Messungen und Beobachtungen

Messungen sind ein zentraler Bestandteil von EMF-Klartext. Sie sollen sichtbar machen, welche elektromagnetischen Signale an realen Standorten tatsächlich vorhanden sind, wie stark sie sind und wie sie sich zeitlich verhalten.

Dabei kommt nicht für jede Fragestellung dasselbe Messgerät zum Einsatz. Je nach Frequenzbereich, Signalart und gewünschter Zeitauflösung werden unterschiedliche Geräte, Antennen, Filter und Auswerteverfahren verwendet. Eine breitbandige Feldstärkemessung beantwortet andere Fragen als eine Spektrumanalyse, eine Zero-Span-Messung oder eine Untersuchung der Hüllkurve.

Besonders wichtig ist die klare Trennung zwischen drei Ebenen:

• Messwert: Was zeigt das jeweilige Messsystem tatsächlich?
• Beobachtung: Welche wiederkehrenden Muster sind erkennbar?
• Interpretation: Welche technische oder wissenschaftliche Bedeutung könnte ein solcher Befund haben?

Diese Trennung soll verhindern, dass aus einzelnen Messungen weitergehende Schlussfolgerungen gezogen werden, die durch die Daten allein nicht gedeckt sind.

Was wird gemessen?

Je nach Fragestellung werden unterschiedliche Eigenschaften elektromagnetischer Signale untersucht. Dazu gehören insbesondere:

• Frequenz und belegte Bandbreite
• relative und absolute Pegel
• zeitliche Signalverläufe
• kurzzeitige Spitzenwerte
• periodische Strukturen und Wiederholraten
• zeitliche Modulations- und Hüllkurvenverläufe
• Veränderungen zwischen verschiedenen Standorten oder Zeitpunkten

Nicht jede dieser Grössen lässt sich mit demselben Messgerät gleich gut erfassen. Deshalb werden Messverfahren und Geräte jeweils an die konkrete Fragestellung angepasst.

Ein Spektrumanalysator eignet sich beispielsweise besonders zur Untersuchung von Frequenzspektren und einzelnen Rundfunksignalen. Zeitaufgelöste Verfahren können dagegen sichtbar machen, wie sich ein Signal innerhalb von Millisekunden verändert. Andere Messketten eignen sich wiederum für Hüllkurven oder niederfrequente Strukturen innerhalb eines hochfrequenten Signals.

Ziel ist dabei nicht, möglichst viele Messwerte zu produzieren, sondern für jede Fragestellung diejenige Messmethode einzusetzen, die die gesuchte Eigenschaft des Signals möglichst direkt sichtbar macht.

Messverfahren und Geräte

Je nach Fragestellung kommen unterschiedliche Messverfahren und Messgeräte zum Einsatz. Entscheidend ist, dass die gewählte Messkette zur gesuchten Signaleigenschaft passt.

Typische Beispiele sind:

• Spektrumanalysator
  zur Untersuchung von Frequenzbereichen, einzelnen Trägern, Ensembles und relativen Pegeln
• Zero-Span-Messung
  zur zeitlichen Darstellung eines Signals auf einer ausgewählten Frequenz
• Breitbandmessgerät / Feldstärkemessgerät
  zur orientierenden Erfassung der gesamten hochfrequenten Feldstärke in einem Frequenzbereich
• SDR-Empfänger
  für flexible Signalanalysen, Langzeitbeobachtungen und die Untersuchung wiederkehrender Muster
• Hüllkurven- bzw. NF-Messkette
  zur Aufzeichnung und Analyse zeitlicher Strukturen in der demodulierten Hüllkurve hochfrequenter Signale
• Antennen und Filter
  um bestimmte Frequenzbereiche gezielt auszuwählen und störende Signale ausserhalb des interessierenden Bereichs zu unterdrücken

Bei komplexeren Messungen besteht die Messkette deshalb häufig aus mehreren Komponenten, beispielsweise aus Antenne, Filter, Messgerät, Adapter und Auswertesoftware.

Wichtig ist, dass die technischen Einstellungen dokumentiert werden. Dazu gehören je nach Messung unter anderem:

• Frequenzbereich
• Messbandbreite
• Sweep- bzw. Aufzeichnungszeit
• Detektor
• Referenzpegel
• Antenne
• Filter
• Standort und Ausrichtung
• Datum und Uhrzeit

Nur so lassen sich Messungen später nachvollziehen und sinnvoll miteinander vergleichen.

Spektrummessungen

Spektrummessungen zeigen, welche Frequenzbereiche belegt sind und mit welchen relativen Pegeln einzelne Signale auftreten. Für DAB+ lässt sich damit beispielsweise erkennen, welche Ensembles an einem Standort empfangen werden und wie stark sie im Verhältnis zueinander sind.

Ein Spektrumanalysator stellt die Signalenergie über der Frequenz dar. Dadurch können unter anderem:

• DAB+-Blöcke voneinander unterschieden,
• belegte und unbelegte Frequenzbereiche erkannt,
• relative Pegel verglichen,
• Veränderungen zwischen Standorten oder Zeitpunkten dokumentiert,
• und mögliche Stör- oder Fremdsignale identifiziert werden.

Für DAB+ erscheint ein Ensemble typischerweise als breiter OFDM-Signalblock. Die Spektrummessung zeigt Frequenzlage und relativen Pegel des Signals, bildet jedoch nur eingeschränkt ab, wie sich das Signal innerhalb kurzer Zeitintervalle verändert.

Deshalb wird die Spektrumanalyse bei zeitlichen Fragestellungen durch andere Verfahren ergänzt, insbesondere durch Zero-Span-Messungen und Hüllkurvenanalysen.

Für vergleichende Untersuchungen ist es wichtig, zentrale Einstellungen wie RBW, VBW, Detektor, Sweep-Zeit, Referenzpegel, Antenne und Messposition möglichst konstant zu halten oder vollständig zu dokumentieren. Nur dann lassen sich Pegelunterschiede zwischen verschiedenen Messungen sinnvoll beurteilen.

Zeitaufgelöste Messungen / Zero-Span

Spektrummessungen zeigen vor allem, wo im Frequenzbereich ein Signal liegt und wie stark es ist. Für die Untersuchung zeitlicher Strukturen reicht das jedoch nicht aus. Hierfür eignet sich unter anderem die Zero-Span-Messung.

Bei einer Zero-Span-Messung wird der Spektrumanalysator auf eine feste Frequenz eingestellt. Die horizontale Achse zeigt dann nicht mehr die Frequenz, sondern die Zeit. Dadurch lässt sich beobachten, wie sich der Signalpegel innerhalb von Millisekunden oder Sekunden verändert.

Mit diesem Verfahren können beispielsweise sichtbar werden:

• periodische Pegeländerungen
• kurze Signalspitzen
• wiederkehrende Rahmenstrukturen
• Einbrüche oder Unterbrechungen
• zeitliche Unterschiede zwischen verschiedenen Signalen oder Standorten

Für DAB+ ist dieses Verfahren besonders interessant, weil das Signal eine klar definierte zeitliche Struktur besitzt. Die wiederkehrenden 96-ms-Transmission-Frames und das Nullsymbol können – abhängig von Messbandbreite, Detektor, Triggerung und Zeitauflösung – im zeitlichen Signalverlauf sichtbar werden.

Die Aussagekraft einer Zero-Span-Messung hängt stark von den gewählten Einstellungen ab. Deshalb sollten insbesondere Mittenfrequenz, RBW/VBW, Sweep-Zeit, Detektor, Triggerung und Referenzpegel dokumentiert werden.

Zero Span zeigt damit nicht primär, wie gross die gesamte Exposition ist, sondern vor allem, wie sich ein ausgewählter Signalanteil im Zeitverlauf verhält. Genau deshalb ergänzt dieses Verfahren klassische Feldstärke- und Spektrummessungen sinnvoll.

Hüllkurve und niederfrequente Strukturen

Ein hochfrequentes Funksignal kann zeitliche Veränderungen enthalten, die sich über seine Hüllkurve sichtbar machen lassen. Die Hüllkurve beschreibt vereinfacht, wie sich die Amplitude eines hochfrequenten Signals im Zeitverlauf verändert.

Wird diese Hüllkurve demoduliert beziehungsweise in einen niederfrequenten Bereich übertragen, können darin periodische Strukturen, Wiederholraten und Modulationsmuster sichtbar werden, die im klassischen Frequenzspektrum des hochfrequenten Trägers nicht unmittelbar erkennbar sind.

Für solche Untersuchungen kommen je nach Fragestellung unterschiedliche Messketten zum Einsatz, beispielsweise:

• HF-Empfänger oder breitbandige Detektoren
• geeignete Antennen und Filter
• Audio- beziehungsweise NF-Schnittstellen
• Aufzeichnungs- und FFT-Software

Damit lassen sich insbesondere niedrige Wiederholfrequenzen und deren Oberwellen untersuchen.

Bei DAB+ ist diese Betrachtung deshalb interessant, weil die technisch definierte 96-ms-Rahmenstruktur einer Wiederholrate von rund 10,42 Hz entspricht. Bei geeigneter Messung können solche zeitlichen Strukturen in der Hüllkurve sichtbar werden.

Wichtig ist dabei, Messartefakte auszuschliessen. Gerade im sehr niedrigen Frequenzbereich können unter anderem Audiointerfaces, Treiber, Abtastraten, Filter, Netzstörungen oder die Auswertesoftware selbst Strukturen erzeugen oder verändern.

Deshalb sollten auffällige Muster möglichst mit unterschiedlichen Messwegen überprüft und nur dann als belastbarer Befund betrachtet werden, wenn sie reproduzierbar auftreten und sich technisch plausibel dem untersuchten Signal zuordnen lassen.

Beobachtungen an realen Standorten

Messungen im realen Umfeld unterscheiden sich grundlegend von Laborbedingungen. Vor Ort wirken gleichzeitig unterschiedliche Sender, Reflexionen, Abschattungen, Geländeformen, Gebäude, Wetterbedingungen und weitere Funkdienste auf die gemessene Exposition ein.

Deshalb werden Beobachtungen möglichst standortbezogen und reproduzierbar dokumentiert. Relevant sind dabei nicht nur absolute Pegel, sondern auch:

• Unterschiede zwischen verschiedenen Orten
• Veränderungen über die Zeit
• relative Stärke einzelner DAB+-Ensembles
• wiederkehrende zeitliche Muster
• Einfluss von Antennenausrichtung und Messposition
• mögliche Veränderungen durch Ausbreitungsbedingungen

Gerade bei DAB+ können an einem Messort gleichzeitig Signale mehrerer Sender desselben Gleichwellennetzes (SFN) eintreffen. Dadurch können sich lokale Pegel und zeitliche Signalverläufe verändern, obwohl alle Sender dasselbe Ensemble auf derselben Frequenz ausstrahlen.

Realweltmessungen sind deshalb besonders wertvoll, wenn es darum geht, die tatsächlich vorhandene Exposition an konkreten Aufenthaltsorten zu charakterisieren. Sie bilden jedoch keine vollständig kontrollierte Versuchssituation. Beobachtete Veränderungen müssen deshalb sorgfältig dokumentiert und mögliche alternative Ursachen mitberücksichtigt werden.

EMF-Klartext verwendet solche Messungen vor allem, um wiederkehrende technische Muster sichtbar zu machen, Standortunterschiede zu dokumentieren und daraus konkrete Fragen für weiterführende Untersuchungen abzuleiten.

Beobachtungen an realen Standorten

Messaufbau der Hüllkurvenmessungen

Für die bisherigen Hüllkurvenmessungen von EMF-Klartext wurde folgende Messkette verwendet:

45-cm-Stabantenne oder Schwarzbeck USLP 9143 LogPer-Antenne → eSMOG-Spion 5G als HF-Detektor → Audio-Ausgang → Behringer UCA222 → PC

Als Empfangsantenne werden je nach Messaufgabe entweder eine 45-cm-Stabantenne oder eine logarithmisch-periodische Richtantenne Schwarzbeck USLP 9143 eingesetzt. Das HF-Signal wird mit einem eSMOG-Spion 5G detektiert. Dessen Audio-Ausgang wird über einen Behringer UCA222 USB-Audio-Konverter auf den PC übertragen.

Die Aufzeichnung erfolgt mit Visual Analyser (VA), Version 26.00, bei einer Abtastrate von 48 kHz. Die anschliessende Auswertung erfolgt mit ocenaudio beziehungsweise Audacity.

Für FFT-Auswertungen werden Hann-Fenster mit folgenden FFT-Längen verwendet:

• ocenaudio: 65’536 Punkte
• Audacity: 131’072 Punkte

Die FFT dient dazu, periodische Komponenten und wiederkehrende Strukturen in der aufgezeichneten Hüllkurve sichtbar zu machen. Die Messungen dienen in erster Linie der Untersuchung von zeitlichen Signalstrukturen und Wiederholfrequenzen. Die Messkette ist nicht als kalibriertes System zur Bestimmung absoluter elektrischer Feldstärken ausgelegt; absolute Expositionswerte werden daraus deshalb nicht abgeleitet.

Messunsicherheit und Grenzen der Messungen

Nicht jede auf EMF-Klartext dokumentierte Messung dient demselben Zweck. Entsprechend unterscheiden sich auch die Anforderungen an Genauigkeit, Kalibrierung und absolute Vergleichbarkeit.

Die eingesetzten Geräte und Messketten sind nicht durchgehend metrologisch rückführbar kalibriert. Deshalb dienen die Messungen nicht als rechtsverbindlicher Nachweis absoluter Feldstärken und nicht als Ersatz für amtliche Grenzwertmessungen.

Im Vordergrund stehen vielmehr:

• Signalform und zeitliche Struktur
• relative Pegelunterschiede
• wiederkehrende Muster
• Vergleiche zwischen Standorten oder Zeitpunkten
• technische Veränderungen innerhalb eines Signals

Für solche Fragestellungen können auch Messungen mit begrenzter absoluter Messgenauigkeit aussagekräftig sein, sofern Messaufbau, Geräte, Einstellungen und Randbedingungen dokumentiert und Vergleiche unter möglichst gleichen Bedingungen durchgeführt werden.

Gleichzeitig können Messergebnisse durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden, etwa:

• Antennencharakteristik und Ausrichtung
• Kabel- und Adapterverluste
• Filter
• Geräteeinstellungen
• Dynamikbereich
• Umgebungsbedingungen
• Reflexionen und Mehrwegeausbreitung
• Software und Signalverarbeitung

Deshalb werden absolute Zahlenwerte auf EMF-Klartext dort, wo die Messunsicherheit relevant ist, nicht mit einer Genauigkeit dargestellt, die das verwendete Messsystem nicht hergibt.

Ziel ist eine transparente technische Dokumentation: Was wurde womit gemessen, unter welchen Bedingungen, und welche Aussage lässt sich daraus tatsächlich ableiten?