Rob's web

Selectieve fading

Tonny PA4TON, cursusleider van V2G, behandelt in dit artikel naar aanleiding van een examenvraag uit 2000 de verschillende vormen van fading.

In het novice examen van najaar 2000 wordt voor vraag 17 de volgende antwoorden gegeven:

Vraag 17: Een voordeel van enkelzijbandmodulatie vergeleken met amplitudemodulatie is:
A. De vervorming tengevolge van selectieve fading is minder hinderlijk.
B. De frequentiestabiliteit van de ontvanger kan lager zijn.
C. De zendtrap kan in klasse C worden ingesteld.

Als men de gemakkelijke weg kiest om dit te beantwoorden zou je achter in het examenboekje kunnen kijken voor het juiste antwoord. Hier staat:

N-70 en N71

Een EZB zender eindtrap mag niet in klasse C zijn ingesteld.

Frequentieafwijking van meer dan 100 Hz veroorzaakt bij EZB sterke vervorming van het signaal.

Doordat er bij EZB maar een zijband is, veroorzaakt selectieve fading minder vervorming dan bij een AM signaal dat twee zijbanden heeft.

Begrippen rond SSB

Fig. 1

De eerste twee zinnen slaan natuurlijk op de antwoorden C en B, terwijl de laatste het juiste antwoord A aangeeft. Om dit zelf goed te kunnen beantwoorden is het noodzakelijk enkele begrippen rond SSB uit te leggen en te vertellen waarom we SSB gebruiken.

In een AM signaal bevindt zich na modulatie en de nodige bewerkingen in elke zijband dezelfde laag frequent informatie die door een AM zender via de antenne in de ether gezet en verstuurd wordt om uiteindelijk weer in een of meer ontvangers hoorbaar te worden gemaakt.

Dat is verspilling en kost ook dubbel zoveel bandbreedte als bij een enkelzijbandzender.

Als we ook de draaggolf onderdrukken zal het tevens vermogen schelen.

Alle energie kunnen we dan beter in het zijband signaal stoppen, wat dan een factor 6 groter wordt!

B.v. een AM zender van 150W zijn de beide zijbanden 25W.

Als bij SSB de 150W in een zijband gestopt wordt, zal het effect zijn: draaggolf + 2 zijbanden 4 × 150 + 150 + 150 = 900 W. Hierdoor zal de S/N verhouding beter worden door de kleinere bandbreedte en de invloed van QRM neemt ook af. Waarom gebruiken we nog AM?

Om een goede SSB ontvangst te garanderen zijn er een aantal voorwaarden die zo'n ontvanger toch duur maakt.

Een SSB ontvanger moet beschikken over de onderstaande eisen:

Dit laatste kan niet gebruikt worden omdat er in SSB geen draaggolf zit waar we op kunnen regelen.

Door het bovenstaande is dus duidelijk dat antwoord B niet goed is.

Bij amplitudemodulatie zit de informatie op de omhullende van de draaggolf. Leonard de Vries spreekt in zijn boek "Jongensradio over het paard en de ruiter". Waarbij het paard de HF draaggolf is en de ruiter de LF informatie. Die na de rit (reis door de ether) beide toe zijn aan hun versterking (een stevige boterham).

Antwoord C is niet goed, omdat bij klasse C de omhullende verminkt wordt.

Helaas is dit alleen mogelijk bij een klasse A versterker, waarbij over de volle 360° van elke periode sturing wordt toegevoerd. Ten koste van een laag rendement ca. 25%.

Volledigheidshalve is nog te vermelden, dat ook wel combinaties gebruikt worden van A, B en AB klassen. Maar wel met de nadruk op lineairiteit, waarbij het rendement hoger ligt (op ruim 50%).

Fading

Omdat fading voor HF ontvangst kenmerkend is nemen we dit verschijnsel eens onder de loep.

Wanneer de fading diep is, en de verschillen in signaalsterkte dus aanzienlijk met de tijd varieren, gaat deze gewoonlijk gepaard met vervorming.

Als antwoord op onze vraag geldt clan ook: De vervorming treedt in de ontvanger op wanneer de sterkte van de draaggolf ten opzichte van de sterkte van de zijband onvoldoende wordt.

En bij SSB is er geen draaggolf dus heeft fading hier geen of minder invloed op. Alhoewel de eisen voor een SSB ontvanger ook niet misselijk zijn!

Bij de gemiddelde ontvanger is de tijdconstante van de automatische versterkingsregeling (AVR) ingesteld op 0,1 seconde. Aanpassing van de AVR aan de fadingfrequentie is slechts mogelijk bij amateur-en communicatieontvangers. De AVRschakeling werd o.a. ontworpen om het hoofd te kunnen bieden aan grote signaalvariaties op de antenne, waardoor men b.v. bij het afstemmen tevens frequent de volumeregelaar zou moeten hanteren. De fadingcompensatie is echter de belangrijkste taak van het AVR-circuit.

Maar ook de beste AVR schakeling zal fading niet onder alle omstandigheden kunnen opheffen.

Bij fading wordt de ontvanger periodiek versluierd en zal zich openbaren als:

Langzame variaties van enkele tot tientallen malen per minuut gepaard gaande met de nodige vervorming.

Er zijn een groot aantal typen fading te onderscheiden, waarvan de belangrijkste nu achtereenvolgens worden belicht.

Absorptiefading

De uitgezonden radiostraling wordt in de onderste lagen de ionosfeer geabsorbeerd. Dit type fading betreft brede frequentiebereiken en in de meest extreme vorm, Mogel-Dellinger effect, praktisch het hele RF spectrum.

Tegen absorptiefading is behalve door een goede AVR nets te doen: een signaal dat door de ionosfeer wordt geabsorbeerd is niet meer terug te winnen.

Polarisatiefading

Door de ionosfeer reflectie kan de oorspronkelijke polarisatie van een signaal worden gewijzigd. Omdat de polarisatie van de ontvangstantenne vast ligt, zal het signaal dus worden verzwakt.

De amplitudeverschillen, die als gevolg van absorptiefading en polarisatiefading ontstaan, kunnen voor een deel door de AVR worden gecompenseerd. AVR heeft echter geen enkel heilzaam effect op interferentiefading. Tegen polarisatiefading helpt simultane ontvangst op twee antennes die in polarisatie verschillen, maar niet ver uit elkaar hoeven te staan. Deze polarisatie diversity is wel haalbaar voor het gemiddelde amateurbudget.

Interferentiefading (selectieve fading)

Bij ontvangst van een zender via twee verschillende propagatieroutes zal door het faseverschil een smal frequentiebereik (enige tientallen tot honderden Hz) hetzij worden verzwakt, hetzij worden versterkt. Het gebied waarin de interferentie optreedt, verschuift langzaam door het RF spectrum.

Interferentiefading is echter afhankelijk van twee factoren:

Simultaan ontvangen

Het is mogelijk het signaal simultaan op twee verschillende antennes te ontvangen die enige golflengten van elkaar of staan. Dit is een mogelijkheid die voor amateurs niet haalbaar is wegens de benodigde ruimte. Door het signaal simultaan op twee verschillende frequenties te ontvangen (frequentie-diversity). In feite is dit het grote voordeel van DSB! Ook FM biedt voordelen en RTTY heeft eveneens een ingebouwde frequentie diversity: de shift.

In de professionele en vooral de militaire sector is dit nog veel verder doorgevoerd. Frequentie-diversity vereist echter, dat er reeds aan de zenderzijde iets wordt gedaan: simultaan uitzenden op meerdere frequenties. Overigens is dat iets dat door een aantal omroepzenders wordt gedaan en kan worden benut.

Ontstaan interferentiefading

De interferentiefading komt het meest voor. Voor een begrip van het ontstaan van deze fading kan als (niet geheel verantwoord) voorbeeld de zweving of interferentie tussen twee muzikale tonen van een iets verschillende frequentie dienen. De periodieke verzwakking en versterking treedt op doordat de golflengten van deze tonen iets van elkaar verschillen.

Hierdoor zijn de luchttrillingen die ons oor bereiken, periodiek gedurende korte tijd synchroon (in fase) en versterken elkaar dus, terwijl ze even later volledig asynchroon (uit fase) zijn en elkaar verzwakken.

Het periodiek sterker en zwakker worden van de toon beet zweving of interferentie. Bij interferentie fading versterken en verzwakken de signalen van dezelfde bron (die dus niet in frequentie verschillen) elkaar, omdat zij veelal langs verschillende wegen de ontvangantenne bereiken.

Deze afwijking, die maar heel klein behoeft te zijn om al aanleiding tot fading te geven, wordt veroorzaakt door bewegingen en onregelmatigheden in de ionosfeer. Ook speelt de breedte van de door de zendantenne uitgestraalde bundel een grote rol, met name over langere afstand. De aan de ontvangantenne arriverende signalen zijn sommaties van een groot aantal uiterst kleine signaaltjes, die onderling op complexe wijze in fase kunnen verschillen. De variatie van de faseverschillen in de tijd geeft aanleiding tot de periodieke sterkteverschillen van het signaal op de plaats waar de antenne zich bevindt.

Reeds eerder werd erop gewezen dat korte golfsignalen in het algemeen horizontaal zijn gepolariseerd: de elektrische component van het elektromagnetische veld verplaatst zich evenwijdig met het aardoppervlak. Door de reflecties van de strafing tegen ionosfeerlagen en tegen de bodern, blijft er van deze horizontale polarisatie na enkele hops net zoveel meer over. Dat op zichzelf veroorzaakt geen fading; wel echter ontstaat fading wanneer de polarisatie van de golf zich periodiek wijzigt.

Bij de ontvangst van verafgelegen stations draait de polarisatie langzaam terwijl de strafing voortijlt. Wanneer dit signaal een antenne treft, zal - aangezien de kortegolf -antenne voornamelijk gevoelig is voor de elektrische component van de uitgezonden strafing - de aangeboden signaalsterkte zich dus periodiek wijzigen. Men noemt dit polarisatie-fading. Terloops zij nog opgemerkt dat men spreekt van een elliptische polarisatie wanneer de onderlinge relatie tussen het magnetische en het elektrische veld weliswaar blijft bestaan, maar dat beide loodrecht op de bewegingsrichting draaien.

Ontstaan absorptiefading

Absorptiefading ontstaat wanneer zich periodieke en kortstondige wijzigingen voordoen in de absorptie die de strafing onderweg ondervindt. De periode van dit type fading is gewoonlijk nogal lang, omdat de mate van absorptie in de ionosfeer vrijwel nooit plotseling verandert.

Men zou van de SID kunnen zeggen dat het een extreem geval van absorptiefading is.

Bij korte golf overdracht is er gewoonlijk sprake van een skipzone. Dit is de stile zone die zich bevindt tussen de plaats waar het afgestraalde signaal de aarde verlaat en de plaats waar ze voor het eerst op aarde terugkeert.

De grootte van de skip hangt of van de reflecterende eigenschappen van de ionosfeerlagen en met name van de F2 laag. Wanneer de MUF dus, bijvoorbeeld tengevolge van turbulenties in de ionosfeer, enigszins varieert, verandert daarmee de grootte van de skipzone.

Een ontvangstation dat zich net op de rand van de skipzone bevindt, heeft onder die omstandigheden last van skip fading. Dit type fading is erg diep en treedt ook plotseling op. De kans op skip fading is groter naarmate de gebruikte frequentie dichter bij de MUF ligt.

In de avonduren kan skip fading met, name optreden doordat de reflecterende eigenschappen van de ionosfeer afnemen. Wanneer radiostations dan te lang op een frequentie blijven werken, wordt die geleidelijk onbruikbaar. In de fase tussen bruikbaar en onbruikbaar treedt dan regelmatig skip fading op.

Bijzondere vormen van fading Soms heeft men er niet alleen behoefte aan om de oorzaak van de fading te kennen, maar ook om deze te omschrijven. Zo wordt het voorkomen van zeer snelle fluctuaties in de signaalsterkte wel omschreven als flutterfading, vaak alleen 'flutter' genoemd. Dit is een vorm van interferentiefading, die vooral voorkomt in samenhang met ionosferische verstoringen, dan wel optreedt voor signalen waarvan het traject door of vlak langs de poolzone loopt.

De poolzone is een imaginaire zone rond de magnetische polen, waar de absorptie, o.a. door de stand van de veldlijnen van het aardmagnetisch veld, hoog is. In deze zone komt ook het noorderlicht voor. Voor Europa en voor Amerika is de pool-zone een grote hindernis bij kortegolfcommunicatie, met name voor die trajecten die de 60e breedtegraad kruisen. Dit geldt met name radiosignalen van Europa naar westelijk Noord-Amerika, en van Amerika Noord- en Oost-Europa.

De fading kan soms zo frequentieafhankelijk worden dat zij de draaggolf en een of elk der zijbanden verschillend beinvloedt. In dat geval treedt tijdens de fade tevens een sterke vervorming van het signaal op. Men duidt deze vorm van fading aan met de term selectieve fading.

Tonny van den Burgh, PA4TON.