Gleichwellenrelaisfunkstelle DB0PM, Schliersee

Gunnar Sircar, DD5KI

Amateurrelaisfunkstelle in Gleichwellenfunk Technik.

Erfahrungsbericht und Funktionsbeschreibung des neuerbauten Relais

DB0PM im Landkreis Miesbach, Oberbayern.

Relaisfunkstellen sind für viele mobil und tragbar funkende YLs und OM zum unentbehrlichen Hilfsmittel geworden,um die Reichweite des Handfunkgerätes oder der Mobilstation zu erhöhen. Relaisfunkstellen werden meist auf exponierten Standorten gebaut, so daß ihre Reichweite, und damit auch die Reichweite des einzelnen Benutzers, möglichst groß ist. Auf diese Weise werden große Landstriche mit Amateurfunkzugang versorgt. Häufig zeichnen sich diese Gebiete durch unterschiedlichstes Geländeprofil aus. Vom klein- über den großstädtischen Gebäudedschungel bis hin zu gebirgigen alpinen Regionen,überall 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 über das Relais funken können und somit auch die Belegung des Relais mit QSOs einem Dauerbetrieb nahe kommt. Die durch die Überbelegung entstehenden unangenehmen Auswirkungen sind jedem bekannt,der einmal über ein besonders exponiertes Relais funken wollte.

Ein weiterer Nachteil der hohen Standorte ist die somit zwangsläufige hohe sogenannte Störreichweite. Die Störreichweite ist die Entfernung,in der kein weiteres Relais auf gleicher Frequenz errichtet werden kann, da das weit entfernte Relais zwar noch lange gehört, aber nicht mehr stabil und gut erreicht werden kann. Bei Überreichweiten werden diese Entfernungen noch vergrößert.

Mit der in Europa, und im speziellen in Deutschland, knappen Anzahl von Frequenzen für Relaisfunk stellt sich die Frage: Wie kann bei gleichzeitig guter Versorgung von bestimmten Regionen die Störreichweite verringert werden, und somit in näherer 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 südöstlichen Rücken des Taubenberges . Sie versorgt nun seit vielen Jahren (1984) zuverlässig den größten 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 ungünstiger topographischer Gegebenheiten nicht versorgen. In diesen Bereichen tritt vor allem Mehrwegeempfang auf, der sich in Empfangsverzerrungen äußert. Diese können so stark werden, daß die übertragene NF unverständlich wird.

Mehrwegeempfang

Diese Verzerrungen beruhen auf dem Effekt, daß das an den entfernten Bergen reflektierte Signal einen wesentlich längeren Weg hinter sich hat als das meist gleich starke "direkte" Signal. Es treffen also am Empfängereingang mindestens zwei annähernd gleich starke Signale auf. Die Zeit, die die Signale gebraucht haben, um anzukommen, ist jedoch zum Teil sehr unterschiedlich. Somit kommen am Empfängereingang Signale mit unterschiedlicher Laufzeit an. Die bei der Demodulation im Empfänger entstehende Verzerrung ist dabei von drei Faktoren abhängig. Erstens müssen die Signale annähernd gleich stark sein. Zweitens wird der Grad der Verzerrung von der Größe der Laufzeitdifferenz bestimmt, also je größer die Zeitdifferenz, desto größer die Verzerrung. Drittens ist die Verzerrung vom Modulationshub, also der Bandbreite des Signalinhaltes abhängig. Somit käme 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 störend, da sich der Empfänger bewegt und sich somit auch die Feldstärke der beiden Empfangswege ständig verändert. Oftmals erweist sich der Mehrwegeempfang im Mobilbetrieb sogar als äußerst vorteilhaft, da sich die unterschiedlichen Signale gegenseitig ergänzen. Wäre nur das "direkte" Signal oder eine Reflexion zu empfangen, so wäre es durch Abschattung an Gebäuden, Wäldern und Hindernissen stark "verflattert". So aber ergänzen sich alle Signale bei der Fahrt in diesem Gebiet.

An Feststationen kommt es aber zu längeren Zeiten, in denen zwei/mehrere Signale gleich stark sind. Dabei wird der Empfang der Modulation durch die, in ihrer Laufzeit unterschiedlichen Signale, fast vollständig zunichte gemacht.

Problem und Lösung

Ein Füllsender und -empfänger für das betroffene Gebiet war letztlich ein Gedanke, der in die engere Wahl kam. Bei näherer Betrachtung mußten jedoch zwei Fragen geklärt werden: Wie wird der mögliche zweite "Füllstandort" an das Hauptrelais am Taubenberg angebunden? Schließlich müssen ja Informationen, wie das Unterbandsignal zum Hauptstandort und das Oberbandsignal der Hauptstelle zur "Nebenstelle" gebracht werden. Die zweite Frage lautete: Auf welchem Relaiskanal könnte das Nebenstellenrelais betrieben werden? Eine zweite Frequenz kam nicht in Frage, weil nur für die Versorgung dieses Gebietes die Belegung eines weiteren Relaiskanales nicht der Verhältnismäßigkeit entsprochen hätte. Auf der gleichen Frequenz könne es, so schien es, wegen der Interferenz der beiden Sendesignale nicht betrieben werden.

Anfänglich schienen die Anforderungen nicht erfüllbar 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 verständlicher und komprimierter Form erläutert. Nach Studium der Literatur und Diskussion der Technik im Kreis der OV-Mitglieder war für uns klar, daß dies der für uns richtige Weg sein könne. Während 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 über das Feuerwehrrelaisnetz für 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 für 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 Erhöhung der Reichweite des Relais in seinen Außengrenzen und somit ohne Vergrößerung der "Störreichweite" geschehen.

Durch den Einsatz von Gleichwellensendetechnik sollte eine insgesamt bessere Feldstärke in weiteren Funklöchern durch den sog. Auffülleffekt entstehen.

Durch die Verwendung von mehreren Relaisempfängern sollte der Empfang durch Empfangsdiversity verbessert werden.

Sammeln von Erfahrungen beim Einsatz dieser Technik im Amateurfunk mit dem Ziel der besseren Frequenzökonomie für Relaisfunkstellen war unser Ziel.

Was ist Gleichwelle?

Die sich von der Antenne eines Senders ausbreitenden Funkwellen werden auf dem Weg zur Antenne des Empfängers durch Berge, Gebäude, Wälder oder andere Hindernisse vielfach reflektiert, gebeugt oder abgeschattet. Dabei entstehen , z.B. am Boden reflektierte, neue Wellen. Der RX empfängt also mindestens zwei Wellen gleichzeitig, eine direkte und eine am Boden reflektierte. Beide Signale erzeugen am Empfängereingang (vektoriell) addiert eine Amplitude die im günstigsten Fall den doppelten Wert hat und im ungünstigsten Fall ausgelöscht wird. In der Praxis ist aber dieses Zweiwellenmodell selten so ausgeprägt. Es finden auch kaum totale Auslöschungen und damit auch keine störspannungserzeugenden Phasensprünge statt, sondern die Übergänge sind fließend. Normalerweise kommt es trotz Mehrwegeempfang im Mobilbetrieb zu keinen störenden Verzerrungen der Sprache. Jede einzelne Welle stammt ja vom gleichen Sender, ist somit frequenzgleich und enthält 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 gewünschten Versorgungsgebietes stationierter, Sender mit gleicher Modulation und Sendefrequenz.

Vorteile von Gleichwellenfunk

1. Auffülleffekt Feinstruktur

Betrachten wir Gebiete, in denen die Feldstärke jedes einzelnen Senders für sich alleine nur gering ist. Bei Empfang nur eines einzelnen Senders zeigt die Feldstärke im Fahrbetrieb starke Einbrüche. Werden nun beide (oder mehrere) Sender gleichzeitig empfangen, ergibt sich eine Auffüllung der Felstärkeeinbrüche.

2. Auffülleffekt Grobstruktur

An Orten, an denen Abschattungen verursacht durch das Geländeprofil und durch Bebauung entstehen, kann bei entsprechender Standortwahl des anderen Senders die Grobstruktur aufgefüllt werden.

3. Verbesserung des Verhältnisses Nutzreichweite zur Störreichweite

4. Mit dem gleichzeitigem Einsatz von einem Empfänger je Gleichwellenstandort wird eine Verbesserung des Empfangs durch Empfangsdiversity erreicht.

5. Wandern von verbleibenden Funklöchern durch geringe Frequenzablage (im Hz Bereich)

6. Ausfallsicherheit: Bei entsprechender Steuerung kann, bei Ausfall eines Senders oder Empfängers, der Relaisbetrieb weiter gehen.

Gleichwelle - nichts neues

Gleichwellentechnik wird bereits seit längerem kommerziell eingesetzt. Der Bayerische Rundfunk benutzt dieses Verfahren für seine Mittelwellensender München - Ismaning und Nürnberg 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 für den Gleichwellenbetrieb begonnen. Da die Unterstützung des DARC für dieses Projekt bereits im Vorfeld gesichert war, wurde noch vor Einreichung des Antrags, mit dem BAPT an der Lösung des Rufzeichenproblems gearbeitet. Da wir ja zu der bestehenden Relaisfunkstelle auf dem Taubenberg noch eine Gleichwellennebenstelle an einem anderen Standort beantragen wollten, müßte eigentlich die Nebenstelle ein anders Rufzeichen bekommen. Dies stellt aber ein Problem dar. Da, wie oben erläutert, alle Sender die gleiche Modulation aussenden müssen, kam die Aussendung von verschieden Rufzeichen nicht in Frage. Nach langen Verhandlungen konnte mit dem BAPT dann doch noch eine Übereinkunft erreicht werden, die für diese zwei Sender ein einziges Rufzeichen vorsah.

Realisation bei DB0PM

Um unser Versorgungsloch aufzufüllen, entschieden wir uns für den Einsatz einer weiteren Relaisfunkstelle, mit Anbindung an die Hauptstelle, in Gleichwellensendetechnik mit Empfangsdiversity (Bild 1, Prinzipskizze).

Nachdem nun die Technik für die Versorgung unseren Problemgebietes klar war, begaben wir uns auf die Suche nach einem zweiten Standort, von dem aus das Gebiet versorgt werden könnte.

Standortwahl

Der Standort unserer Wahl mußte einige Bedingungen erfüllen:

Zum einen sollte der zusätzliche Standort das Problemgebiet versorgen, aber gleichzeitig die Reichweite des bestehenden Relais in seinen Außengrenzen nicht vergrößern. Die Forderung, daß die Reichweite des Relais in seinen Außengrenzen nicht erweitert werden sollte, ergab sich aus zwei Gründen. Erstens war unser Ziel, nur ein Funkloch zu füllen, und nicht gleichzeitig unsere Reichweite zu erhöhen, um dem Gedanken nach Frequenzökonomie gerecht zu werden. Zweitens mußte damit gerechnet werden, daß in den Zonen, in denen beide Sender zwar schwach, aber annähernd 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 gewährleistet 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 für den zusätzlichen Standort fiel auf Holzkirchen. Er erfüllte die Bedingung nach beschränkter Reichweite und würde das Funkloch auch bestens versorgen. Jedoch zeigte sich erst nach Beantragung des Standortes, daß die Feldstärke für die Verbindung zwischen der Haupt- und der Nebenstelle nicht dauerhaft ausreichend war. Weiterhin war das Signal tageszeitlichen und witterungsabhängigen 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 völlig 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 Hügel. Hauptstelle und Nebenstelle stellen jeweils ein komplettes UHF-Relais dar. Beide Stellen arbeiten auf R87 (439.075 MHz).

Bedingungen für Gleichwellenfunk

Die beteiligten Sender müssen fünf Voraussetzungen erfüllen:

· sehr genau übereinstimmende Senderfrequenz

· gleicher Modulationsinhalt

· zur gleichen Zeit gesendete Modulation (gleiche Modulations-Phase)

· gleicher Modulationsgrad (Frequenzhub)

· die HF-Laufzeitunterschiede am Empfangsort dürfen nicht zu groß werden.

Die UHF-Sender

Um die erste Bedingung für den Gleichwellensendebetrieb zu erfüllen, wurden beide Sender mittels hochgenauer ofengesteuerter Quarzoszillatoren in ihrer Sendefrequenz auf +/- 3 Hz (!) aufeinander abgeglichen. Sie werden sich jetzt natürlich fragen, warum die beiden Sender nicht absolut auf der gleichen Frequenz sind. Die Sendefrequenzdifferenz ist aus folgendem Grund notwendig: Für den Fall, daß beide Sender auf exakt der gleichen Frequenz wären, würden sich im Ausbreitungsbereich der Sender stehende Wellen bilden. Es entstünden also feststehende Zonen, in denen sich beide Sendesignale gegenseitig auslöschen würden, da sie dort in gleicher Amplitude und mit genau um 180 Grad entgegengesetzer Phase zusammenträfen.

Um diesen Effekt der feststehenden "Löcher", entstanden durch Auslöschung, zu vermeiden, wird die Sendefrequenz der Sender auf eine Differenz von etwa 3 Hz eingestellt. Dies führt dazu, daß es zwar immer noch zu Auslöschungen kommt, sich diese Stellen aber nun fortwährend bewegen. Diese Erscheinung ist am Empfänger des stillstehenden Relaisbenutzers deutlich sicht- bzw. hörbar. 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 natürlich störend, da das Signal im Takt rauscht.

Für künftige Projekte wird, alternativ zum teuren, hochstabilen Quarzoszillator, die Synchronisation von Neben- und Hauptstelle erwogen. Es ist die Idee entstanden, einen Oszillator mit Kurzzeitstabilität zu verwenden, der über mehrere Stunden die Sendefrequenz konstant hält. Dabei wird die Oszillatorfrequenz auf eine niedrige Frequenz (z.B. 5 kHz) geteilt und über die 23cm-Linkstrecke übertragen. Da bei der Übertragung mit einem Phasenjitter zu rechnen ist, kann nur über einen längeren Zeitraum eine Synchronisation erfolgen. Diese erfolgt durch Auszählen 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

Für die Aufbereitung der Sendefrequenzen werden PLL-Synthesizer verwendet. Dies ist aus zwei Gründen erforderlich:

· Verfügbare, genaue Quarzoszillatoren arbeiten auf konstanten Frequenzen (z.B. 6.4 MHz), aus denen sich durch Vervielfachung die Sendefrequenz nicht gewinnen läßt.

· Der Sender muß FM-moduliert werden, was mit einem entsprechend genauen Oszillator nur schlecht möglich ist.

Beide Gründe machen den Einsatz eines Synthesizers erforderlich.
Auch dieser muß jedoch besonderen Anforderungen genügen.

· Das Übertragungsverhalten 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 Übertragungsverhalten (Amplitude und Phase) mit ein. Das ist zunächst 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 Instabilitäten und Mikrofonie im VCO oder mangelhafter Präzision des Phasenvergleichers, dürfen nicht auftreten.

Die Baugruppe "Kobold" von H.Helpert, DJ9HH, erfüllt diese Anforderungen und wurde deshalb verwendet.

Die Empfänger

Da es sich um zwei vollwertige Relaisfunkstellen handelt, gibt es auch zwei Empfänger, die das Unterband empfangen, auf dem der Relaisbenutzer sendet. Da wir eine Auswahl der beiden Empfangssignale vornehmen wollen, um auch auf dem Empfangsweg einen Auffülleffekt, eine Empfangsdiversity, zu erreichen, müssen beide Signale auf Ihr Rauschmaß (Feldstärke) hin beurteilt werden. Diese Beurteilung der beiden Empfangssignale geschieht in der Hauptstelle. Hierzu wird das Empfangssignal der Nebenstelle auf einem Teil des 23cm Zubringers zur Hauptstelle transportiert.

Empfängerauswahl

Wünschenswert ist, daß von beiden Empfängern das jeweils augenblicklich rauschärmere ("bessere") Signal zum Sender durchgereicht wird. Das macht eine objektive Bewertung beider Signale erforderlich.

Die Erfassung der Signalqualität erfolgt zentral in der Hauptstelle.

Von der Nebenstelle muß also das Empfängersignal inklusive der Rauschinformation zur Hauptstelle übertragen werden. Dies erfordert eine NF-Bandbreite von etwa 8 kHz, damit ein hinreichend großer Anteil der Rauschinformation zur Auswertung zur Verfügung steht. Da die Linkstrecke einen sehr guten Störabstand aufweist, ist ein relativ geringer Frequenzhub von ca. ± 2 kHz ausreichend. Dies hält die Gesamtbandbreite mit etwa 25 kHz in einem erträglichen Rahmen. Es ist jedoch erkennbar, daß mehr Bandbreite erforderlich ist, als zur Übertragung eines einfachen Sprachsignals notwendig wäre.

Ein generelles Problem bei Empfängerbewertung über den Rauschabstand ist, daß pro zusätzlichem Empfänger je eine weitere 23cm-Frequenz erforderlich ist. Bei weiterem Ausbau muß deshalb nach Verfahren gesucht werden, die mehrere Empfängerzubringer auf einer Frequenz ermöglichen. Dies ist in jedem Fall ein Kompromiß bezüglich der Geschwindigkeit und Objektivität der Auswahl. Mit steigender Zahl von Empfangsstellen wird es aber unumgänglich werden.

Linkstrecke auf 23cm

Als Linkstrecke wird ein LinkTRX III nach DF9IC verwendet. Die Strecke wird vollduplex betrieben, da beide Richtungen gleichzeitig erforderlich sind.

Durch die relativ geringe Entfernung beider Standorte ist der Störabstand hoch genug, so daß dieser in weiteren Betrachtungen als beliebig gut angesehen werden kann.

Aus diesem Grund kann ein geringer Frequenzhub verwendet werden, der zwei Vorteile bietet. Zum einen ist dadurch die belegte Bandbreite begrenzt. Insbesondere beim Empfängerzubringer ist dies ein wichtiger Punkt. Zum anderen gehen die Eigenschaften des ZF-Filters und auch des Modulators wenig in die Linearität und den Phasengang des NF-Signals ein. Dies ist ganz entscheidend für den Zubringer des Sendesignals, da hier keinesfalls nichtlineare Verzerrungen entstehen dürfen.

Ausblick

Die besiedelten Gebiete des Landkreises Miesbach (und der angrenzenden Landkreise Bad Tölz und Rosenheim) sind im derzeitigen Ausbauzustand relativ gut versorgt. In den abgeschatteten Gebirgstälern südlich des Relaisstandortes besteht jedoch generell eine sehr schlechte Funkversorgung. Dies bezieht sich nicht nur auf den Einzugsbereich von DB0PM, auch andere Relaisstellen auf 70cm und 2m sind hier nicht zu hören.

Daher erscheint es wünschenswert, auch diese Gebiete mit zusätzlichen Relaisnebenstellen zu versorgen.

Es gibt eine Reihe von Bergen, die als Standorte für einen weiteren Ausbau in Richtung der Gebirgsregion geeignet wären. Die meisten davon sind jedoch völlig ohne Bebauung und bieten daher keine Infrastruktur. Eine freistehende Station in einem Naturschutzgebiet zu errichten, ist in der heutigen Zeit als praktisch unmöglich zu werten und auch nicht wünschenswert.

Im Mittelpunkt des Interesses stehen daher zwei Standorte, die zwar beide keinen Strom, wohl aber eine vorhandene Holzhütte aufweisen. Dies ist zum einen der Hirschberg (oberhalb von Bad Wiessee) und zum anderen der Roßkopf (oberhalb des Spitzingsee).

Danksagung

Abschließend möchte ich allen Beteiligten für ihre Hilfe bei der Realisierung dieses großen Projektes danken.

Besonderer Dank gilt Peter DJ1CC, (gesamte Mechanik, Aufbau) und meinem Freund Flori DL8MBT, (gesamte NF-Aufbereitung, Ablaufsteuerung, Abgleich, gesamte Verdrahtung, etc.). Ohne ihn und seine vielfältigen Fähigkeiten wäre das Projekt nie machbar gewesen.

Gunnar Sircar, DD5KI