Theorie und Aufbau eines Amateur-Doppler-Peilers
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Das Prinzip eines Doppler-Funkpeilers basiert auf dem „Doppler-Effekt“, der von Christian Doppler Mitte des 19. Jahrhunderts entdeckt wurde.
Jeder kennt das Beispiel eines vorbeifahrenden Rennwagens, bei dem sich das Motorgeräusch von „hoch“ nach „tief“ ändert.
Ursache dafür ist der Doppler-Effekt:
Die Schallwellen werden durch Bewegung gestaucht bzw. gestreckt, siehe Grafik.
Der Doppler-Effekt
Die Wellenlängenänderung wird vom Beobachter als Frequenzänderung wahrgenommen, obwohl sich die Frequenz der Schallquelle (hier: die Motordrehzahl) NICHT ändert!
Bewegt sich das Fahrzeug auf den Beobachter zu, so hört dieser eine höhere Frequenz, fährt es vom Beobachter weg, hört er eine tiefere Frequenz. Im Augenblick des Vorbeifahrens hört er einen schnellen, nahtlosen Übergang von „hoch“ auf „tief“. Befindet sich der Rennwagen während des Übergangs gerade auf „Höhe des Beobachters“ kann dieser die Original-Motor-Frequenz hören, weil: Genau in diesem Moment bewegt sich das Fahrzeug weder „auf den Beobachter zu“, noch „von ihm weg“ – keine Bewegung (relativ zur Schallquelle), kein Doppler-Effekt!
Übrigens, beim Doppler-Effekt ist es egal, ob sich der Rennwagen (Schall-Sender) oder der Beobachter (Schall-Empfänger) bewegt.
Beim Funkpeilen verhält es sich wie beim Rennwagen, nur daß keine Schallwellen, sondern Funkwellen gestaucht bzw. gestreckt werden. Hier bewegt sich der Funk-Empfänger (die Empfängerantenne) und nicht der zu peilende, stationäre Funk-Sender.
Gedankenbeispiel
Nehmen wir mal an, Sie sitzen mit einem FM-Empfänger (Rx) auf einer Drehscheibe und hören die Relaisstelle Kalmit (Tx), siehe Grafik.
Dreht sich die Scheibe, dann bewegt sich die Antenne des Empfängers – der Doppler-Effekt tritt auf und die empfangene Frequenz ändert sich! Ob sich die Frequenz erhöht oder erniedrigt hängt von der Bewegungsrichtung ab.
Die 4 Sonderfälle
Im Vergleich zum Rennwagen bewegt sich die Empfängerantenne aber nicht auf einer Linie, sondern auf einer Kreisbahn. Das sieht kompliziert aus, weil sich nur die Anteile auf den Doppler-Effekt auswirken, die zum Sender hin- bzw. vom Sender weggerichtet sind, aber, wenn man sich auf 4 Sonderfälle beschränkt (Punkte A, B, C, D in der Grafik), dann ist alles mit dem Rennwagenbeispiel erklärbar:
Die folgenden Annahmen werden vorausgesetzt:
- Anders als in der idealisieren Grafik befindet sich der Sender (im Vergleich zum Durchmesser der Drehscheibe) weit genug vom Empfänger weg und
- die Drehgeschwindigkeit der Scheibe ist konstant.
Punkt C
Immer dann, wenn der Empfänger diesen Punkt passiert, bewegt er sich mit der maximal möglichen Geschwindigkeit auf den Sender zu – Vergleiche: Der Rennwagen kommt dem Beobachter entgegen – hohe Frequenz. Die Relaisstelle scheint mit einer höheren Frequenz (145,705 MHz) als ihrer nominellen Sendefrequenz (145,700 MHz) zu senden.
Punkt A
Hier bewegt sich der Empfänger mit maximaler Geschwindigkeit vom Sender weg – Vergleiche: Der Rennwagen entfernt sich vom Beobachter – niedrige Frequenz. Die Relaisstelle scheint mit einer niedrigeren Frequenz (145,695 MHz) senden.
Punkte B und D
Es findet keine (Relativ-)Bewegung „auf den Sender zu“ oder „von ihm weg“ statt – keine Bewegung, kein Doppler-Effekt – die Original-Frequenz (145,700 MHz) ist empfangbar. Vergleiche: Der Rennwagen ist auf gleicher Höhe mit dem Beobachter, die tatsächliche Motordrehzahl ist hörbar.
Erkenntnis:
Das quarzstabile Sendesignal der Relaisstelle „scheint“ (nur durch die Bewegung der Empfängerantenne!) in seiner Frequenz „manipuliert“ zu werden; Man könnte auch sagen, das Sendesignal wird „frequenzmoduliert“: Je nach Antennenposition ändert sich die Frequenz: mal hoch, mal tief, mal gar nicht...
Wem das Folgende zu kompliziert ist, der nehme die Abkürzung und klicke hier.
Die Zwischenwerte
Die Sonderfälle wären jetzt erklärt, aber was ist mit den „Zwischenwerten“? Als hätte man es geahnt: Eine Kreisbewegung ist immer mit einem Sinus bzw. Cosinus verknüpft.
Die animierte Grafik verdeutlicht sehr schön, wie eine Kreisbewegung zum Sinus bzw. Cosinus in Relation steht:
Achtung:
Die Drehrichtung in der Wikipedia-Animation ist entgegengesetzt zur „Drehscheibe“, was aber am Verständnis der Kreis-Sinus-Beziehung nichts ändert.
Die Spitze des blauen Vektors repräsentiert die Position der Empfängerantenne (vergleiche Rx in der Grafik weiter oben). Im Beispiel mit dem Sender im Süden ist für den Doppler-Effekt nur der grüne Vektor ausschlaggebend, also der Anteil des blauen Vektors, der sich in Bewegungsrichtung zum Sender hin- oder wegbewegt. Je länger der grüne Vektor, desto höher ist die Frequenzänderung.
Der rote Vektor repräsentiert denjenigen Anteil, der sich quer zum Sender auswirkt, also keinen Beitrag zum den Doppler-Effekt liefert – bitte alle roten Linien ignorieren!
Ein Mal im Kreis rum, voilà, fertig ist der Sinus und da sind sie, die Zwischenwerte!
Werden diese (mechanisch durch Bewegung erzeugten) Empfangsfrequenzänderungen in einem FM-Empfänger demoduliert, so ist am Diskriminator- bzw. Lautsprecherausgang eine saubere Sinuswelle hörbar. Die Frequenz entspricht dabei der Frequenz der rotierenden Scheibe.
Die Richtungsbestimmung
Der erste Teil der Richtungsbestimmung eines Amateur-Doppler-Peilers ist hiermit erklärt – die Peil-Phase. Für die Richtungsbestimmung (Peilung) braucht es aber noch einen zweiten Teil – die Referenz-Phase.
Durch Phasenvergleich von Peil-Phase und Referenz-Phase erhält man einen eindeutigen Richtungsbezug – die Peilung!
Aber, woher die Referenz nehmen? Ganz einfach: Die Drehscheibe ist die Referenz, denn sie „kennt“ die Position der Empfängerantenne, zu jeder Zeit! Die Frequenz der Referenz-Phase ist identisch mit der Frequenz der Peil-Phase, denn diese wurde ja durch die Bewegung der Scheibe generiert.
Die folgende Grafik zeigt den Zusammenhang zwischen Referenz-Phase (Antennenposition, obere Kurve) und Peil-Phase (Sinus-Signal aus dem FM-Empfänger, untere Kurve).
Beispiel:
Zur Erinnerung:
Die drehende Scheibe „weiß“ jederzeit, wo sich die die Empfangsantenne befindet! Dazu braucht sie allerdings einen Referenzpunkt, auf den alles bezogen wird und bei dem die Referenz-Sinus-Welle startet.
Der Referenzpunkt wird, je nach (zufälliger) Montage des rotationssymmetrischen Peilantennenfeldes, auf dem Auto- oder Hausdach „definiert“. Die Peilanzeige (und somit das Peilantennenfeld, siehe weiter unten) wird später sowieso neu (elektronisch) ausgerichtet, d. h. durch die „Nordung“ kalibriert.
Nehmen wir also mal an, der Anfang der Referenz-Sinus-Welle hat seinen Ursprung im Punkt A:
Hier startet die Referenz-Sinus-Welle und die Empfängerantenne hat genau hier ihre max. Bewegung vom Sender (im Süden) weg; Der FM-Empfänger gibt am Diskriminatorausgang die max. mögliche, negative Spannung aus (vergleiche: Die 4 Sonderfälle). An der Antennenposition B findet keine (Relativ-)Bewegung „auf den Sender zu“ oder „von ihm weg“ statt – keine Bewegung, kein Doppler-Effekt – die Original-Frequenz (145,700 MHz) ist empfangbar, die Ausgangsspannung ist somit Null und so weiter...
Auswertung und Nordung
Betrachten wir die Phasenverschiebung beider Kurven, also die Differenz „bei gleichen Punkten“, z. B. im Nulldurchgang, in positiver Richtung (siehe blaue Punkte auf der Achse):
Im Beispiel beträgt die gemessene Phasenverschiebung 90°.
Der Sender befindet sich aber im Süden, bei 180°!
Diese Mißweisung kommt durch die willkürliche/zufällige Montage des Peilantennenfeldes und muß elektronisch durch eine „Nordungs-Kalibrierung“ korrigiert werden. Dies geschieht durch Addition einer Nordungskonstanten, in diesem Beispiel: +90°.
Wie man leicht anhand des Beispiels nachvollziehen kann, ergeben sich für einen Sender im Westen, Norden, oder Osten andere Phasenverschiebungen:
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Allen gemessenen, richtungsabhängigen Phasenverschiebungen wird die gleiche Nordungskonstante addiert. Überschreitet der Wert die 360°-Marke, so wird 360° abgezogen.
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Blockschaltbild eines einfachen Amateur-Doppler-Peilers
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Letzte Änderung: 5.10.2022