Die aktuelle Bestandsaufnahme auf der HAM RADIO 2012

(oh) Die Vorstellung und Bewerbung der digitalen Betriebsarten war das Hauptthema der diesjährigen Messe in Friedrichshafen. Doch zuerst sollte man sich darüber im Klaren sein, von was dabei die Rede ist. Wo beginnt die Definition und wo hört sie auf? 

Seit 1973, dem Geburtsjahr des uns bekannten Mikroprozessors nach dem NEUMANN-Prinzip, dem Typ 8080, werden diese Bauteile in vielfältiger Weise im Amateurfunk eingesetzt. Jedes moderne Funkgerät hat einen Prozessor eingebaut, der die Vielfalt der Funktionen erst ermöglicht. Synthesizersteuerung, Modulationssteuerung, verfügbare externe Schnittstellen und Vieles mehr werden durch diesen Prozessor verwirklicht. Das war nicht immer so.

Die ersten Baugruppen, die digitalisiert wurden, waren die Frequenzanzeige und die Oszillatoren. Anfang der 70er Jahre des letzten Jahrhunderts war die Frequenzeinstellung und –erzeugung analog.
Ein variabler Oszillator, verändert in der Frequenz über die Abstimmachse einer Kapazität (Drehkondensator) oder eines Ferritkernes in einer Induktivität (Permeabilitätsabstimmung) mit oder ohne Zwischenschaltung eines mechanischen Feintriebes und eingebaut in ein wasserdichtes, thermisch entkoppeltes Gehäuse war das Herz der Frequenzaufbereitung. Einflüsse, wie thermische und mechanische Brücken, schwächten die Frequenzstabilität. Instabilität wurde oft noch vergrößert, weil der VFO-Ausgang in einer Vervielfacherstufe mündete und erst verdreifacht, vervierfacht, ver-x-.facht wurde Die Fehler wurden im gleichen Ausmaß vergrößert.

Als Abhilfe wurde in der Folge das erforderliche Oszillatorsignal mit einer quartzgesteuerten Fixfrequenz (hohe Frequenzstabilität) und einer möglichst niedrigen VFO-Frequenz (bessere Stabilität) zusammengemischt.

Für die niedrige VFO-Frequenz war die digitale Frequenzmessung mit diskreter Technik (TTL und CMOS) möglich geworden. Anzeigebausteine, wie der CD4511, mit 4 bit Eingang und Sieben-Segment-Ansteuerung am Ausgang erleichterten das LED-Anzeigedesign.

Mit entsprechenden Dezimalzählern konnte man die Fixfrequenz des Quartzoszillators an einem Inputport parallel übergeben und mit den Zählimpulsen der VFO-Frequenz addieren oder abziehen. Damit erreichte die Ausgabeanzeige den realen VFO-Frequenzwert. Wenn man den Wert der Zwischenfrequenz mit der Quartzoszillatorfrequenz richtig verknüpfte, erschien auf dem Display die exakte Empfangsfrequenz. Ein ungeheurer Fortschritt gegenüber den Analoganzeigen auf einer Drehskala, die noch dazu immer wieder mit einem internen oder externen Eichgenerator geeicht werden mussten.

Ich habe selbst auf dieser Basis meinen ersten 8-stelligen Frequenzzähler für bis zu 450 MHz am Eingang 1972 entwickelt und aufgebaut. Langzeitstabilität wurde mit einem 70° Quartzofen und einem Präzisions-Quartzschnitt  für den Eichquartz auf 10,000 MHz garantiert. Eingangsteiler war damals ein 11C90 und der hochohmige Eingangsverstärker wurde dreistufig mit einem Dualgate-MosFet, einem BF245B und einem speziellen Bipolartransistor aufgebaut. Wie man sieht, ein gewaltiger Schaltungsaufwand, vom speziell erforderlichen Platinendesign ganz zu schweigen.

Mit Fortschritt der Technik wurde dieser Funktionsumfang ( Torschaltung -. 6stelliger Dezimalzähler mit Siebensegment-Ausgangssteuerung) in einen Baustein integriert (z.B.: MK30398 von Mustek), bis etwa 45 MHz verwendbar. Für höhere Frequenzen musste ein Vorteiler vorgeschaltet werden.Mittels Mikroprozessortechnik wurde im Laufe der Zeit diese Anforderung, erweitert um die Funktionen Frequenzspeicherung und alphanumerische Anzeige, in der Software abgebildet.

Die Verfügbarkeit von schnellen VCO's (variable controlled oscillator) und integrierten Teilern führte zu einer weiteren VFO-Spezies, dem Synthesizer. Die VFO-Frequenz wird auf eine Referenzfrequenz heruntergeteilt und auf Frequenz und Phase mit einem hoch präzisen Normal verglichen. Abweichungen werden als Korrekturspannung dem VCO rückgeführt 

Neben dieser geräteinternen Digitalisierung, wurden die Begleitfunktionen, wie Logbuchführung, usw. ebenfalls in einem  Mikroprozessorsystem realisiert. 

Bei dieser Entwicklung lag es nahe, maschinelle Übertragungsarten, wie das Fernschreiben, zu digitalisieren. Am Anfang bestand die Kombination aus einem Modem, das die beiden Tonfrequenzen 2125 und 1445 Hz in ein H/L-Datensignal umsetzte, bzw. aus einem 0/1-Zustand die Töne erzeugte. Die Gleichspannungszustände, Standard: 0 und 5 VDC, wurden über eine asynchrone Schnittstelle (1 bit am Parallelport) eingelesen oder auf V.24 (-12/+12VDC) umgesetzt und über einen seriellen Schnittstellenbaustein mit dem Rechner verbunden. Die Taktrate konnte über einen internen Taktgeber leicht angepasst werden und die Zusatzbits (Startbit, Stoppbit, Paritätsbit) eingestellt werden.

Am Anfang war der Zeichenvorrat noch in fixen Look-ahead-Tabellen in einem Festspeicherbaustein (ROM/PROM/EPROM/EEROM) abgelegt. Durch den technischen Fortschritt konnte er in die flüchtigen Hauptspeicherbausteine eingebettet und fallweise dynamisch verändert werden.

Schnelle Analog/Digitalwandler und vice versa ermöglichten in der Folge die A/D-Wandlung direkt in den Rechner zu integrieren und die externen Modem auslaufen zu lassen. Hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten der Prozessoren, inklusive einer speziellen Architekturveränderung schufen in der Folge die Möglichkeit des digital signal processing (DSP) in einem einzigen Baustein.

Am Anfang von DSP wurde ein 12 KHz breiter Audiokanal digitalisiert. Die darin enthaltenen Informationen konnten mit schnellen Rechenalgorhytmen das Nutzsignal unabhängig von der Modulationsart dekodieren. Die Signal-/Rauschabstände wurden mit Softwarefiltern verbessert.

Durch iterative (wiederholende) Rechenprozesse wurde es in jeder Schleife besser herausgehoben, was in der Analogtechnik einer Verstärkung entspricht.  Dieses Verfahren wird heute speziell in der interstellaren Kommunikation angewendet.
Unsere Empfangsergebnisse (AMSAT/DL) am 20m-Radioteleskop in Bochum der Stereo-Sonden der NASA, die eine der vielen hervorragenden Leistungen der Funkamateure in der extraterrestrischen Kommunikation darstellt, werden mit einem DSP-Verfahren von ON6UG, Freddy Guichternieure, ermöglicht.
In diesem Verfahren wird ein mehrere Minuten langer Empfangsblock einer mehrfachen Rechenwiederholung unterzogen, damit das im Rauschen liegende Nutzsignal so verstärkt, dass es normal an die Auswertung weitergegeben oder, falls so moduliert, als analoges NF-Signal restauriert hörbar gemacht werden kann.

Wie bei allen Entwicklungen, waren auch hier Funkamateure in den Entwicklungslabors der Hochschulen und Industrie tätig, die die gewonnenen Ergebnisse und neu aufgelegten Bausteine in die Hobbyschiene mit übernahmen. So fanden digitale Modulationsarten aus dem Profibereich ihren Weg in den Amateurfunk. Parallel entwickelten findige Amateure ebenfalls neue Modulationsarten, die dann, mit neuen Übertragungsprotokollen versehen, zu neuen digitalen Betriebsarten mutierten.
Waren es in den Großväterzeiten Funkamateure gewesen, die die Brauchbarkeit des Kurzwellenbereiches für den Interkontinentalverkehr erarbeiteten oder die Einseitenbandmodulation (SSB) als Norm salonfähig machten, so versuchten Funkamateure jetzt ausgereifte, schnelle Übertragungsarten und –protokolle im Amateurfunk zu etablieren. So gelangten erweiterte Pulsmodulationen, fehlerkorrigierte Verfahren wie AMTOR und PACTOR und digitale Modulationsarten wie FSK, PSK, Quadraturmodulation usw. in den Amateurfunkbetrieb.

Darauf aufbauend wurde die Datenpaketübertragung mit dem AX25 Protokoll, allgemein bekannt als packet radio, eingeführt.
Andere Protokolle fassten im Telegrafiebereich Fuß, wie die FEC-Verfahren oder Mehrtontelegrafie (THOR, THROB, OLIVIA usw).

Bei den heutigen SDR- Empfängern wird nicht mehr nur ein 12 KHz breites Audiosignal digitalisiert. 60 MHZ Bandbreiten lassen die Digitalisierung des gesamten LW/MW und Kurzwellenspektrums live zu. In der dahinter vorhandenen riesigen Datenmenge suchen die diversen DSP-Programme mit ihren Codecs nach den Nutzsignalen, um sie gefiltert und verstärkt, dynamisch komprimiert, von den Verzerrungen des Übertragungsweges weitgehend befreit am Ausgang zur Verfügung zu stellen. In dieser Welt gibt es keinen Amplitudendemodulator oder FM-Produktdetektor mehr, weil ihre Funktionen in der Dekodiersoftware nachgebildet wurden.

Audionutzsignale, wie Sprache oder Töne von CW-, RTTY- oder NFSK-Betriebsarten, sind jetzt nicht gerade die bevorzugten Nutzsignale der digitalen Rechentechnik. Deshalb wurden für die traditionelle Punkt-zu-Punkt-Verbindung spezielle Betriebsarten entwickelt, die mit der Digitaltechnik stark harmonisieren und besser aus dem Spektrum herausgerechnet werden können.
Durch das spezifische Protokoll dieser digitalen Betriebsarten können mathematische Empfangserwartungsfenster im Datenstrom gebildet werden, in denen Nutzsignale, bis zu 35 dB im Rauschen liegend, noch erfasst werden können.

Der Fortschritt in der Hardwaretechnik (immer schnellere Prozessoren in Mehrkerntechnik und immer flinkere Analog-/Digital-Wandler), in der Verfügbarkeit riesiger Datenspeicher und in der immer besser ausgeklügelten Softwaretechnik haben zu diesen enormen Verbesserungen in der Empfangstechnik geführt.

Durch die intensive Nutzung der Digitalisierung kam ein weiterer Aspekt in der Amateurfunktechnik hinzu,  der Übergang von der bisherigen Punkt-zu-Punkt-Verbindung in die weltweite Vernetzung.
Doch darüber mehr in der nächsten Folge.