Theorie und Aufbau des Dopplerpeilers

Von Roland Boiselle, DF9IE

 

Das Prinzip eines „Doppler-Funkpeilers“ basiert auf dem von Christian Doppler (Mitte des 19. Jahrhunderts) entdeckten Effekt, dass Schall- oder Lichtquellen, die sich relativ zu einem Beobachter bewegen, vom diesem mit einer anderen Frequenz wahrgenommen werden als sie tatsächlich emittieren.

Jeder kennt das Beispiel eines vorbeifahrenden Rennwagens, dessen Motordrehzahl sich bei der Vorbeifahrt scheinbar ändert. Nur wenn sich der Wagen auf gleicher Höhe mit dem Beobachter befindet, kann dieser die momentane Drehzahl korrekt hören. Beim Funkpeilen verhält es sich genau so, nur dass sich hier der Beobachter (die Empfangsantenne) bewegt und nicht die Quelle (der Sender).

 

Beispiel:

Nehmen wir an, Sie sitzen mit einem FM-Empfänger (Rx) in einem Karussell und hören die Relaisstelle Kalmit (Tx) auf 145,700 MHz. Dreht sich das Karussell, dann bewegen Sie sich periodisch auf den Sender zu und von ihm weg (siehe Grafik). Am Diskriminatorinstrument können Sie bei „langsamer“ Fahrt registrieren, dass sich (scheinbar) die Sendefrequenz synchron „zum Takt“ der Umdrehungen ändert.

 

Immer dann, wenn Sie den Punkt D passieren, bewegen Sie sich (mit der maximal möglichen Geschwindigkeit) auf den Sender zu. Die Relaisstelle scheint mit einer höheren Frequenz (145,705 MHz) als ihrer nominellen Sendefrequenz zu senden (Vergleiche: Der Rennwagen kommt dem Beobachter entgegen). Im Punkt B können Sie ein Minimum am Diskriminatorinstrument registrieren, da sich hier der Empfänger mit maximaler Geschwindigkeit vom Sender weg bewegt und dieser „scheinbar zu tief“ (auf 145,695 MHz) sendet (Vergleiche: Der Rennwagen entfernt sich vom Beobachter). In den Punkten A und C findet keine Bewegung „auf den Sender zu“ oder „von ihm weg“ statt - das Diskriminatorinstrument bleibt in der Mitte stehen; Der Sender scheint auf 145,700 MHz zu senden (Vergleiche: Der Rennwagen ist auf gleicher Höhe mit dem Beobachter, die tatsächliche Motordrehzahl ist hörbar).

Das quarzstabile Sendesignal der Relaisstelle „scheint“, nur durch die Bewegung des Empfängers, in seiner Frequenz „manipuliert“ zu werden; Man könnte auch sagen, das Sendesignal wird frequenzmoduliert!

Würde man das Karussell auf 300 Umdrehungen pro Sekunde (was einer Umdrehungsfrequenz von 300 Hz entspricht) beschleunigen, dann würde man die Auswirkung der „mechanisch erzeugten“ Frequenzmodulation als 300-Hz-Sinuston aus dem Lautsprecher des FM-Empfängers hören.

Merke: Die Sinustonfrequenz entspricht systembedingt immer der Umdrehungsfrequenz der Antenne!

 

Frage:

Wie findet nun der Doppler-Peiler die Richtung, aus der ein Sender sendet, wo doch die Antennendrehfrequenz gleich der Sinustonfrequenz ist?

Antwort:

Die Richtungsinformation ist in der Phasendifferenz (- zeitlicher Abstand gleicher Punkte -) von Antennendrehfrequenz (Antennenposition) und Sinustonfrequenz (Peilsignal) enthalten!

 

Die folgenden Kurven sollen noch einmal obigen Zusammenhang von Antennenposition und Empfangsfrequenzänderung (über die Zeit) verdeutlichen:

 

Wie vielleicht aus dem Mathe- oder Physikunterricht bekannt ist, kann eine Kreisbewegung auch als Sinuskurve in der Zeitebene dargestellt werden. Dabei betrachtet man das sich drehende Karussell nicht von oben, sondern von der Seite (z. B. vom Punkt D aus). Der Empfänger bewegt sich über die Zeit gesehen (mit sinusförmig wechselnder Geschwindigkeit) zwischen den Punkten A und C hin und her. Die erste Kurve beschreibt genau diesen Zusammenhang zwischen der Antennenposition und der Zeit.

Die beiden unteren Kurven repräsentieren die Empfangsfrequenzänderungen während die Antenne ihre Position verändert. Werden diese Empfangsfrequenzänderungen in einem FM-Empfänger demoduliert, so sind am Diskriminator- bzw. Lautsprecherausgang identische Sinuskurven messbar.

Die mittlere Kurve repräsentiert die Lautsprecherausgangsspannung für einen Sender im Süden, die unterste für einen Sender im Westen.

In unserem Beispiel können wir für den Sender im Süden eine Phasendifferenz (- zeitlicher Abstand gleicher Punkte -) von 90° messen. Für den Sender im Westen ergibt sich 180°, usw..

 

Fazit:

Jeder Senderposition ist durch Messen der Phasendifferenz eine eindeutige Richtung zuordenbar!

 

Zur späteren Ausgabe der korrekten Peilrichtung wird zur gemessenen Phasendifferenz noch eine Konstante (hier: +90°) addiert - Der Doppler-Peiler wird dadurch „eingenordet“.

Für die acht Hauptrichtungen einer 360°-Peilanzeige gilt somit folgende Tabelle:

Senderposition:

gemessene Phasendifferenz:

Nordungs-Konstante:

Peilanzeige:

Süd

90°

+90

180°

Süd-West

135°

+90

225°

West

180°

+90

270°

Nord-West

225°

+90

315°

Nord

270°

+90

360°/0°

Nord-Ost

315°

+90

45°

Ost

360°/0°

+90

90°

Süd-Ost

45°

+90

135°

 

 

Soweit zur Theorie, jetzt zur Praxis:

Es gestaltet sich ziemlich schwierig, eine Antenne mit 300 Umdrehungen pro Sekunde mechanisch rotieren zu lassen. Gelöst wird das Problem, indem man viele Antennen kreisförmig anordnet und diese mittels elektronischem HF-Schalter einzeln und nacheinander zum Empfänger durchschaltet. Je mehr Antennen vorhanden sind, desto gleichmäßiger wird die „Rotation“ und desto besser die Qualität des 300-Hz-Peilsignals am Lautsprecherausgang des FM-Empfängers.

 

Ein Amateur-Doppler-Peiler besteht im wesentlichen aus zwei Hauptteilen:

a) Antennensteuerung

b) Peilsignalauswertung

 

 

a) Antennensteuerung:

Die Antennensteuerung generiert, je nach Peilertyp, „harte“ Steuerspannungen (digital: Antenne ein/aus) oder „weiche“ Steuerströme (überlappend, logarithmisch ansteigend/abfallend). Diese veranlassen den Antennenschalter nacheinander jede Antenne zum Empfänger „durchzuschalten“. Das heißt, es ist immer nur eine Antenne aktiv! Alle nicht benutzten Antennen werden in dieser Zeit vom Antennenschalter inaktiv geschaltet.

„Die Antenne“ „rotiert“ quasi auf einer Kreisbahn (wie beim Karussell) und ermöglicht so die für den Doppler-Peiler nötige Frequenzmodulation der einfallenden Funkwelle.

Ein 300-Hz-Oszillator gibt dem Antennensteuerteil die Antennenumlauffrequenz vor bzw. stellt dem Phasenvergleicher ein Signal zur Phasendifferenzmessung zur Verfügung. Außerdem steuert es einen Zähler zwecks 360°-Richtungsanzeige (siehe unten).

 

b) Peilsignalauswertung:

Aus Kostengründen werden oft nur vier oder acht Antennen verwendet. Dadurch bewegt sich „die Antenne“ nicht kontinuierlich, sondern quasi „sprunghaft“ durch den Raum – Der elektronische Doppler-Peiler ist somit eigentlich ein Phasenpeiler! Am Lautsprecherausgang des FM-Empfängers kann man deshalb auch kein sauberes Sinussignal messen, sondern lediglich positive und negative Spannungsspitzen (innerhalb einer Sinushüllkurve).

Ein schmalbandiges Selektivfilter filtert aus den Spannungsspitzen wieder die saubere 300-Hz-Sinusgrundwelle und befreit als Nebeneffekt das Peilsignal von Gesprächsinhalten, die ebenfalls am Lautsprecherausgang anliegen. Das generierte Sinussignal wird in ein Rechteck gewandelt, welches dann mit der Oszillatorfrequenz in seiner Phase digital verglichen wird. Ein nachfolgender Zähler (0 .. 360) wird z. B. mit der Aufwärtsflanke des Oszillatorsignals gestartet und mit der Aufwärtsflanke des Peilsignals gestoppt. Die vergangene Zeit (= Zählerstand bei Stopp) ist ein direktes Maß für die Richtung, in der sich ein Sender relativ zum Empfangsantennenfeld befindet. Mittels Addierer kann die LED-Richtungsanzeige beliebig „verschoben“ und somit der Peiler „genordet“ werden.

 

 

Vorteile eines Funkpeilers nach dem Doppler-Effekt:

- Sehr kurze Reaktionszeiten und eindeutige 360°-Anzeige

- Keine „HF-Technik“, sehr leicht zu bauen

- Kein Eingriff in den FM-Empfänger nötig

- Kein HF-Abschwächer nötig

- Mit anderen Peilern vernetzbar

 

DF9IE

 

 

Nun aber: wer war dieser Christian Doppler ???

Wer wissen will, wie dieser Mann aussah, kann sich gerne ein Bild von ihm machen (lassen):

Zeig's mir !
(Achtung: Das Bild erscheint evtl. verborgen im Hintergrund!)

 

Wer noch mehr über C. Doppler erfahren möchte, kann sich bei Wikipedia schlau machen

Richtig "Ins Eingemachte" für Fanatiker mathematischer Formeln geht es ebenfalls bei Wiki unter:

http://de.wikipedia.org/wiki/Doppler-Effekt

 

 

 

Letzte Aktualisierung: 07.06.2011

 

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