinein. Das SSTV-Signal wird direkt im Computer mit Hilfe der Soundkarte erzeugt. Am NF-Ausgang der Soundkarte erhält man das Modulationssignal, das man auf den Mikrofoneingang oder einen speziellen „Data-Eingang“ des SSB-Senders gibt. Bei Empfang wird das NF-Signal aus dem Empfänger in den NF-Eingang der Soundkarte des Computers gegeben und das empfangene Bild auf dem Monitor dargestellt.
Eigentlich ist SSTV gar kein Fernsehen mehr sondern ein Bildübertragungsverfahren wie das analoge Faksimile (FAX). Auch hierbei werden Bilder zeilenweise abgetastet und in ein analoges Schwarz-weiß- oder in drei Farbsignale umgewandelt und im Frequenzbereich zwischen 1500 und 2300 Hertz übertragen. Bei FAX ist man allerdings von der Bildgröße unabhängig. Große Bilder zu übertragen dauert entsprechend länger. Diese analoge Bildübertragung liefert eine sehr hohe Bildqualität, die man mit digitalen Verfahren nur bei sehr hoher Anzahl von Bildpunkten und somit recht hoher Dateigröße erreichen kann.
Für Schwarzweißbilder (Wetterkarten) verwendet man eine binäre Übertragung, indem nur die beiden Werte für Schwarz und für Weiß als zwei Töne in AFSK übertragen werden.
Beim Siemens-Hell-Verfahren denkt man sich alle Buchstaben, Ziffern und Zeichen in ein Raster von 7 · 7 Feldern eingezeichnet. Der Text wird dann zweizeilig geschrieben und spaltenweise mit einer Maschine abgetastet, so dass schwarze und weiße Felder durch 0 oder 1 übertragen werden können. Auf der Empfangsseite werden diese Punkte durch eine Maschine wiederum auf Papier aufgezeichnet. Jeder Buchstabe wird also durch 49 Bit (das Ganze mal zwei) übertragen. Dadurch ist eine hohe Störsicherheit gegeben. Der Text bleibt lesbar, auch wenn durch Störungen mehrere Bit falsch dargestellt werden. Dieses „Hellschreiben“ wird auch im Amateurfunk von Spezialisten verwendet. Es wird heutzutage natürlich mit einem Computer nachempfunden. Auch hier wird AFSK angewendet, indem die beiden Farben schwarz und weiß in zwei Töne umgewandelt werden und diese dann in SSB übertragen werden. Hellschreiben ist also auch ein analoges Verfahren und gehört nicht zu den „Digimodes“. Die Signalaufbereitung durch AFSK wird im Aufbaulehrgang zur Klasse A näher beschrieben.
Anhang Anhang 1: Lösung der Prüfungsfragen Anhang 2: Formelsammlung zur Prüfung zum Amateurfunklehrgang Klasse E Anhang 3: Diagramm Kabeldämpfung Anhang 4: Lehrplan/Lernplan |
