AMSAT-HB ist Kollektivmitglied der USKA

V4.3 Fehlertolerant und schmalbandig

Niveau: K5 Analysieren

Zeitbedarf: ca. 45 Minuten

Einstiegsfrage:
Warum klappt PSK31 über einen LEO-Satelliten, während digitaler Sprechfunk mit D-Star, DMR oder C4FM dort viel schwieriger ist?

Zwei Gruppen digitaler Betriebsarten

Wir unterscheiden zwei Gruppen. Die erste ist fehlertolerant: PSK31 und SSTV.

Fehlertolerant heisst: Eine Störung verdirbt nur ein einzelnes Zeichen oder eine Bildzeile, nicht die ganze Nachricht. Diese Betriebsarten funktionieren über Satelliten – vorausgesetzt, der Doppler wird sehr genau korrigiert.

Die zweite Gruppe sind die «neuen» schmalbandigen digitalen Sprachbetriebsarten: D-Star, DMR und C4FM. Sie vertragen nur rund 1 kHz Frequenzablage.

Auf 70 cm erreicht der Doppler bei einem LEO-Satelliten aber rund ±10 kHz. Das ist zehnmal mehr als die Toleranz.

Digitale Betriebsarten und ihr Anspruch an die Frequenzgenauigkeit

https://academy.amsat-hb.org/glossar
Betriebsart Modulation Signalbreite Anspruch an die Frequenz Einordnung der Folie (2017)
PSK31 BPSK, 31,25 Baud wenige zehn Hz sehr genaue Doppler-Korrektur fehlertolerant, funktioniert auf Satelliten
SSTV analoge Bildübertragung mit Tonfrequenzen (Synchronisation 1200 Hz, Bildinhalt 1500 bis 2300 Hz) Audio bis rund 2,3 kHz in FM unkritisch, in SSB genaue Korrektur fehlertolerant, funktioniert auf Satelliten
FT8 8- FSK, Tonabstand 6,25 Hz, Zyklus 15 s rund 50 Hz keine Drift während einer Aussendung von 12,6 s Oktober 2017 erstmals auf FO-29 getestet
D-Star GMSK, 4800 bit/s Kanal 6,25 kHz Frequenzablage höchstens rund 1 kHz schmalbandig, ca. 1 kHz Toleranz
DMR 4FSK, 9600 bit/s, zwei Zeitschlitze Kanal 12,5 kHz Frequenzablage höchstens rund 1 kHz schmalbandig, ca. 1 kHz Toleranz
C4FM (System Fusion) 4FSK, 9600 bit/s Kanal 12,5 kHz Frequenzablage höchstens rund 1 kHz schmalbandig, ca. 1 kHz Toleranz

Toleranz «ca. 1 kHz» nach Lipp (2017), Folie 22. Kenndaten von FT8, D-Star, DMR und C4FM nach den jeweiligen Spezifikationen. [PRÜFEN: Quellen mit Abrufdatum ergänzen]

Was 1 kHz Toleranz bedeutet

Am höchsten Punkt eines Zenit-Überflugs ändert sich der Doppler auf 435 MHz um rund 156 Hz pro Sekunde. Schon nach gut 6 Sekunden ist die Toleranz von 1 kHz aufgebraucht.

Über einen ganzen Überflug sind so rund 20 Korrekturen nötig. Von Hand ist das kaum zu schaffen; es braucht eine automatische Nachführung per CAT.

Doppler-Verschiebung bei 435 MHz und Nachstimmen mit 1 kHz Toleranz Diagramm über einen Zenit-Überflug von rund 11,5 Minuten in 500 km Höhe. Die blaue Kurve zeigt die Doppler-Verschiebung bei 435,35 MHz von plus 10,3 kHz bei AOS über null am höchsten Punkt bis minus 10,3 kHz bei LOS. Eine rote Treppe zeigt die eingestellte Frequenz, wenn immer dann nachgestimmt wird, wenn die Abweichung 1 kHz erreicht. Am Anfang und am Ende sind die Stufen lang, in der Mitte folgen sie im Abstand von rund 6 Sekunden. Insgesamt sind 20 Korrekturen nötig. −10 kHz −5 kHz 0 kHz +5 kHz +10 kHz −5 −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4 5 Minuten vor und nach dem höchsten Punkt (TCA) Doppler bei 435,35 MHz eingestellte Korrektur rund alle 6 s
Modell: LEO in 500 km Höhe, Zenit-Überflug, 435,35 MHz. Wer immer bei 1 kHz Abweichung nachstimmt, braucht 20 Korrekturen; am höchsten Punkt alle rund 6 Sekunden. Von Hand ist das kaum zu schaffen.

FT8 stellt eine ähnliche Anforderung, aber auf kleinerem Massstab. Die Töne liegen nur 6,25 Hz auseinander. Das Signal darf während einer Aussendung von 12,6 Sekunden kaum driften.

Kontrollfrage

Du willst über einen LEO-Satelliten in 500 km Höhe mit D-Star auf 70 cm arbeiten. Die Betriebsart verträgt rund ±1 kHz Ablage. Wie oft musst du am höchsten Punkt nachstimmen, und was folgt daraus für deine Station?

Lösung anzeigen

Die Doppler-Rate erreicht am höchsten Punkt rund 156 Hz/s. 1000 Hz / 156 Hz/s ≈ 6,4 s.

Stimmst du jeweils genau auf die aktuelle Frequenz nach, brauchst du über den ganzen Überflug rund 20 Korrekturen, in der Mitte alle 6 bis 7 Sekunden.

Das geht nur automatisch: Ein Tracking-Programm muss die Frequenz per CAT in kleinen Schritten, etwa jede Sekunde, nachführen. Zusätzlich muss es Uplink und Downlink getrennt korrigieren.

Merksatz:
Fehlertolerante Betriebsarten wie PSK31 und SSTV funktionieren mit genauer Doppler-Korrektur. Schmalbandige Sprachbetriebsarten mit rund 1 kHz Toleranz brauchen auf LEO-Satelliten eine automatische, sekundengenaue Nachführung.

Formeln: Wie lange bleibt ein Signal in der Toleranz?

Am höchsten Punkt:

t tol ≈ Δ f tol ( d f / d t ) max
  • t tol: Zeit in s, bis die Ablage die Toleranz erreicht
  • Δf tol: Frequenztoleranz der Betriebsart in Hz
  • (df/dt) max: grösste Doppler-Rate in Hz/s (siehe V4.1)

Zahl der Korrekturen:

N ≈ 2 · Δ f max Δ f tol
  • N: Zahl der Korrekturen über einen Überflug, wenn jeweils genau nachgestimmt wird
  • Δf max: grösste Doppler-Verschiebung in Hz
  • Beispiel 435,35 MHz, 500 km: 2 · 10 256 / 1000 ≈ 20

Mini Selbsttest

Mini-Selbsttest

Weiterführend

Doppler-Rate: V4.1 PSAT: PSK31-Transponder · Vorherige Lektion: V4.2 LilacSat-1: FM/USB, Codec2 · Nächste Lektion: V4.4 Digitale Transponder auf GEO · Doppler-Korrektur in der Praxis: Kapitel V2