Seit einigen Jahren ist mit Unterbrechungen in der Innenstadt Hannovers ein 10m Band FM Relais QRV. 10m FM Relais besitzen eine Ablage von lediglich 100 kHz, dadurch ist es nahezu unmöglich, Sender und Empfänger am gleichen Standort zu betreiben. Der Filteraufwand ist mit vertretbaren Mitteln nicht zu realisieren. Aus diesem Grund werden Sender und Empfänger eines 10m Relais in der Regel an unterschiedlichen Standorten betrieben und mit einer Linkstrecke untereinander verbunden. Trotzdem wurden an DB0TVH Versuche unternommen, eine ausreichende Trennung zwischen Sender und Empfänger am selben Standort zu erzielen. Es zeigte sich allerdings sehr schnell, daß das ein zum Scheitern verurteiltes Unterfangen war. Glücklicherweise bekamen wir für den abgesetzten Empfänger einen Standort angeboten. Die Entfernung zum Senderstandort beträgt 1350m Luftlinie. Normalerweise verwendet man zur Kopplung eine herkömmliche Funkstrecke oder eine IP-Strecke über das Internet oder das Hamnet. Wir betrachten allerdings den Amateurfunk auch in besonderem Maße als experimentellen Funkdienst und nicht nur als Anwendung von Kleinrechnern mit einer zwischengeschalteten Netzwerkinfrastruktur. Aufgrund der relativ geringen Distanz haben wir uns deshalb entschlossen, eine optische Richtfunkstrecke für die Verbindung der Standorte zu verwenden. Licht wird von interessierten OMs zwar immer mal wieder gern für experimentelle Punkt zu Punkt Verbindungen genutzt, eine dauerhafte Anwendung dieser Variante ist allerdings im Amateurfunkumfeld bislang nicht anzutreffen. Hier bot sich also eine einzigartige Chance, den experimentellen Charakter des Amateurfunks hervorzuheben und komplett selbst entwickelte und gebaute optische Freiraumübertragungkomponenten in einer dauerhaftenen Anwendung zu betreiben. Die folgende Grafik veranschaulicht die Funktionsweise:
Blockschaltbild 10m FM Relais DB0TVH
Am Empfängerstandort wird das Signal mit einem modifizierten CB Funkgerät Grundig CBH2000 empfangen und auf eine ZF von 455KHz heruntergemischt. Am Ausgang des ZF Verstärkers wird das Signal ausgekoppelt, weiter verstärkt und moduliert anschließend das Licht eines LED Arrays. Am Relaisstandort wird das modulierte Infrarotlicht mit einer Sammellinse auf einen Fotodiodendetektor gebündelt und das daraus wiedergewonnene 455kHz Signal verstärkt. Danach wird es über ca. 50m Koaxkabel zum Relaisraum transportiert und dort in den ZF Zweig eines CB-Funkgerätes eingekoppelt und demoduliert. Mit einem CTCSS Auswerter wird das Vorhandensein eines empfangenen Signals erkannt und der Relaissender aufgetastet. Über ein weiteres ca. 50m langes Koaxialkabel wird das Signal bis zum Dach des Relaisstandortes transportiert, auf dem sich eine vertikal polarisierte Halbwellenantenne befindet, die das HF Signal mit Rundcharakteristik abstrahlt.
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THz Linksender | THz Linkempfänger |
Informationen zu den am Relaisstandort verwendeten Konponenten der optischen Linkstrecke: Und hier geht es zur Startseite:
Wenn man eine optische Linkstrecke über eine Distanz von 1350m stabil betreiben möchte, sind einige grundsätziche Dinge zu beachten:
1.) Es muß eine ausreichende Energiedichte am Detektor ankommen, um auch bei starkem Fremdlicht und erhöhter atmospärischer Dämpfung bei Regen, Schnee und Dunst eine Übertragung gewährleisten zu können.
2.) Das System muß augensicher sein, da es rund um die Uhr unbeaufsichtigt betrieben wird und eventuell versehentlich in den Lichtstrahl blickene Personen keine Netzthautschäden davontragen können.
3.) Der Öffnungswinkel muß ausreichend groß sein, damit minimale Abweichungen der Ausrichtung verursacht z.B. durch thermische Verspannungen u.ä. die Strecke nicht beeinträchtigen.
4.) In der Atmosphäre herrscht ein ständiges "Flimmern" der Luft. Auch wenn man diesen Effekt mit bloßem Auge nur über stark erhitzten Bereichen sehen kann, ist er immer vorhanden und verursacht Pegelsprünge des empfangenen Lichtsignales. Das Übertragungsverfahren muß also in der Lage sein, diese Pegelsprünge zu kompensieren.
5.) Bei Nebel wird die Strecke ausfallen. Bei dichtem Nebel herrschen Dämpfungen von mehr als 60 dB/km, im Extremfall sogar bis zu 300dB / km. Das ist wie eine Mauer, da kommt kein Licht durch. In der folgenden Tabelle sind näherungsweise die bei unterschiedlichen Wetterbedingungen zu erwartenden atmosphärischen Dämpfungen aufgelistet.
Atmosphärische Dämpfung bei sichtbaren Licht und nahen Infrarot bei unterschiedlichen Wetterlagen
Technische Umsetzung:
Die Punkte 2.) und 3.) haben unmittelbar Auswirkungen auf die Wahl der Lichtquelle. Obwohl bei kurzfristigen Punkt zu Punkt Verbindungen in der Regel Laser verwendet werden, sind Laser für eine permanente fest installierte Linkstrecke eher ungeeignet. Der Öffnungswinkel ist zu klein, und die Augensicherheit kann bei den erforderlichen optischen Leistungen nicht zu 100% gewährleistet werden. Also bleiben nur LEDs, die ausreichend hohe optische Ausgangsleistungen bei ausreichender Schaltgeschwindigkeit produzieren können. Bei der Modulation des Lichts wurde ein kleiner aber effektiver technischer Umweg eingeschlagen, der das übertragene Signal robust gegen die durch das Luftflimmern verursachten Pegelsprünge macht. Bei einem ersten Langzeittest wurde das Licht einer einzelnen LED mit einer Ausgangsleistung von etwa 50mW mit einer Sammellinse gebündelt. Dadurch wurde ein Öffnungswinkel von etwa 0,42 Grad erzielt. Die NF des Empfängers wurde nicht direkt übertragen, sondern das Licht wurde mit einem frequenzodulierten Hilfsträger moduliert. Dadurch konnten die Pegelsprünge am optischen Empfänger durch Begrenzung unwirksam gemacht werden. Die Energiedichte am optischen Empfänger war durch den kleinen Öffnungswinkel ausreichend. Es stellte sich aber nach längerem Betrieb heraus, daß der Öffnungswinkel für einen dauerhaften stabilen Betrieb zu klein war. So fiel die Strecke nach mehreren Stürmen und der damit verbundenen leichten Abweichung der Ausrichtung nach immer wieder auftretenden Instabilitäten aus. Daraufhin wurde der optische Sender mit nur einer LED und scharfer Bündelung gegen einen Sender mit größerem Öffnungswinkel getauscht. Um den Verlust der Leistungsdichte durch den größeren Öffnungswinkel zu kompensieren, wurde der neue Sender mit insgesamt 49 LEDs und einem Abstrahlwinkel von 6 Grad ersetzt. Nun fallen leichte Ausrichtungsschwankungen nicht mehr ins Gewicht, und die Energiedichte am Empfangsort ist dennoch ausreichend hoch. Jede LED gibt eine optische Leistung von etwa 40mW ab, sodaß der optische Sender mit einer Gesamtausgangsleistung von knapp 2 Watt in der Luft ist. Bei Verwendung eines Lasers wären solche Ausgangsleistungen hochgefährlich, ein LED Sender bleibt dagegen aufgrund der wesentlich größeren aktiven Fläche augensicher.
Informationen zu den am Empfängerstandort verwendeten Konponenten: