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Die praktischen Aspekte
Dieser zweiteilige Artikel wurde mit freundlicher Genehmigung der ARRL aus der QST (Mai und Juni 1981) ins Deutsche übertragen von Robert Lentz, DL3WR. In Teil 1 wurde das Konzept der kohärenten Telegrafie-Übertragung (CCW) beschrieben; hier wird nun gezeigt, wie man es in die Praxis umsetzen kann.
Auf der Sendeseite ergeben sich für CCW-Betrieb zwei grundsätzliche Erfordernisse: Erstens muß die Tastung innerhalb der von einem stabilen Referenzoszillator abgeleiteten Zeitraster geschehen; sie müssen so regelmäßig sein, daß die Empfangsschaltung "weiß", wann sie zu erwarten sind. Zweitens muß die Trägerfrequenz während einer Verbindung - einschließlich aller Tastpausen - auf etwa 1 Hz stabil sein.
Die Raster können von einem Frequenz-Standard abgeleitet werden, in dem die Referenzfrequenz mit C-MOS- oder TTL-Schaltungen geteilt wird. Um die Raster auf 5 % einer Periode von 10 "Fenstern" pro Sekunde genau einzuhalten, ist eine Stabilität von 1/720000 Hz pro Stunde Funkbetrieb erforderlich. Ein Wert von 0,72 × 10-6 läßt sich mit der in Bild 7 gezeigten Schaltung leicht erreichen und bei sorgfältigem Aufbau und Abgleich mit einem guten Quarz auch übertreffen. Dieser Frequenzstandard arbeitet mit einem 4-MHzQuarz in Parallelresonanz bei Zimmertemperatur, dessen Temperaturkoeffizient (TK) in einem gewissen Bereich mit Hilfe der beiden 30-pF-Trimmer kompensiert wird. Der 4-pF-Trimmer dient dem Feinabgleich der Frequenz. Das Doppel-Flipflop (I2) teilt die Quarzfrequenz durch 4, so daß 1-MHz-Pulse zur Verfügung stehen, aus denen die 10-HzPulse für Taste und Raster gewonnen werden können.
Bild 7: Ein 1-MHz-Frequenzstandard für CCW-Stationen.
Sendertastung
Einfache Anordnungen zum Tasten eines Senders zeigt Bild 8. Ich habe sowohl die HD-10 (Heathkit) als auch den Accu-Keyer an CCW-Betrieb angepaßt (5), (6). Dabei ist letzterer wegen seines 1-Bit-Speichers günstiger. Gegenwärtig benutze ich das Tastenfeld AKB-1, welches mit einem CCW-Zusatz erhältlich ist. Ich habe auch schon einen KIM-1 Mikrocomputer benutzt, um in CCW und ASCII zu arbeiten. Der Computer erzeugt zu Beginn jedes Rasters mit Hilfe seiner internen Zeitbasis einen Interrupt, wozu seine Zeitbasis allerdings präzise justiert sein muß.
Bild 8: Zwei einfache CCW-Handtasten.
Die Taste muß bis zum Beginn eines Rasters geschlossen bleiben. Einmal aufgetastet, bleibt der Sender in Betrieb, auch wenn die Taste geöffnet wird, bis das 10-HzReferenzsignal das Ende des Rasters bestimmt. Die Tasteinrichtung unter (B) enthält einen 1-Bit-Speicher, was das Geben von Hand sehr erleichtert. Wenn die Taste geschlossen ist, wird das erste Flipflop gesetzt und bleibt so, auch wenn die Taste nun geöffnet wird. Wenn der Taktimpuls kommt, wird das zweite Flipflop gesetzt, wodurch das erste zurückgesetzt wird, bis die Taste erneut geschlossen wird. Wenn die vorhandenen Geräte mit invertierter TTL-Tastung arbeiten, benutzt man den Q-Ausgang.
CCW von Hand zu senden unterscheidet sich von gewöhnlicher Telegrafie und erfordert einige Eingewöhnungszeit. Punkte, Striche und Pausen können nämlich nur noch in vorgegebenen Rastern auftreten, während wir gewöhnt sind, Punkte Striche und Pausen nach Belieben zu beginnen. Mit etwas Übung sinkt die anfängliche Fehlerrate ungefähr auf den Wert, den man bei gewöhnlicher Telegrafie hat; man lernt die Taste zu drücken, bis man einen Punkt oder Strich starten hört, um dann in Takt mit den Rastern ein Wort oder einen Satz zu geben. Natürlich muß man dazu einen Mithörgenerator haben.
Sender-Stabilität
Die geringe Bandbreite des Empfangsfilters erfordert, daß die Sendefrequenz während einer Funkverbindung stabil bleibt. Dies ist vielleicht der am schwierigsten zu erfüllende Parameter bei CCW-Betrieb. Bei einem Zeitraster von 100 ms muß die Sendefrequenz auf 1 bis 2 Hz stabil sein. Für das 14-MHz-Band läßt sich dieser Wert mit einem guten Quarzoszillator erreichen, vorausgesetzt, seine Belastung schwankt nicht, wie es häufig durch die Sendertastung der Fall ist. Bei typischen Sender-Quarzoszillatoren verursacht nämlich die Tastung vielfach bis zu 50 Hz Frequenzabweichuhg, was unter normalen Umständen garnicht bemerkt wird. Bei CCW jedoch bedeutet eine derartige Frequenzabweichung Abbrechen der Verbindung, weil die Abweichung mehr als das Fünffache der Empfangsfilter-Bandbreite beträgt - was bei gewöhnlicher Telegrafieverbindung einer Frequenz-shift von 2,5 kHz entspräche!
Ein solcher Tast-Chirp hört sich manchmal spaßig an: Wenn man mit dem CCW-Filter empfängt und starke Störsignale mit Chirp auftreten, meint man, diese Signale würden während des Tastens im Band auf- und ab-huschen. Auch wenn sie die CCW-Frequenz treffen, bleibt die Zeitspanne in der sie im Durchlaßbereich sind, klein. Deshalb haben sie verhältnismäßig wenig Auswirkungen auf das CCW-Signal. Trotzdem können solche Störsignale - erzeugt durch ÜbersteuerungsEffekte weiter vorne liegender Empfängerstufen und durch Auswirkungen auf die Verstärkungsregelung - Probleme verursachen.
Die erforderliche Senderstabilität erreicht man durch den Einsatz hochwertiger Quarzoszillatoren, die selbst nicht getastet, sondern von mehreren Verstärker- und Pufferstufen gefolgt werden, welche die Auswirkungen von Belastungsänderungen durch das Tasten des Senders zu null machen. Das Schaltbild eines derartigen Steuersenders zeigt Bild 9. Seine Ausgangsleistung beträgt etwa 100 mW, womit schon Funkverbindungen gemacht wurden, indem die Schaltung durch ein Antennen-Anpaßgerät und eine Tasteinrichtung ergänzt wurde; ansonsten ersetzt sie den Sender-VFO.
Bild 9: Schaltbild eines KleinleistungsCCW-Senders (-Exciters).
Die Gesamt-Kapazität vom Quarz nach Masse sollte 30 pF betragen. Hochwertige (Trimmer-) Kondensatoren sind wichtig.
Die Ausgangsspule benötigt etwa 2,5 µH mit 2 Windungen auf dem kalten Ende zum Auskoppeln.
Versuche haben gezeigt, daß dieser Oszillator nach einer Anwärmzeit von 30 Minuten beim Tasten auf 1 Hz stabil ist und es während mehr als 1 Stunde bleibt. Der Abstimm-Drehkondensator am Quarz erlaubt VFO-ähnlichen Betrieb in einem 20 Hz breiten Bereich. Um die Stabilität zu verwirklichen, wird dem Oszillator nur eine sehr geringe Leistung entnommen und es sind zwei Trennstufen eingesetzt, um Lastwechsel-Effekte der hinteren Stufen auf den Oszillator klein zu halten. Für die meisten Anwendungen - insbesondere wenn diese Baugruppe ständig eingeschaltet bleibt - kann man den 10-pF-Kompensationskondensator mit dem TK-Wert N1500, sowie den zugehörigen Trimmer durch einen Festkondensator ersetzen. Wenn man die Trimmer zur Kompensation des Temperaturgangs benutzt, dann stellt man sie ein, während man die Frequenz bei zwei verschiedenen Temperaturen mißt; beispielsweise bei 20 und 30°C oder bei 15 und 25°C - je nach dem, welchen Temperaturen die Schaltung ausgesetzt sein könnte. Ein Trimmer wird auf einen kleineren Kapazitätswert eingestellt und der andere um den gleichen Betrag auf einen höheren Wert. Dann wird die Frequenz bei den beiden Temperatur-Eckwerten wieder gemessen und die Prozedur sinngemäß fortgesetzt, bis die Frequenz bei beiden Temperaturen die gleiche ist.
Eine andere Möglichkeit, die Sendefrequenz zu stabilisieren, besteht darin, einen Oszillator durch eine Phasenregelschleife (PLL) festzuhalten, indem man einen hochstabilen Referenzoszillator für die PLL-Schaltung benutzt. Ein Empfänger mit Direktumsetzung nach dieser Technik wurde in (7) beschrieben. In (8) wird gezeigt, wie man mit Hilfe eines 5,0 bis 5,5-MHz-Synthesizers und eines 9-MHz-Frequenzstandards einen HW-8 steuern kann. Ich selbst habe eine Methode ausprobiert, in der die Frequenzen von HFO, BFO und VFO gemischt werden und die resultierende Frequenz durch Anbinden der VFO-Frequenz stabilisiert wird; dies geschah in einem Transceiver mit Doppelüberlagerung (SB-303/SB-401) und ist in (9) beschrieben.
Der VFO (LMO) eines Empfängers SB-303 kann nach der in Bild 10 gezeigten einfachen Methode angebunden werden, indem man die für FSK-Betrieb eingebaute Kapazitätsdiode benutzt. An Punkt C (Bild 10) kann man ein hochohmiges Voltmeter anschließen, um den eingerasteten Zustand zu überwachen. Während des Betriebs stimmt man den VFO langsam über die Frequenz des Standards ab; das Einrasten erfolgt etwa 250 Hz oberhalb und unterhalb der Referenzfrequenz. Einmal eingerastet, steuert der Quarzoszillator die Empfangsfrequenz, und sie kann am Drehkondensator des Quarzoszillators wesentlich präziser als am VFO eingestellt werden. Der Quarzoszillator kann durch einen 5,0 bis 5,5-MHz-Synthesizer ersetzt werden, der seinerseits von einem geeigneten Frequenzstandard gesteuert wird. Ray Petit hat einen derartigen Synthesizer, der in 100-Hz-Schritten geschaltet werden kann, in (10) beschrieben.
Bild 10: Auf diese Weise kann man den LMO in den weit verbreiteten Geräten der Serie SB von Heathkit anbinden. Testpunkt "C" kann zur Kontrolle des eingerasteten Zustandes dienen.
Bild 11 zeigt ein Blockschaltbild des gegenwärtig in meiner Funkstation benutzten Senders. Der 12,0-MHz-Quarzoszillator ist hochstabil; ähnliche Oszillatoren werden für Betrieb im 21-MHz- und im 28-MHz-Band benutzt. Der Synthesizer wird von einem 1-MHz-Oszillator gesteuert, der dem in Bild 7 gezeigten Oszillator ähnelt. Beide Oszillatoren sind ständig in Betrieb und ihre Frequenzen werden in einem Ringmischer gemischt. Die darauf folgende 14-MHz-Verstärkerstufe wird getastet, was Break-in-Verkehr auf der gleichen Frequenz erlaubt.
Bild 11: Blockschaltbild des vom Autor verwendeten Senders. Zur Erhöhung der Stabilität arbeiten beide Oszillatoren im Dauerbetrieb.
Anforderungen an den Empfänger
Zusätzlich zum CCW-Filter muß der Empfänger eine Stabilität in der Größenordnung von 1 Hz über die Dauer eines Funkkontakts zeigen, und er muß eine Abstimm-Treffsicherheit haben, die besser als die Filterbandbreite ist. Mit einer Filterbandbreite von 10 Hz nach einem Signal zu suchen, dauert fast 200 mal so lang wie ein Band mit einer Filterbandbreite von 2,1 kHz abzusuchen. Wenn die Phase und die Rasterlänge ebenfalls unbekannt wären, würde es sogar mehr als 1000 mal so lang dauern, ein Band nach einem CCW-Signal abzusuchen, wie nach einem gewöhnlichen Telegrafiesignal. Das ist der Grund, warum man sich in der Praxis auf eine genaue Frequenz und Rasterlänge im voraus einigt. Ausreichende Stabilität ist mit guten Quarzoszillatoren leicht zu erreichen, wenn die Temperatur sich in einer langen Anwärmperiode stabilisieren konnte und stabile Umgebungsbedingungen existieren.
Bild 12 zeigt das Blockschaltbild des gegenwärtig von mir verwendeten Empfängers. Die Grobabstimmung wird am hochfrequenten Quarzoszillator und am BFO vorgenommen, was einen Bereich von ungefähr 800 Hz um die gewünschte Frequenz ergibt. Der Oszillator für die CCW-Filter-Mittenfrequenz-Referenz (4 x Mittenfrequenz) wird für die Feinabstimmung über einen Bereich von etwa 25 Hz verwendet. Ein ZF-Teil, das in etwa dem in (11) beschriebenen entspricht, hat sich anderen gegenüber als überlegen erwiesen. Die besten Ergebnisse erzielt man, wenn man die automatische Verstärkungsregelung mit der AGC-Spannung aus dem CCW-Filter realisiert.
Bild 12: Blockschaltbild des vom Autor verwendeten Empfängers.
Das Filter
Eine praktische Schaltung für ein KohärenzDigital-Filter zeigen die Bilder 13, 14 und 15. Der erste CD4066 wird als Schaltmischer benutzt, während der zweite die Funktionen Abtasten. und Kurzschließen ausführt. Ein NF-Signal kann von einem digitalen Mischer, wie dem in Bild 14 gezeigten, abgeleitet werden, indem die Ausgangssignale beider Kanäle verwendet werden. Dieses Signal stellt die Differenz beider Kanäle dar und kann mit Hilfe eines Operationsverstärkers unsymmetrisch gegen Masse gemacht werden. Zum Ansteuern eines Computers können aber auch beide Signale A/D-Wandlern zugeführt werden. Die Raster-Referenz-Erzeugung ist in Bild 15 dargestellt.
Bild 13: Eingangsteil des CCW-Filters. Die Wirkungsweise ist in Teil 1 dieses Beitrags (UKW-Berichte 2/1981) erklärt.
Bild 14: In diesem Teil des CCW-Filters wird durch digitales Mischen ein NF-Ausgangssignal erzeugt.
Bild 15: Diese Schaltung erzeugt - ausgehend vom 1-MHz-Referenzsignal - dei Impulse, die das Raster bestimmen (= Bandbreite) und Rasterphase sind umschaltbar.
Ein mikroprozessor-gesteuertes Filter
Den Logikaufbau eines computergesteuerten Systems, das ich benutzt habe, zeigt Bild 16. Die Schaltmischer gleichen grundsätzlich denen des vorstehend beschriebenen Filters. Ein Computer-Programm steuert die Analog/ Digital-Umwandlung und die Kurzschluß-Funktionen. Auch der Mischer wurde vom Computer gesteuert, doch der VFO wird besser vom Operator eingestellt.
Bild 16: Ein exprimentelles, computergesteuertes CCW-Filter-System, wie es der Verfasser verwendet hat. Das Filter entspricht dem in den Bildern 13, 14 und 15 gezeigten, aller Schalter werden allerdings vom Computer gesteuert.
Die interne 1-MHz-Zeitbasis ist stabilisiert und wird zur Definition der Raster benutzt. Die Phase wird durch das Computer-Programm abgeglichen, was durch einen Befehl des Operators ausgelöst wird. Auf einen Tastendruck hin wird die Rasterphase in 10-ms-Schritten erhöht oder erniedrigt. Ich habe auch mit einem Computerprogramm zum automatischen Abstimmen der Phase experimentiert, aber ich habe noch keine befriedigende Lösung gefunden, den eingerasteten Zustand bei Unterbrechungen der Verbindung aufrecht zu erhalten, wie sie durch Störungen oder Pausen verursacht werden.
In den Pausen zwischen dem Abtasten und dem Kurzschließen wandelt der Rechner die empfangenen Morse-Signale in den ASCII-Code um und übergibt die Zeichen an ein Video-Zeichen-Display oder einen Drucker.
Schwache Signale und Rauschen
Der Empfang schwacher CCW-Signale unterscheidet sich deutlich von dem schwacher gewöhnlicher Telegrafie-Signale. Wenn ein Telegrafie-Signal schwächer wird, ergeben QRN und QRM normalerweise weiterhin "kein Ausgangssignal", bis wir schließlich nur noch einen der Filterbandbreite entsprechenden Rauschpegel haben. Bei CCW dagegen äußert sich Rauschen als eine Reihe von Punkten im Raster, und seine Intensität var!iert nach Zufallsgesetzen. Durch das CCWFilter wird das Ausgangssignal bestimmungsgemäß auf eine Frequenz begrenzt; ein schwaches Signal kann man als Zufallsgemisch aus fehlenden und zusätzlichen Punkten mit dem Nutzsignal charakterisieren.
Ein genaues Einstellen der Raster-Phase ist wichtig, denn wenn sie nicht genau stimmt, fallen Teile der Punkte und Striche in benachbarte Raster. Dies macht das Signal unleserlich, und wenn es schwach ist, bleibt es vielleicht ganz unentdeckt. Beim Empfang einer Serie von Punkten - was zu einer Standard-Prozedur in einem CCW-CQ-Ruf geworden ist - kann man auf besten Kontrast zwischen Punkten und Pausen abstimmen. Bei starken Signalen kann man einen Phasenfehler von nur 10 % durchaus bemerken. Eine leicht voreilende Phase verursacht ein schwaches "Mark" unmittelbar vor jedem Punkt oder Strich, wogegen eine nacheilende Phase ein schwaches "Mark" unmittelbar nach dem Punkt oder Strich zur Folge hat.
Betriebspraxis
Unter günstigen Bedingungen ist es oft bequem, das CCW-Filter zunächst mit einer kürzeren als der optimalen Rasterlänge zu betreiben. Bei 10-ms-Rastern beispielsweise beträgt die Bandbreite 100 Hz und der Phasenabgleich macht nur wenig Unterschied. Trotz des Verlusts von etwa 10 dB durch die größere Bandbreite wird diese Methode zum ersten Auffinden des Signals angewendet. Wenn man ein Signal einmal hat, kann man Phasenabgleich und längere Raster-Perioden einsetzen, um den Empfang zu optimieren.Statt ein Frequenzband durchzustimmen, kann man die Phase durchstimmen. Dazu müssen Rasterlänge und Betriebsfrequenz verabredet sein, so daß man die Abstimmung der Phase mit einem Abgleich der Filterphase durchführen kann. Wenn dann die Phase fast stimmt, kann man auch die Frequenz fein abstimmen. Die gegenwärtige Praxis verlangt, daß die Gegenstation 15 Sekunden lang Punkte sendet, um einem das Einrasten zu ermöglichen. Ein Dauerträger von 10 Sek. hilft dann beim Feinabgleich der Frequenz.
Auch Zeitzeichen-Signale von Sendern wie WWV oder DCF77 können benutzt werden, um den Phasenabgleich der Raster für die Tastung und für das CCW-Empfangsfilter durchzuführen. Ein derartiger Abgleich muß allerdings die elektromagnetischen Entfernungen (Laufzeiten) zwischen Zeitzeichensender und Empfangsstation, wie auch zwischen den beiden Funkpartnern berücksichtigen. Mit Hilfe dieser Technik wurden Funkverbindungen zwischen Japan und Kalifornien erfolgreich durchgeführt; die Prozedur ist allerdings komplizierter als der vorher beschriebene Phasenabgleich.
Abschließende Bemerkungen
CCW bietet die Möglichkeit, einige interessante, neue Betriebstechniken anzuwenden. Angenommen, die Amateurfunkstationen der Welt würden vereinbaren, die Betriebsfrequenzen auf Vielfache von 10 Hz zu legen - dann würde dies 20000 Kanäle in den ersten 200 kHz eines Bandes ergeben! Wenn darüberhinaus vereinbart würde, in Zeitrastern zu senden, die mit den 0,1-s-Impulsen der Weltzeit synchron wären, dann könnte man die Empfangsraster so legen, daß Signale aus einer bestimmten Entfernung in Phase ankommen. Für 10000 km wäre beispielsweise eine Verzögerung von rund 30 ms erforderlich. Wenn das eingestellt ist, sucht man die Kanäle nach einer oder nach der Station in der gewünschten Entfernung ab. Im allgemeinen kann man mit einer Einstellung Signale aus einem Entfernungsbereich von etwa 8000 bis 12000 km - um im Beispiel zu bleiben - aufnehmen.
Jetzt kann man sich noch Mikroprozessor-Steuerung dieser ganzen Prozedur vorstellen und man kommt zum automatischen Empfang von Stationen in einer bestimmten Entfernung!
Kohärente Telegrafie-Übertragung ist eine nützliche Technik, die eine Erhöhung der Effektivität von Funkverbindungen um mehr als 20 dB ermöglicht. Dieser Faktor kann zum Ausgleich schlechter Übertragungsbedingungen, kleiner oder in ungünstiger Lage angebrachter Antennen, oder geringer Sendeleistung benutzt werden. CCW kann ebenso umwälzend für Telegrafie-Übertragungen werden, wie es SSB für Telefonieverbindungen war.
Viele der hier vorgetragenen Ideen gründen sich auf Ideen von Ray Petit, W7GHM. Es ist unmöglich CCW zu diskutieren, ohne ihn zu erwähnen. Dieser Artikel hat sehr von den kritischen Kommentaren und Anregungen von Jim Maynard, K7KK, und von Ray profitiert.
Literatur
- Woodson, Ch.: Conversion of the HD-10 Keyer to CCW, CCW-News Letter (CCWN) 1975:43
- Tyrell: Modifying the Accu-Keyer for CCW, CCWN 1976:68
- McCasky: The Coherent Ten-Tec: A Practical CCW Station Assembly, CCWN 1975:24
- Maynard, J.: HW-8 for CCW, CCWN 1978:153-155
- Woodson, Ch.: Stabilization of the SB-303 Receiver for CCW, CCWN 1975:60
- Petit, R.: Synthesizer for 5 to 5.5 MHz, CCWN 1976:65
- Hayward/DeMaw: Solid State Design for the Radio Amateur, ARRL 1977, page 225-235
Teil 1 - Teil 2
W6NEY, Charles Woodson.