Signalanalyse für Dummies

Der Titel könnte auch heißen “Wie finde ich heraus, was ich gerade empfange?”. Ich will hier ein paar grundlegende Arbeitsweisen im Zusammenhang mit dem Funkempfang erklären und so Anfängern den Einstieg erleichtern. Ein wenig Vorwissen sollte man schon mitbringen, also wo befindet sich so grob welcher Knopf in meiner SDR-Software und was ist eine Modulationsart etc. Sollten Unklarheiten bestehen, kann ich diese sicher noch in weiteren Beiträgen klären.

Die ersten Schritte

Gehen wir davon aus, dass wir ein funktionierendes System aus RTL-SDR, PC und SDR-Software haben. Stimmen wir den Empfänger auf das 2m Amateurfunkband, also eine Mittenfrequenz von 145 MHz ab und schon sollten die ersten Signale am Bildschirm sichtbar sein.

Erstmal sollten wir uns noch ein paar Funktionen der SDR-Software zu Gemüte führen. Wir können die Verstärkung des RTL-SDR über die Software regeln. Damit lässt sich ohne etwas kaputt zu machen sehr gut experimentieren, zumal die optimale Verstärkung auch vom Stick abhängig ist. Als einsteigerfreundlichste Variante würde ich empfehlen, sich ein einigermaßen starkes Signal, zum Beispiel eines Amateurfunkrelais zu suchen. Zoomt am besten etwas heran, um den Unterschied deutlicher zu sehen. Jetzt zieht Ihr erstmal die Verstärkung relativ weit herunter, zum Beispiel auf 20dB. Das Signal sollte noch einigermaßen zu erkennen sein. Spielt einmal etwas mit dem Verstärkungsregler und Ihr werdet feststellen, dass das Signal ordnungsgemäß stärker und schwächer wird. Dreht Ihr aber die Verstärkung sehr weit nach oben, ist irgendwann der Bereich gekommen, wo das Signal nicht mehr wirklich stärker wird, sondern sich nur noch das Rauschen erhöht. Das ist der Bereich, den wir nicht mehr wollen, da es uns nicht auf absolut hohe Pegel ankommt, sondern auf ein möglichst gutes Signal-Rausch-Verhältnis. Sucht euch also einen Punkt, ab dem das Signal nur noch minimal stärker wird, aber das Rauschen sich noch in Grenzen hält.

Außerdem ist das eine gute Gelegenheit, den RTL-SDR nochmal genauer auf die Frequenz abzustimmen. Wir nehmen das Signal des Relais und drehen solange an der Frequenzkorrektur in der SDR-Software, bis das Signal und die Soll-Frequenz aufeinander liegen. Natürlich ist so ein Sender kein absolutes Referenzsignal und liegt auch gerne mal ein paar Hertz daneben, aber für unsere Zwecke reicht das.

Nochmal zurück

Moment, eigentlich habe ich schon ein paar Schritte übersprungen. Wir haben also unseren Empfänger und die Software entsprechend auf 145 MHz eingestellt. Liegt die Samplingrate im üblichen Bereich für den RTL-SDR von 2 oder 2,8 mbps, dann sehen wir ungefähr ein Spektrum von 144 bis 146 MHz. Woher erfahre ich jetzt, was da überhaupt Funktechnisch unterwegs ist?

Das Frequenzspektrum wird in Deutschland, wie könnte es anders sein, durch eine Behörde verwaltet, die Bundesnetzagentur. Will man in Deutschland einen Funkdienst betreiben, braucht man vereinfacht gesagt von der Bundesnetzagentur eine sogenannte Frequenzzuteilung. Bei der Vergabe orientiert man sich am Frequenzplan und der ist für uns Amateurhörer schon mal ein erster Einstieg, um zu wissen, wer wo unterwegs ist.

Sehen wir uns also mal den Eintrag für 145 MHz an, wobei hier der Frequenznutzungsteilplan 193 zutreffend ist. Lasst euch bitte vom Behördendeutsch nicht abschrecken! Unter “Funkdienst” finden wir auch schon die passende Bezeichnung, nämlich Amateurfunkdienst. Und schon wissen wir etwas mehr, was wir in diesem Frequenzbereich zu erwarten haben. Das war natürlich für die meisten Leser keine große Überraschung, aber genauso kann ich auch in anderen Frequenzbereichen vorgehen.

Wir wissen also jetzt, dass zwischen 144 und 146 MHz Amateurfunk zu erwarten ist. Um Signale zuordnen zu können, gibt es jetzt zwei Möglichkeiten. Entweder, wir sehen uns nochmal genauer an, was für Signale in diesem Bereich wo zu erwarten sind, da diese insbesondere im Amateurfunk nochmal genauer unterteilt sind. Oder eben, wir sehen uns das Spektrum an und versuchen es selbst herauszufinden.

Variante 1: Der Bandplan

Für Informationen zum Amateurfunk ist der DARC natürlich immer eine gute Anlaufstelle, so auch hier. Dort findet man die Bandpläne für die einzelnen Frequenzbereiche. Damit wissen wir schonmal, dass Amateurfunkrelais im Bereich zwischen 145,600 und 145,800 MHz senden.

Eigentlich ist es wie beim Erkunden eines unbekannten Gebiets. Wir verschaffen uns erstmal einen Überblick, um uns dann genauer mit den Details zu befassen. So können wir nämlich die einzelnen Signale, die im Spektrum sichtbar sind, schon mal sortieren. Durch das Spektrum haben wir zudem einen viel besseren Überblick, als es mit einem herkömmlichen Empfänger der Fall ist. Sehen wir zum Beispiel, dass ein Signal gleichzeitig im Relaisbereich und 600 KHz darunter auftaucht, dann wissen wir, dass wir den Funkamateur sowohl über das Relais, als auch direkt empfangen können.

Genauso können wir aber auch gewisse Störungen identifizieren. Der RTL-SDR ist bei starken Signalen leider sehr schnell übersteuert und zeigt uns Signale in Frequenzbereichen, die dort einfach nicht hingehören. Habe ich ein starkes Relais, werde ich es vermutlich noch an anderen Stellen im Spektrum wiederfinden. Wenn ich aber weiß, dass FM-Signale im Bereich 144 bis 144,5 MHz nichts zu suchen haben, kann ich diese relativ schnell als Störung identifizieren.

Variante 2: Direkt im Spektrum abtauchen

Den Umweg über den Bandplan muss man natürlich nicht gehen, wenn man bereits eine gewisse Erfahrung gesammelt hat. Dann ist man vielleicht auch schon so weit, dass man im Spektrum erkennt, um was für ein Signal es sich handelt. Ich will hier mal versuchen, ein paar Beispiele zu zeigen, damit man sich schneller orientieren und so Signale zügig zuordnen kann.

1. Sendefrequenz

Wie oben schon beschrieben, sehe ich mir erstmal an, wo das Signal überhaupt unterwegs ist. Dann weiß ich schon mal grob, womit ich rechnen muss, zum Beispiel ein Relais. Gleichzeitig weiß ich in diesem Fall auch, dass hier eigentlich nur Signale in FM zu erwarten sind. Digitale Betriebsarten wie DMR und D-Star sind eher im 70cm Band zu erwarten, aber auch auf 2m gibt es solche Sender. Also Software auf FM einstellen und auf das Signal abstimmen. Höre ich nur ein Brummen, ist es ein digitales Signal.

2. Bandbreite

Im Spektrum sehen wir ungefähr, wieviel Bandbreite das ausgesendete Signal belegt. Vereinfacht gesagt, digitaler Sprechfunk und FM brauchen relativ viel Bandbreite, das Signal wird einige KHz breit sein. Dagegen benötigt SSB deutlich weniger Bandbreite, ein CW Signal wird nur ein schmaler Strich im Spektrum sein. Bei digitalen Betriebsarten ist es erstmal so, dass ein Signal je mehr Bandbreite belegt, desto höher die Übertragungsgeschwindigkeit ist.

3. Optik

Optik klingt erstmal komisch, aber sehen wir uns das Signal an. Haben wir ein relativ breites Signal mit gleichbleibender Intensität und wenig Variation, handelt es sich ganz bestimmt um ein digitales Relais, typischerweise DMR oder D-Star. Können wir dagegen in der Mitte des Signals einen Träger, also eine Art “Spitze” ausmachen, um die sich der Rest der übertragenen Informationen bewegen, dann ist es mit hoher Wahrscheinlichkeit FM. AM-Signale, die wir typischerweise im Amateurfunk nicht antreffen, aber auf der Kurzwelle von Rundfunksendern, haben ein sehr ähnliches Aussehen. SSB-Signale dagegen arbeiten ohne Träger, wir haben nur das Audiosignal eines Seitenbandes. Es sieht also ein wenig aus wie ein abgeschnittenes AM-Signal.

4. Zeitlicher Verlauf

Im Amateurfunk ist die Übermittlung über Sprache immer noch der Standard. Also haben wir unterschiedlich lange “Durchgänge” der einzelnen Teilnehmer eines Gesprächs, was zu entsprechenden Signalen im Spektrum führt. Habe ich zwischen den Durchgängen kein Signal anliegen, dann handelt es sich in der Regel um Direktkontakte zwischen den Teilnehmern. Dagegen haben Relais meistens eine Nachlaufzeit, die dazu führt, dass das Relais auch in kurzen Gesprächspausen durchgehend sendet.

Dagegen sind digitale Übertragungen anders, zum Beispiel APRS setzt auf das Senden kleiner “Pakete”, die kurz im Spektrum auftauchen und danach wieder verschwunden sind. Im 2m-Bereich wird man sicher auf solche Paket auf der Frequenz 144,800 MHz trefen.

Gehen wir dagegen vom Amateurfunk weg und sehen und Mobilfunknetze wie TETRA oder GSM an, haben diese Sender, die permanent grundlegende Informationen senden. Im Bereich von 390 MHz bis 395 MHz wird man also im Spektrum ganz viele konstante Signale sehen, die kaum in ihrem Pegel schwanken. Werden darüber hinaus mehr Kapazitäten benötigt, dann schaltet die Steuerung zusätzliche Sender dazu, die im Spektrum ebenfalls als konstantes Signal sichtbar werden.

Nicht nur der Pegel ist interessant, sondern auch der zeitliche Verlauf der Frequenz. So lässt sich nämlich herausfinden, ob der Sender sich bewegt. Relevant wird dies beim Empfang von Amateurfunksatelliten, die wir im Bereich von 145,800 bis 146 MHz suchen sollten. Teilweise finden wir dort auch Störungen, die aber stabil auf einer Frequenz liegen. Amateurfunksatelliten sind aber (noch) nicht geostationär und haben damit durch den Dopplereffekt immer eine Frequenzdrift, womit sie sich sehr leicht identifizeren lassen.

Praktische Beispiele

Um es endlich auch etwas plastischer darstellen zu können, habe ich einmal ein paar Beispiele herausgesucht, an denen man das obige Vorgehen deutlich machen kann.

Sehen wir uns also eine Momentaufnahme aus dem 2m-Band an:

Offensichtlich ist unterhalb von 144 MHz gar nichts los, also brauchen wir dem auch keine Aufmerksamkeit schenken. Ziemlich genau auf 144 MHz sehen wir einen Träger, der bei näherem Hinsehen sehr schmal und ohne jegliche Variation ist. Vermutlich handelt es sich um irgendeine Störung, also geht es weiter. Am oberen Rand des Wasserfalldiagramms sehen wir eine beginnende Aussendung bei ungefähr 144,150 MHz. Laut Bandplan sollten hier keine Signale über 500 Hz anzutreffen sein, was uns schon mal stutzig machen sollte. Sehen wir uns das gesamte Spektrum an, dann fällt auf, dass ungefähr 1,6 MHz weiter oben ein recht starkes Signal gleichzeitig empfangen wird. Hier kann man also davon ausgehen, dass es sich um eine “Spiegelung” des starken Signals eines Amateurfunkrelais handelt, wie sie immer wieder bei starken Signalen zu sehen ist.

Also weiter im Spektrum, da finden wir immer wieder mal schwache Signale, die sich nicht so richtig zuordnen lassen. Richtung 144,450 MHz findet sich ein Signal, welches wir uns genauer ansehen sollten. Erstmal sieht das nicht spektakulär aus, es ist schmalbandig, aber dort finden sich auch ein paar Störungen. Sieht man sich aber den zeitlichen Verlauf an, ist das Signal mal da und mal nicht. In der Übersicht erkennt man nicht viel, für so etwas gibt es die Zoomfunktion:

Der Träger ist also mal da und mal nicht, dann steht er länger an. Der Bandplan spricht von einem Bakenbereich, also ein Bereich, in dem automatisierte Sender arbeiten, die zur Beobachtung von Ausbreitungsbedingungen dienen. Diese senden regelmäßig ihre Kennung in Morsecode aus, teilweise variieren sie ihre Sendeleistung noch zusätzlich. Dank der Spektrum anzeige kann man sogar recht einfach den Morsecode dekodieren, ohne weitere Software. Kurze Signale sind ein Punkt, lange Signale natürlich ein Strich. Schreibt sie raus und dann nutzt einen HTML-Dekoder, indem Ihr in das Textfeld Punkte (also .) oder Striche (also -) eingebt und das Menü auf “Morse Code to Text” umstellt, schon habt Ihr das Signal im Klartext. Dann noch das Rufzeichen in Google eingeben und Ihr erfahrt mit Sicherheit mehr über den Standort der Bake!

Zurück in unsere Übersicht über das 2m-Band. Dort finden sich bei 144,800 MHz 2 Signale, die kurze Zeit ausgesendet werden. Schon in der Übersicht sieht man, dass diese relativ breit sind und keine große Variation im Signal deutlich wird. Spricht also eher für eine Datenübertragung. Der Bandplan gibt uns Recht, es sind APRS-Signale, also 1200 Baud AFSK. Vor dem “unteren” Signal, also der ersten Aussendung, sieht man noch ganz leicht im Spektrum ein schwächeres Signal, also scheinbar von einem anderen Sender als die anderen zwei Aussendungen.

Weiter auf den höheren Frequenzen sehen wir relativ schwache Signale, die irgendwie regelmäßig aussehen, aber scheinbar dort nicht hingehören, weil sie eher nach Datenübertragung aussehen als nach Sprachaussendungen in FM.

Zwischen 145,600 und 145,800 MHz senden die Amateurfunkrelais ihre Signale aus, die zwischen 145,000 und 145,200 MHz empfangen werden. Ersteres nennt man im Amateurfunk Ausgabe, 600 KHz darunter findet man auf 2m die Eingabe. Im Betriebs- und BOS-Funk nennt sich das Oberband und Unterband. Durch die Breite des empfangbaren Bereichs mit dem RTL-SDR ist es also kein Problem, sich den Bereich der Ausgaben anzusehen und gleichzeitig zu kontrollieren, ob man den sendenden Funkamateur auch auf der Eingabe empfangen kann.

Im vorliegenden Spektrum sehen wir 3 Relais, ein recht starkes bei 145,625 MHz, dann ein schwächeres bei 145,700 MHz und ein relativ starkes Relais, welches gerade erst mit dem Senden begonnen hat ein paar KHz weiter oben. Gerade bei dem Relais auf 145,625 MHz sieht man auch sehr schön den Unterschied zwischen Sprechpausen und stattfindenden Funkgesprächen.

Oberhalb von 145,800 MHz findet sich im vorliegenden Beispiel nichts interessantes mehr, dort könnte man bei entsprechendem Timing Amateurfunksatelliten finden.

Spezialitäten

Wer bis jetzt durchgehalten hat, dem will ich noch ein paar spezielle Beispiele zeigen.

Dieses Signal auf 145,750 MHz ist recht breitbandig, für normales schmalband FM, aber man kann ein hörbares Signal reproduzieren, wenn man die SDR-Software auf FM stellt und entsprechend auf die Frequenz abstimmt. Dabei handelt es sich um den sogenannten Sonderkanal 6, der aus dem TV-Kabelnetz kommt, welches meist nicht besonders gut geschirmt ist, und so fröhlich in die Umgebung strahlt.

Eine weitere Geschichte, die für Amateurfunk meist nicht so arg spannend ist, aber bei anderen, insbesondere erstmal unbekannten Funkdiensten recht interessant werden kann, wäre herauszufinden, ob Signale über ein Relais ausgesetzt werden oder nicht. Beim folgenden Beispiel sehen wir schon sehr deutlich, dass hier unterschiedliche Sender verwendet werden:

Wir sehen dort sehr deutlich, zum einen den unterschiedlichen Empfangspegel der beiden Signale, der auch mit einem herkömmlichen Funkgerät am S-Meter abzulesen ist. Bei Signalen, die ähnlich stark sind, ist das aber manchmal gar nicht so einfach. Dank dem Wasserfall sehen wir aber einen Frequenzversatz der Trägersignale, der eindeutig für 2 unterschiedliche Sender spricht. 1 KHz mehr oder weniger wird uns bei einem “normalen” Funkgerät kaum auffallen, im Spektrum wird es aber schön deutlich.

Und wie macht man weiter?

Das war ein echt langer Text und ich hoffe, dass wenigstens ein paar Leser auch durchgehalten haben bis hier hin. Deutlich wurde, dass die Analyse von Signalen erstmal gar nicht unbedingt spezielle Software benötigt, sondern man auch schon durch hinsehen und der Kenntnis über einen Bandplan viele Informationen gewinnen kann. Genauso ist der schnelle Überblick über ein Frequenzspektrum auch eine Sache der Erfahrung, die man mit der Zeit ansammelt. Also braucht man durchaus auch ein wenig Sitzfleisch und muss leider auch viel lesen und sich informieren.

Wer von diesen Grundlagen ausgehend weiter machen will, dem sei das Signal Identification Wiki empfohlen, welches eine Vielzahl von Signalen enthält und einen schönen Überblick liefert.

Habe ich etwas vergessen, wollt Ihr bestimmte Themen nochmal genauer haben, habt Ihr Linktipps oder euch eine andere Herangehensweise erarbeitet? Dann ab in die Kommentare damit!