Eine kleine Einführung in die Funktechnik….

Die Kurzwelle (abgekürzt KW (dt.) bzw. SW (engl. für Short Wave)) ist nur ein Teil des elektromagnetischen Spektrums von Wellen aller Art, die uns tagtäglich umgeben. Im gleichen Spektrum, verkürzt man die Wellenlänge bzw. erhöht man die Frequenz, liegen auch das sichtbare Licht, Röntgenstrahlung und auch die kosmische Strahlung, die von Radioastronomen ausgewertet wird. Hier einmal eine Übersicht über das elektromagnetische Spektrum:

Die Eigenschaft dieser Wellen, beginnend im Längstwellenbereich bis hin zu den Radarstrahlen- und Satellitenfrequenz-Bereichen, dass sie moduliert werden können, macht sie für die Übertragung von Informationen interessant. Unter anderem Heinrich Hertz und Guglielmo Marconi entdeckten diese Wellen und ihre Eigenschaft, sich durch den Raum auszubreiten. Im Jahre 1899 sendete Marconi die ersten Funksignale vom Leuchtturm South Foreland bei Dover über den Ärmelkanal nach Wimereux in Frankreich. Zwei Jahre später gelingt ihm die erste transatlantische Verbindung von Cornwall nach Neufundland. Dies eröffnete die nachrichtliche Verbindung von Europa zum amerikanischen Kontinent, bevor die ersten Seekabel verlegt wurden.

Über die Natur des von ihm entdeckten Phänomens tappte Marconi lange im Dunkeln. Details über Marconi und seine Entdeckung könnt Ihr euch gerne mal anhören. Ich habe seinerzeit eine Sendung auf BAYERN ALFA mitgeschnitten. Sie kommt gut ohne Bilder aus, da alles Wesentliche erzählt wird:

Außerdem gibt es hier noch einen Film über die Entdeckung und Vermarktung der Funkwellen:

Folge der Entdeckung der Funkwellen war ein neuer Beruf: Der Funker, früher noch Marconist genannt. Heute ist der Beruf, bis auf wenige Ausnahmen, fast schon wieder komplett ausgestorben. Oder vielleicht doch nicht? Nun, belassen wir es zunächst bei dieser Frage. Ich weiß nicht mal, ob es darauf eine Antwort gibt…

Elektromagnetische Wellen haben unterschiedliche Ausbreitungseigenschaften. Sie verändern sich, je höher die Frequenz wird. Oberhalb von 30 MHz breiten sie sich quasi-optisch aus. Das bedeutet, dass der Empfänger Sichtkontakt zur Sendeantenne haben muss, damit das Signal empfangen werden kann. Kurzwellen zwischen etwa 3 und 30 MHz breiten sich in die Atmosphäre aus und werden sowohl an ionisierten Schichten innerhalb der Atmosphäre reflektiert wie auch an der Erdoberfläche. Somit können Signale theoretisch einmal um die ganze Welt übertragen werden. Die Wellen unterhalb der knapp 3 MHz (= 3000 kHz) bewegen sich entlang der Erdkrümmung, was ihre Reichweite deutlich vermindert. Längstwellen, unterhalb einer Frequenz von etwa 100 kHz dringen sogar ins Wasser ein und ermöglichen es U-Booten, Nachrichten von Land auch im getauchten Zustand zu empfangen.

Die Bodenwelle erlaubt es zum Beispiel dem Deutschlandfunk von einem einzigen Senderstandort aus ganz Deutschland zu versorgen. Auch die modernen funkgesteuerten Uhren werden über die Langwelle versorgt. Auf der Frequenz 77,2 kHz wird das Signal zur Synchronisation aller Funkuhren in Deutschland aus der Nähe von Frankfurt am Main ausgestrahlt.

Entsprechend anders verhält sich die Raumwelle. Die verbreitet sich von der Senderantenne zwar auch ein kleines Stück die Erdkrümmung entlang, richtet aber den Hauptanteil ihrer Aussendung in die Atmosphäre hinauf. Eigentlich müsste sie diese durchdringen und in den Weltraum entschwinden. Aber dank verschiedener ionisierter Schichten in 100 bis 400 km Höhe wird die Raumwelle dort wie an einem Spiegel reflektiert und zum Erdboden zurückgeschickt. Wobei die Reflektion nicht absolut ist – ein sehr geringer Teil der Wellen durchdringt diese Schichten und verliert sich im Weltraum. Auch ist die die Reflektion nicht gerichtet wie an einem Spiegel sondern diffus. So als würde man mit einer Taschenlampe auf ein Blatt Papier leuchten. Am Erdboden erfährt die Raumwelle jedoch wieder eine Reflektion und geht wieder hinauf in die Atmosphäre. Diese Reflektionen werden auch „Hops“ genannt. Nachteilig ist nur, dass die Raumwelle bei jedem Hop an Energie verliert und dabei schwächer wird. Auch Regenwolken, Gewitter oder Berge können das Raumwellensignal abschwächen. Die Reichweite ist begrenzt und lässt sich sogar, wenn auch in extrem komplexen Formeln, berechnen.

Die erwähnten ionisierten Schichten sind jedoch nicht konstant. Sie verändern ihre Höhe in Abhängigkeit zur Sonneneinstrahlung. Der Grund ist das Strahlenspektrum des Sonnenlichts. Darin enthalten sind elektromagnetische Teilchen, die in der Atmosphäre für eine Ionisation, einen Ladungswechsel der Atome und Moleküle, sorgen. Hauptverantwortlich sind hier die von der Sonne zur Erde geschickte Ultraviolett- und Röntgenstrahlung. Dadurch sind die Schichten tagsüber stärker ausgeprägt, in der Nacht schwächen sie sich bis zur teilweise vollständigen Auflösung ab. Zudem gibt es auch noch einen jahreszeitlich bedingten Unterschied. Da das Sonnenlicht samt seiner enthaltenen geladenen Teilchen (Sonnenwind) im Winter flacher auf die Atmosphäre auftrifft ist die Ionisierung nicht so stark wie im Sommer, wenn die Sonne in viel steilerem Winkel und dadurch viel tiefer in die Atmosphäre eindringt. So sind im Winter, egal ob wir nun die Nord- oder die Südhalbkugel der Erde betrachten, die Reichweiten insgesamt jeweils größer. Wie in der Abbildung zu sehen spielt die F2-Schicht eine entscheidende Rolle. Sie sorgt für die atmosphärische Reflektion der Raumwelle. Die D- und E-Schicht reflektieren ebenso. Da sie aber nur am Tag, bedingt durch die Sonneneinstrahlung, vorhanden sind, ist die erste Spiegelung der Raumwelle in viel geringerer Höhe als in der Nacht. Dadurch, eingedenk der Tatsache, dass die Raumwelle mit jeder Reflektion an Energie verliert, ist die Reichweite am Tag deutlich herabgesetzt. Erst in den Abendstunden, wenn sich die D- und E-Schicht langsam auflösen, ist eine Reichweitensteigerung festzustellen. Im Empfänger sind deutlich mehr Signale zu empfangen, als am Tage.

Das bedeutet allerdings nicht, dass nachts pauschal alles empfangen werden kann. Da Tag- und Nachtzone über die Erde wandern ist nicht zwangsläufig jede Verbindung möglich. Am leichtesten lassen sich Sendungen durch die Nachtzone empfangen. So sind theoretisch Signale aus dem nächtlichen Asien in Deutschland abends am wahrscheinlichsten, aus Amerika eher in den Morgenstunden.

Genau dieser Umstand macht die Kurzwelle so interessant, um mit ihr Nachrichten über große bzw. größtmögliche Entfernungen zu übertragen. „Nachrichten“ ist hier gleichzusetzen mit Rundfunk, Flugfunk, Amateurfunk oder Seefunk – alle Nutzer der HF (Hochfrequenz von Längst- bis Kurzwelle) sind hier gleichgestellt in ihrer Nutzung. In der Theorie würde, abgesehen von atmosphärischen und geologischen Einflüssen, ein Watt an Sendeleistung ausreichen, um Informationen von einem Sender einmal um die gesamte Erdkugel schicken zu können. Da sich die Radiowellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten wäre der Zeitverlust sehr gering. Apropos Lichtgeschwindigkeit. Sie spielt bei der Berechnung von Frequenzen im Verhältnis zur Wellenlänge eine entscheidende Rolle. Die Frequenz, die am Sender bzw. Empfänger eingestellt wird, meint die Eigenschwingung der ausgestrahlten Welle, nicht die Anzahl der Hops pro Sekunde bei ihrer Ausbreitung. Etwas kompliziert, zugegeben. Aber dieses Maß ist wichtig, damit auch die Information den richtigen Empfänger erreicht. Denn es nutzt keinem Radiohörer, wenn er auf der Frequenz X eine Sendung erwartet, die tatsächlich auf der Frequenz Y ausgestrahlt wird. Die Nachricht wird nicht gehört. Welche Abhängigkeit besteht nun zwischen Frequenz und Wellenlänge? Für jeden Mathematikliebhaber und Hobbyphysiker hier die dazugehörige Formel:

Dabei steht ‚c‘ für die Lichtgeschwindigkeit, ‚f‘ für die Frequenz und ‚ λ‘ für die Wellenlänge. Jeder, der sich noch ein wenig in Bruchrechnung auskennt kann die Formel so umstellen, dass man aus der gegebenen Frequenz die Wellenlänge und umgekehrt berechnen kann. Wollen wir die Wellenlänge aus einer Frequenz berechnen, so stellen wir die Formel wie folgt um:

Setzen wir nun ein paar Werte ein: Wir haben eine Frequenz von 500 kHz, entsprechend 500.000 Hz. Daraus ergibt sich, bei der Konstante c= 300.000 km/sec = 300.000.000 m/sec:
[m] = 300.000 km/sec : 500.000 Hz <=> [m] = 600 Meter

Nehmen wir bei gleicher Formel einmal die Frequenz 3650 kHz:

c = 300.000.000 m/sec, f = 3.650 kHz = 3.650.000 Hz
[m] = 300.000.000 m/sec : 3.650.000 Hz <=> [m] = 82,191780821917808219178082191781 Meter (gerundet 82,2 Meter).

Wie gelangt aber nun die Information „auf“ die Welle bzw. wie macht man sich eine einfache Schwingung als Informationsträger zunutze? Dazu gibt es mehrere Möglichkeiten. Die einfachste ist auch gleichzeitig die älteste: Morsetelegrafie. Im Takt der Morsezeichen wir der Sender ein- und ausgeschaltet. Drückt der Funker die Taste nach unten strahlt die Antenne eine Frequenz ab, lässt er sie los ist die Antenne „stumm“. Diese Art der Informationsübertragung ist auch jene, mit der Marconi seine ersten Nachrichten verschickte. Der Empfänger muss also auf der richtigen Frequenz abgestimmt sein, damit er dieses Ein- und Ausschalten des Senders mitbekommt.

Eine weitere und die am weitesten verbreitete Möglichkeit ist die Modulation des Funksignals. Dazu nutzt man ein niederfrequentes, hörbares Signal und moduliert damit entweder die Amplitude der ausgestrahlten Frequenz oder die Frequenz selbst, sodass das ausgestrahlte Signal mal schnell und wieder langsamer Schwingt. Die Amplitudenmodulation (kurz AM) kommt überwiegend auf den Frequenzen der Lang-, Mittel- und Kurzwelle zum Einsatz. Demgegenüber steht die Frequenzmodulation (FM). Der bekannteste Einsatz der FM ist der UKW-Rundfunk. Allerdings lassen sich mit Hilfe der Frequenzmodulation über Lang-, Mittel- und Kurzwellen auch Texte, Daten und Bilder übertragen, die von entsprechenden Endgeräten in Klartext bzw. Bilder umgewandelt werden können. Aber darauf möchte ich an dieser Stelle nicht eingehen – nur weiter unten habe ich einmal das Prinzip der FM in einem Schaubild dargestellt. Klangbeispiele zu beiden Haupt-Modulationsarten finden sich in den Logs.
Ein kurzer Blick sei mir auf die Amplitudenmodulation gegönnt, da diese ohne technischen Aufwand von fast allen Radios empfangen und wiedergegeben werden kann. Denn der weltweite Rundfunk auf Lang-, Mittel und Kurzwelle nutzt, neben anderen Funkdiensten auch, die Amplitudenmodulation zur Übertragung. Dabei wird eine niederfrequente Information (also alles für das menschliche Ohr hörbare: Musik, Sprache, Geräusche usw.) im Sender auf das hochfrequente Signal, dass die Antenne verlassen soll, aufmoduliert. Für das Ergebnis der Modulation sind zwei Eigenschaften der Niederfrequenz (NF) wichtig:

Tonhöhe und Lautstärke. Sie beeinflussen die Modulation entscheidend, wie man aus den beiden Schaubildern erkennen kann:

In beiden Schaubildern wird die NF als Tonschwingung bezeichnet, die das Hochfrequenz- (HF-) Signal beeinflussen soll.

Die Lautstärke der Niederfrequenz bestimmt den Ausschlag der Amplitudenmodulation. Je lauter ein Signal ist, desto stärker ist der Modulationsgrad der HF-Schwingung.

Die Tonhöhe ändert dagegen die Häufigkeit, mit der die Hochfrequenz (HF) moduliert wird. Das ist jetzt relativ einfach ausgedrückt, umschreibt aber die Art und Weise, wie die Modulation erfolgt, am ehesten.

Ich will an dieser Stelle nicht noch die komplizierten Unterarten der Amplitudenmodulation im Detail erklären. Allerdings sei mir der Hinweis gestattet, dass manche AM-Übertragungen Empfänger mit speziellen Zusatzfunktionen benötigen, da sonst ein solches Signal nicht so ohne weiteres wiedergegeben werden kann. Das hängt damit zusammen, dass man auf Seiten des Senders Energie sparen möchte und man bei der Aussendung einen Teil der HF weglässt. Der Empfänger muss diesen fehlenden Anteil nachträglich erzeugen, damit aus einem undefinierbaren Klanggewirr klar verständliche Informationen erkennbar sind. Anwendungsbeispiel für derartige Übertragungen sind u.a. die Amateurfunker (die ohnehin nur mit geringen Sendeleistungen arbeiten), das Militär, die Seefahrt, Flugzeuge usw. Also im Prinzip alles, was nicht Rundfunk ist und sich auf den Wellen „herumtummelt“ – die sogenannten „Utility“-Dienste.

Zudem sind solche Aussendungen, abgesehen von den Amateurfunkern, nicht für die „Öffentlichkeit“ bestimmt. Das hat unter Umständen rechtliche Konsequenzen für denjenigen, der diese Signale vorsätzlich empfängt. Allerdings fischen Radioenthusiasten gerade in diesem Bereich gerne herum, da solche Signale deutlich schwerer zu empfangen sind als Rundfunk auf Lang-, Mittel- und Kurzwelle. Diese Sparte, der ich mich auch verschrieben habe, nennt man Utility-DX. Dabei steht das „Utility“ als Synonym für alle Dienste, die nicht dem Rundfunk zugehörig sind (diese Abteilung des Hobbys nennt sich BCDX, von englisch Broadcast = Rundfunk) und DX bezeichnet, sehr platt gesagt, den gezielten Empfang solcher Dienste – eine genaue Definition des Begriffs „DX“ kann man hier nachlesen. Über das, was man dort, bei den Utility-Diensten, alles zu hören bekommt, berichte ich in den Logs, samt der entsprechenden Klangbeispiele.

Ach ja, bevor ich es wieder vergesse: Hier noch das angedrohte Schaubild zur Frequenzmodulation:

Die niederfrequente Information (rot) beeinflusst die Hochfrequenz (grün) und in der Summe verlässt dann das frequenzmodulierte Signal (blau) die Antenne auf seinem Weg zum Empfänger.

Wer hier ins Detail gehen möchte, samt Physik zum elektromagnetischen Spektrum und weiteren technischen Grundlagen (gezielt für die Amateurfunkprüfung!!!), findet auf den Seiten von Eckart K.W. Moltrecht (Amateurrufzeichen DJ4UF) viele Informationen und interessante weiterführende Inhalte: www.dj4uf.de!
Weiterführende sonstige Seiten im Internet:

• UTDX.DE (ein deutschsprachiges Forum für das sogenannte Utility-DX bis 30 MHz, das seit Februar 2012 online ist)
• SIGINT-GROUP.ORG (ein deutschsprachiges Forum für die sogenannte Signal-Intelligence und Funkhörer, hauptsächlich auf Frequenzen oberhalb von 30 MHz)
• DX-UNLIMITED.EU (ein deutschsprachiges Forum für den Rundfunkempfang auf allen Bändern)
• UTILITYRADIO.COM (ein englischsprachiges Online-Museum mit historischen Kurzwellen-Tondokumenten von Stationen aus aller Welt)

Na, Interesse an der (Faszination) Kurzwelle bekommen? Dann schnell das nächste greifbare Radio mit Kurzwellenteil angesteuert, eingeschaltet und mal fleißig über die Bänder drehen und lauschen….

Derweil möchte ich mich noch einmal mit den bereits eingangs erwähnten Geräuschen auseinandersetzen. Lest hier, wie ich lernte, was es damit auf sich hat.