Atmosferische ruis op de HF banden
(Eerder gepubliceerd in Electron #4, 2008)
INLEIDING
In een gerelateerd artikel over het ontvangst rapport, dat eveneens gevonden kan worden op deze web-site, was één van de conclusies dat het zinvol is om met dit sterkterapport aan het tegenstation ook op te geven tegen welke achtergrond dit wordt gegeven.
Dit achtergrondsignaal kan vele vormen aannemen, afhankelijk van de frequentieband waarin wordt geluisterd, het uur van de dag, de gebruikte antenne enz. Ook de aard van het radio-verkeer speelt hierbij een belangrijke rol waarbij je moet denken aan het verschil in verstaanbaarheid van jouw signaal in een pile-up of op een stil plekje van de tien meter band.
Verder geeft zijband 'splatter' op de drukke 80 en 40 meter banden een ander soort hinder dan een zwak signaal tegen de natuurlijke ruis achtergrond, vooral wanneer zo'n zijband signaal het zelfde ritme van de menselijke stem heeft als het station waarnaar je probeert te luisteren. De filters in ons gehoor zijn dan minder bruikbaar. In alle gevallen is echter dit achtergrondgeruis een belangrijke factor en daarom wilde ik het in dit artikeltje eens hebben over de aard van de atmosferische ruis en de sterkte die we hiervan kunnen verwachten op de HF amateur banden.
NATUURLIJKE RUIS
Deze atmosferische ruis ontstaat uit een aantal componenten waarvan ik allereerst de natuurlijke bronnen wil noemen. Deze bestaan voor het belangrijkste deel uit bliksem- ontladingen tussen de wolken onderling en tussen de wolken en de aarde. De laatste geven de meeste storing omdat dit met de hoogste energie gepaard gaat. Over de hele wereld vinden er elke dag miljoenen bliksem inslagen plaats, waarvan je de plaats in onze omgeving kunt terugvinden op de www.buienradar.nl.
Die miljoenen inslagen per dag betekenen ook ongeveer 100 inslagen per seconde, waarbij we de dichtstbijzijnde op onze ontvangers horen als impuls storing gedurende een kort moment.
De energie van de inslagen wat verder weg komt naar ons toe via vele wegen en is daarom enerzijds minder hevig maar duurt daarnaast ook langer. Dit verschijnsel heet dispersie en komen we bij alle golf-voortplantings-verschijnselen tegen, ook bij licht. Onweer op nog grotere afstanden horen we daarom nauwelijks meer als een impuls maar meer als een constante achtergrond ruis.
Zowel de impulsstoring als de constante ruis zijn echter niet altijd even hard, maar variëren met de nabijheid van een storm, met het seizoen en met de plaats op aarde. In Z.O Azië zijn onweersbuien b.v. veel talrijker waardoor de atmosferische ruis en impulsstoringen hier veel sterker zijn en bovendien veel meer variëren in de tijd. Communicatie in de lagere HF-banden is in die streken veel meer een kwestie van toeval. Atmosferische ruis heeft dus ook een statistische component, waardoor je op het ene moment meer natuurlijke ruis kunt meten dan op het andere. Op 3 MHz. bijvoorbeeld, is het verschil tussen de waarden die gedurende 99,5 % van de tijd worden overschreden en gedurende 0,5 % van de tijd wel 90 dB. Verder moeten ook de voortplantingscondities hierbij worden betrokken. Op de 80 m. band is het b.v. overdag aanmerkelijk rustiger dan in de latere avonduren, wanneer de ionosfeer door betere reflectie condities de signalen over grotere afstanden hoorbaar maakt.
Deze impuls storing en constante ruis vertonen weleenswaar een breed energie spectrum maar nemen toch in energie af met toenemende frequentie. Hierdoor is vanaf ongeveer 4 MHz. de ruis die uit het heelal afkomstig is de dominante, natuurlijke component en blijft dit ook tot ongeveer 1 GHz., wanneer andere typen ruis dit gaan overnemen. Vanaf deze frequentie is ook de ruis die afkomstig is van de zon een belangrijke factor en zelfs de overwegende factor voor gebundelde antennes die al dan niet toevallig direct in de zon kijken.
RUIS DOOR DE MENS
Hoewel beneden 4 MHz. de natuurlijke ruis uit de aardse atmosfeer belangrijker is, geldt dit minder voor het gebied tussen ongeveer 100 kHz. en 4 MHz. Behalve bij een zwaar onweer op korte afstand wordt de belangrijkste ruis in dit gebied veroorzaakt door de mens zelf. Op een rustige locatie, ver van de stad is deze bijdrage door de mens op bijvoorbeeld 1 MHz. al snel 50 dB sterker dan de natuurlijke ruis. Dit kan gemakkelijk toenemen met nog eens 20 - 30 dB in een drukke stads- en bedrijfsomgeving.
Deze door de mens gemaakte 'elektro-smog' bestaat uit vele componenten waaronder storingen van huishoudelijke apparaten, vonken en overslag bij slechte elektriciteitsleidingen en schakelaars, vonken veroorzaakt door trein en tram, vroeger ook storingen door de ontsteking van auto's en bromfietsen: dit is tegenwoordig vervangen door alle mogelijke computer lawaai, industriële en medische apparatuur en ga zo maar door. Hierbij zijn de antennes even belangrijk als de bron omdat de energie moet worden uitgestraald om enig effect te hebben. Aan de meeste apparaten zit wel een netsnoer of een verbinding met weer andere apparaat en de antenne is dan snel gevonden. Dit is ook een van de redenen waarom deze door de mens gemaakte storing juist in het gebied van 0,1 - 4 MHz. zo belangrijk is; de toevallige antennes hebben voor dit frequentiebereik een gunstige lengte om de energie met enig rendement uit te stralen.
Deze antennes lopen in willekeurige richtingen en daarom heeft ook deze elektrosmog geen duidelijk richting of polarisatie. Dit geldt minder voor storingen die in de onmiddellijke omgeving worden opgewekt. Voor dit soort storingen kan het zin hebben om deze met een kleine, en dus voornamelijk voor lokale zenders gevoelige antenne op te pikken en dit signaal te gebruiken in een brug schakeling met de 'hoofd' ontvangstantenne om daarmee de signaal-ruis verhouding van de gewenste, veraf gelegen stations te verbeteren. Hiervoor zijn vele schakelingen te vinden en b.v. ook MFJ heeft hiervoor kant-en-klare kastjes in de vorm van de Noise Bridge MFJ 202B en MFJ1025. Dit type storingsonderdrukking vereist overigens enige handigheid in het gebruik omdat zowel de sterkte als de fase gelijktijdig moeten worden geregeld om enig effect te hebben. In gunstige omstandigheden zijn hiermee verder goede resultaten te bereiken en onderdrukking van specifieke en plaatselijke storing van meer dan 30 dB (5 S-punten) is hiermee mogelijk.
Verder wordt verteld dat dit soort heel lokale storingen meer een elektrische dan een magnetische component zou hebben en meer vertikaal dan horizontaal gepolariseerd zou zijn, en daar kan natuurlijk ook gebruik van worden gemaakt. Deze lokale effecten zouden er verder mede de oorzaak van kunnen zijn dat sommige antennes als 'rustig' worden ervaren. Dit wordt dan toegeschreven aan het specifieke antenne systeem maar lijkt ook en vooral een gevolg van plaatselijke effecten van de elektrosmog, waarbij we natuurlijk altijd in het nabije veld opereren.
Net als bij de natuurlijke achtergrond ruis is ook de electrosmog aan dispersie onderhevig en krijgt dan een meer ongericht en uniform karakter. Ook hier spelen weer atmosferische condities een rol die in de avond-uren en in periode met heftige zonne-activiteit de ruis en storingen over een groter gebied hoorbaar maken.
RUISNIVEAUS
Al heel vroeg is men deze natuurlijke en door de mens gemaakte ruiscomponenten gaan opmeten op verschillende plaatsen op aarde en op verschillende tijden. Dit heeft uiteindelijk geleid tot een dik rapport van de CCIR, Comité consultatif international pour la radio, dat later is opgevolgd door de ITU-R, International Telecommunication Union- Radio Communication sector. Deze heeft verder geborduurd op dit rapport en een vervolg uitgegeven als ITU Recommendation P372-8. Dit ITU rapport is een samenvatting van al deze ruismetingen en normaliseert deze metingen in diverse gebieden en onder diverse omstandigheden.
De gemeten waarden in dit rapport worden regelmatig herzien en men heeft een paar jaar geleden opnieuw naar deze data gekeken om een referentie te hebben waartegen de verwachte extra storing door PLC kon worden afgezet. PLC staat natuurlijk voor Power-Line Communicatie, de commerciële wijze waarop elektriciteitsmaatschappijen hun hiervoor totaal ongeschikte netwerk willen gebruiken voor snelle en breedbandige data overdracht. Bij deze nieuwe metingen bleek dat de getallen uit het ITU rapport nog steeds van toepassing waren en in de loop van de laatste ongeveer 20 jaar niet noemenswaard waren gewijzigd.
De uit het ITU rapport afgeleide grafieken die de verwachte ruisbijdrage laten zien voor onze HF banden zijn te vinden op vele plaatsen op het internet en even Googlen met 'atmospheric and man-made noise' laat ze gemakkelijk vinden. Een voorbeeld van een grafiek uit dit rapport vinden we in figuur 1. Totale atmosferische ruis in een rustige omgeving
De grafieken zijn uitgedrukt in een ruisgetal Fa, dat het relatieve vermogen op die frequentie, b.v. in een 50 Ohm weerstand, vergelijkt met het product k x T0 x B, waarin k staat voor de constante van Bolzman, T0 voor de absolute temperatuur en B voor de bandbreedte waarin wordt gemeten.
Als we kiezen voor de gebruikelijke omgevingstemperatuur en een bandbreedte van 3 kHz, als veel wordt toegepast bij enkelzijband ontvangst, dan kunnen we deze tabel direct omwerken naar het ruisvermogen in onze antenne en als deze ook weer 50 Ohms is, in de spanning op de ingang van onze ontvanger, waarbij voor de antenne een winst van 0 dB wordt verondersteld.
In een rustige, landelijke omgeving vinden we dan b.v. een totale atmosferische ruisspanning op de antenne ingang bij 3,6 MHz. van 1,82 uV. Deze ruisspanning zal dalen bij toenemende frequentie tot 0,48 uV bij 14,2 MHz. en 0,22 uV bij 28,5 MHz.
Als we de ontvanger hebben geijkt volgens het recept in het eerder genoemde artikeltje over het ontvangstrapport, dus met een aanwijzing van S-9 als de gemeten spanning op die antenne-ingang gelijk is aan 50 uV, dan vertalen die achtergrond ruisspanningen tot meer bekende waarden als S 4,2 op de 80m band, S 2,3 op 20 m en S 1,2 op de 10 m. band. De atmosferische condities kunnen hier dan nog een schepje bovenop doen van enkele S-punten voor het verschil van ontvangst overdag en in de avond-uren.
LOKALE OORZAKEN
Als iemand dus vertelt dat hij in zo'n rustige omgeving woont dat zijn achtergrond ruis op de tachtig meterband altijd lager is dan S-2 op zijn sterkte indicator, kun je hem dus vertellen dat met grote waarschijnlijkheid zijn S-meter nodig geijkt moet worden of dat zijn antennesysteem hem op die frequentie een verlies levert van enkele S-punten. Hij begrijpt dan misschien ook waarom anderen met hetzelfde zend-vermogen zoveel meer DX verbindingen kunnen maken.
Hoe die verliezen in de antenneleiding kunnen ontstaan komt uitgebreider aan de orde in het artikeltje "Waar blijft de PEP", dat ook is na te lezen op deze web-site. Een belangrijke component in dit verhaal is de invloed van de antenne voedingskabel, zeker in combinatie met een hoge staande-golf verhouding. Zorg dus in ieder geval altijd voor een goede aanpassing van de antenne aan de voedingskabel en van de voedingskabel aan de transceiver, zeker wanneer die voedingskabel bestaat uit RG58 coax en de verbinding tussen de set en de antenne 15 m. of langer is.
Denk er ook aan dat de mantel van de coax als verticale antenne kan dienen, waarmee vooral de verticale component van de lokale storing de ontvanger wordt binnen gebracht. Dit kan worden voorkomen door overal goede pluggen toe te passen omdat dit soort storingen vooral via overgangsweerstanden wordt ingekoppeld. Ook een mantelstroom smoorspoel bij de ingang van de ontvanger kan veel van dit soort storing buiten houden, samen met ingekoppelde energie van de eigen zend-antenne, zodat zo'n spoel altijd wel een goed idee is. Dit geldt ook voor symmetrische voedingslijnen die niet goed gebalanceerd zijn, al dan niet in combinatie met de antenne.
De genoemde ruisgetallen zijn dus zo'n beetje de ondergrens van wat je kunt verwachten op de HF amateur banden. Veel meer ruis is ook mogelijk omdat al ik al eerder vertelde dat dit achtergrond signaal gemakkelijk nog zo'n 20 - 30 dB kan oplopen in een drukke stads- en bedrijfs- omgeving. De ruisgetallen veranderen dan in S 8 - 9 op de 80m band, via S 6 -7 op 20m naar S 5 - 6 op de 10m band. Voor iemand in zo'n omgeving is dat natuurlijk erg lastig en alleen een goede antenne met een hoge winst in een smalle bundel kan dan de signaal-ruisverhouding voor de zwakkere DX stations nog wat verbeteren. Helaas is zo'n goede, en dus grote antenne weer niet goed plaatsbaar in zo'n stads omgeving zodat van hieruit alleen goede verbindingen mogelijk zijn op nationale feestdagen in de zomer, als bedrijven dicht zijn en iedereen op vakantie is.
Het is duidelijk dat bij zoveel atmosferische storing elke toegevoegde elektrosmog de amateur communicatie op de HF-banden vrijwel onmogelijk kan maken en daarom is de PLC 'overval' vanuit de elektriciteit maatschappijen dan ook iets waar we ons met kracht tegen zouden moeten verzetten.
Bob J. van Donselaar,