VLF-Empfang:

DCF77 dekodieren mit PC und Drahtantenne

Mit PC und Soundkarte besitzt der Funkamateur einen Empfänger für den Längstwelllenbereich. Ein langes Kabel als Antenne an den Mikrofon-Eingang der Soundkarte angeschlossen und fertig ist der Empfänger - manchmal sogar bis maximal 96 kHz. Dann ist sogar der Empfang des Zeitzeichensenders DCF77 aus Mainflingen möglich.

Der Anschluss des SDR-Funkgerätes FA-SDR-TRX an den schnellen PC zog den Erwerb einer leistungsfähigen, externen USB-Soundbox mit einer maximalen Samplingrate von 192 kHz nach sich. Diese USB-Soundbox eignet sich nach dem Nyquist-Shannonschen Abtasttheorem bis zur halben Abtastrate von 192 kHz auch als Empfänger mit einem Empfangsbereich von Null Herrtz bis zu 96 kHz. In diesem Bereich findet man zahlreiche Utility- und Zeitzeichensender, beispielsweise den in Europa bekannten DCF77-Sender, der aus der Nähe von Frankfurt/Main sendet und ungezählte Funkuhren mit der aktuellen Zeit versorgt. Davon losgelöst ist es interessant zu sehen, was sich auf diesen niedrigsten Frequenzen abspielt. Ein langes Kabel, von der externen USB-Soundbox über den Balkon bis zum nächsten Busch gespannt, bildete eine provisorische "Antennenanlage". Was auf dem PC noch fehlte, war ein Programm, dass die Fast Fourier Transformation (FFT) beherrscht, um das empfangene Signal als Spektrum auf dem PC-Monitor abzubilden.

Was eignet sich besser als Wolfgang Büschers Programm Spectrum Lab, ein universell verwendbares Programm, das auch unter Windows 7 in der 32 Bit-Version einen guten Job verrichtet? Diese Software ist weitgehend parametrisierbar, ein großer Vorteil, um aus den empfangenen Signalen das meiste heraus zu holen.

Bild 1: Erster Eindruck: Ganz schön viel los zwischen von Null und 96 kHz!

Bild 1 zeigt das komplette, mit dieser USB-Soundbox empfangbare Spektrum. Der erste Blick verrät: So ruhig wie vermutet sind die Frequenzen nicht! Hier tummeln sich allerhand Störungen aus dem 230-Volt-Lichtnetz. Diese werden von Schaltnetzteilen und anderen Verbrauchern in das Netz eingespeist. Die Bohrmaschine, der Dimmer für die Stehlampe und viele weitere sind für zahlreiche Träger verantwortlich. Mag der Lattenzaun der störenden Träger je nach Standort des Empfängers mal mehr oder weniger dicht ausfallen, dazwischen verborgen gibt es zahlreiche "nützliche" Sender zu empfangen. Das Militär benutzt diesen Bereich unter anderen zur Kommunikation mit U-Booten, zur Navigation und ähnlichen Dingen.

Hier einige Träger, die besonders auffallen:

50 Hz

Netzfrequenz, starke Störungen durch Ausstrahlungen des 230 Volt-Wechselspannungsnetzes (Bild 2).

Bild 2: Eines der stärksten Signale sind die 50 Hz des 230-Volt-Wechselspannungsnetzes und deren Oberwellen.

17,2 kHz - SAQ

Längstwellensender Grimeton, Rufzeichen SAQ, verfügt über den einzigen noch funktionsfähigen Maschinensender der Welt, der zu besonderen Anlässen, wie dem nach dem Erfinder Ernst Fredrik Werner Alexanderson benannten Tag der offenen Tür entweder am letzen Sonntag im Juni oder am ersten Sonntag im Juli, auf der Frequenz 17,2 kHz zur Abstrahlung einer kurzen Morsebotschaft in Betrieb genommen wird. Als Sendeantenne dient eine Alexanderson-Antenne mit zwölf 2,2 km langen Kupferdrähten, die an sechs, wie riesige Hochspannungsmasten aussehenden, Türmen (Höhe 127 m, Breite der Querarme 46 m) aufgehängt sind (Bild 3).

Bild 3: SAQ auf 17,2 kHz sendet hier gerade nicht und wäre an diesem Standort wegen der überlagerten Störungen vermutlich kaum zu vernehmen.

21,7 kHz - Längstwellensender HWU

HWU ist das Rufzeichen dreier Längstwellensender der französischen Marine auf den Frequenzen 18,3 kHz, 20,9 kHz und 21,7 kHz mit dem Senderstandort Le Blanc in Zentralfrankreich. Der Sender verwendet eine Antenne, die von mehreren 350 Meter hohen Sendemasten getragen wird.

Bild 4:Auf 60 kHz erkennt man den Zeitzeichensender MSF aus Großbritannien gut.

60 kHz - MSF Britischer Zeitzeichensender

Das Signal von MSF wird vom Sender in Anthorn, Grafschaft Cumbria in England ausgestrahlt und kann wie das Signal von DCF77 zur Steuerung von Funkuhren verwendet werden (Bild 4).

Bild 5: Der DCF77-Zeitzeichensender auf 77,5 kHz erscheint im Wasserfall als schmaler Strich.

77,5 kHz - DCF77

Der bekannte Zeitsignalsender DCF77 ist ein Langwellensender im Ortsteil Mainflingen in Mainhausen nahe Frankfurt/Main, der die meisten funkgesteuerten Uhren im westlichen Europa mit der genauen in Deutschland geltenden gesetzlichen Uhrzeit versorgt (Bild 5).

(Angaben zu den Sendern, Quelle: Wikipedia)

Auf die Ohren...

...gab es nur langweiliges Brummen oder ähnliches aus den Aktivlautsprechern zu vernehmen. Im Hörbereich des (jungen) menschlichen Ohres, also etwa von 20 Hz an aufwärts bis zu 18 kHz, gab es akustisch nichts ohrenfreundliches zu vermelden. Bleibt das Auge: Spectrum Lab stellt auf Wunsch sowohl das Spektrum, als auch das Wasserfalldiagramm dar. Letzteres ist lediglich eine andere grafische Präsentation des in den Abbildungen zu sehenden Spektrums (oben Spektrum, darunter der "Wasserfall"). Die Auflösung des Spektrums horizontal ist abhängig von der berechneten Anzahl der Punkte der FFT, auch als "Länge der FFT" definiert. Dazu ein Beispiel: Wird das Spektrum von 0 bis zur maximalen Abtastfrequenz von 192 kHz mittels einer FFT aus 256 Punkten gebildet, ergibt sich für die Darstellung des Spektrums und der Darstellung des Wasserfalls eine Auflösung von 192000/256 = 750 Hz.

Bild 6: Kleinste Frequenzänderungen von wenigen Hertz werden bei hoher Auflösung der FFT und starkem Zoom des Wasserfalldiagramms sichtbar.

Das bedeutet nichts anderes, als dass für 750 Hertz zusammen gefasst eine einzige Aussage darüber existiert, wir "stark" dieses Frequenzbündel im Signal enthalten ist. Die Auflösung ist in diesem Fall viel zu gering gewählt! Ideal wäre eine Aussage für jedes einzelne Hertz im Spektrum, oder zumindest für alle 10 Hertz des betrachteten Signals! Spectrum Lab ermöglicht es, stark in das Wasserfalldiagramm hinein zu zoomen, um wenige Hertz detailliert zu betrachten (Bild 6). Soll das Spektrum auch dann halbwegs aussagekräftig sein, ist eine hohe Auflösung der FFT gefordert (Bild 7).

Bild 7: Die Einstellung der Soundkarte besagt: Die Abtastrate beträgt 192 kHz.

Die FFT

Leider geht eine hohe Auflösung der FFT mit einem erhöhten Rechenaufwand einher. "Schwachbrüstige" PC streichen ob der geforderten Rechenleistung gern einmal "die Segel" und sind schlichtweg überfordert. Auf dem Dual-Core-PC mit 2,3 GHz Takt wurde die CPU aber nur zu 12% belastet. Dabei wurde eine FFT mit immerhin 262.144 Punkten berechnet! Teilt man die 192 kHz durch 262.144, beträgt die Auflösung etwa 0,7 Hertz, ist also etwas besser als ein Hertz. Unser Wasserfalldiagramm verrät uns also für jedes Hertz exakt, wie "stark" diese Frequenz im Signal enthalten ist. So werden schwache Signale sichtbar, solange sie nicht von stärkeren überdeckt werden.

Personal Computer werden ab Werk meist mit einer Standard-Soundkarte ausgestattet. Sie tastet mit maximal 48 kHz ab, mehr als genug, um Töne zu erzeugen, aufzuzeichnen oder digitale Betriebsarten wie beispielsweise PSK31 zu dekodieren. Die Abtastrate durch zwei geteilt ergibt den VLF-Empfangsbereich von Null bis 24 kHz. Auch hier gibt es Sender zu entdecken! Der Längstwellensender HWU ist in der obigen Liste bereits aufgeführt, SAQ sendet nur wenige Minuten im Jahr. Gehen Sie auf eine kleine Entdeckungsreise und forschen Sie in ihrem Umfeld nach niederfrequenten Störungen und VLF-Sendern! Verbinden Sie eine Antenne direkt mit dem Mikrofon-Eingang ihrer Soundkarte. Spectrum Lab gibt es im Netz unter http://www.qsl.net/dl4yhf/spectra1.html.

DCF-77 dekodieren

Spectrum Lab besitzt eine Komponente zum Empfang des DCF77 Zeitzeichensenders. Dazu benötigt die Software allerdings ein NF-Signal aus einem Empfänger. Es wäre doch reizvoll zu versuchen, das DCF77-Signal auf dem PC zu decodieren - ohne weitere Zutaten, also nur ein Kabel als Antenne, verbunden mit der externen Soundbox und der üblichen, internen Soundkarte des PC! Dessen Abtastrate reicht aus, um das DCF77-Signal zu dekodieren.

Zum Empfang des DCF77-Zeitzeichensenders wird das Antennensignal weiterhin an dem Mikrofoneingang der externen Soundbox eingespeist, denn wir benötigen die hohe Abtastrate (192 kHz) zum Empfang des DCF77-Senders, leiten das Signal aber nicht wie bisher Spectrum Lab zu, sondern füttern damit die SDR-Software Power-SDR. Letzteres steuert neben den kommerziellen Flexnet-Transceivern auch zahlreiche andere, recht simple gestrickte SDR-Empfänger wie den Softrock40. Und als was kann man unsere Antenne und die USB-Soundbox letztlich ansehen? Richtig, als einfachen SDR-Receiver (eingeschränkt für den Bereich bis 96 kHz)!



Bild 8: So wird in Power SDR der Empfänger eingestellt, damit die angezeigte Frequenz passt.

Power SDR wurde bisher in Verbindung mit dem in meinen Augen gut gelungenen FA-SDR-TRX der Zeitschrift FUNKAMATEUR betrieben und wies bei den Audio-Einstellungen bereits die nötige 192-kHz-Abtastrate auf. Lediglich die Art des Empfängers musste angepasst werden: Statt ein SDR1000 wurde auf Softrock40 umgestellt und mit einer festen Frequenz von Null Hertz (Bild 8) versehen. Das sorgt dafür, dass die Frequenzanzeige in Power SDR mit dem Empfangsbereich der externen Soundbox überein stimmt und verhindert einen "Blindflug" zur gewünschten Frequenz.

Die Frequenz von 77,5 kHz ist schnell eingestellt und wird in Stellung "CW" dekodiert. Das Resultat ist im Lautsprecher gut zu hören. Der wird aber abgezogen und vom Line-Ausgang der externen Soundbox führt nun ein NF-Kabel zum Mikrofoneingang der internen Soundkarte. Damit sind beide Soundgeräte sozusagen "in Reihe", also hintereinander geschaltet.

Es folgt der Start von Spectrum Lab, das auf die interne Soundkarte eingestellt wird. Da sich Spectrum Lab anhand der letzten Einstellung die externe Box "geschnappt" hatte, muss das Programm kurz verlassen und neu gestartet werden, um die externe Soundbox wieder frei zu geben für Power SDR. In Power SDR wird der Empfang einmal kurz gestoppt und erneut gestartet, dann wird klar: Der Empfang des DCF77-Senders funktioniert! Jetzt erneut Spectrum Lab starten, es belegt lediglich die interne Soundkarte und fasst die externe Soundbox nicht mehr an. Das ist gut so und schon kann man in der Wasserfalldarstellung von Spectrum Lab das DCF77-Signal bei etwa 600 Hz gut erkennen. Was noch geschehen muss, um die Dekodierung des Siganls anzustoßen, ist im Menü "Components" von Spectrum Lab den DCF77-Dekoder zu starten. Dort im Reiter "Config" wird als "Center-Frequency" die NF-Frequenz des DCF77 von aktuell 600 Hz eingetragen und die Dekodierung kann beginnen (Bild 9). Es dauert einige Minuten, bis Datum und Uhrzeit korrekt dekodiert werden. Sie werden schließlich per Mausklick in die PC-Einstellungen übernommen und die PC-Zeit damit korrigiert.

Bild 9: Oben empfängt Power SDR, darunter verarbeitet Spectrum Lab das NF-Signal, links ist das kleine Fenster des DCF77-Dekoers zu sehen. Dieser hat Datum und Zeit bereits dekodiert.

Im unteren Längswellenbereich existieren weitere Zeitzeichensender. Das eröffnet dem Funkamateur und SWL ein interessantes Betätigungsfeld für eigene Versuche mit Antenne, PC und Software. Nehmen Sie diesen Text als Steilvorlage...?