Das S.Meter

Das S-Meter, das unbekannte Wesen

von Peter G Zielke, DK9HZ

Jeder, der mit Funktechnik zu tun hat weiß, was sich hinter dem Begriff „S-Meter“ verbirgt. Der Funkamateur, CB-Funker, Kurzwellenhörer (SWL) oder der professionelle Operator beurteilt die Signalstärke der Station, die gerade empfangen wird, nach einer Anzeige, die S-Meter genannt wird. Während die Lesbarkeit (Readbility, R) und die Tonqualität (Tone, T) durch den Benutzer der Funkstation subjektiv, das heißt, nach „Gefühl“ beurteilt wird, wird die Signalstärke (signal-strength) bzw. die Feldstärke eines bestimmten am Empfänger ausgewählten Signals mittels eines kleinen Zeigerinstrumentes oder einer LCD/LED-Anzeige angezeigt.


Abb. 1 Übliches S-Meter eines Empfängers als Zeigerinstrument (hier: S9 + 25 dB)

Mit der S-Meter-Anzeige wird in der Amateurfunk-Betriebs-Technik leider recht viel Unfug getrieben, obwohl sie lediglich die Eingangsspannung an der Antennenbuchse des Empfängers anzeigt. Antennenart, Antennenrichtung, Antennenzuleitung, Standort usw bleiben hierbei völlig ausgeklammert und unberücksichtigt, so daß man lediglich ein relatives Urteil darüber abgeben kann, welcher Sender bei einem Vergleich am Empfängereingang die größere Leistung abgibt. Objektive Messungen zwischen zwei Stationen sind nur dann möglich, wenn von denen eine beispielsweise die Leistung erhöht oder die Antenne wechselt, um die Auswirkungen auf die S-Meter-Anzeige der Gegenstation relativ beurteilen zu können.

Bei einigen Geräte-Fabrikaten ist die S-Meter-Eichung reiner Zufall und kann von der Definition um ganze S-Stufen abweichen. Dies ist solange unwichtig, wie man der Differenz von 6 dB zwischen zwei S-Stufen möglichst nahe kommt. Nur dann sind hiermit brauchbare Relativmessungen durchführbar.

Völliger Unsinn ist es allerdings, wenn man versucht, den S-Stufen neben den oder statt der absoluten Eingangsspannungsangaben in μV an 50 Ω verbale Lautstärkeeindrücke, wie „genügend hörbar“ oder „sehr gute Zimmerlautstärke“ zuzuordnen, wie das sehr oft auch in der Amateurfunk-Literatur (und in Prüfungsfragen) zu finden ist. Zwar gibt es eine Auflistung solcher gehörmäßigen Rapporte ohne S-Meter, man erkennt aber sofort die Schwachstellen dieses Systems. Wie soll der Operator zwischen einem „sehr guten Signal“ und einem „starken Signal“ verläßlich unterscheiden und eine brauchbare Beurteilung an die Gegenstation geben können.

S1 = äußerst schwaches Signal, kaum wahrnehmbar
S2 = sehr schwaches Signal
S3 = schwaches Signal
S4 = praktisch ohne Schwierigkeiten lesbar
S5 = ausreichendes Signal
S6 = gutes Signal
S7 = sehr gutes Signal
S8 = starkes Signal
S9 = äußerst starkes Signal

Obwohl moderne Empfänger/Tranceiver immer komfortabler und leistungsfähiger werden, kommen die eingebauten S-Meter leider nicht über den Status eines „Schätzeisens“ hinaus. Bei den meisten Geräten fehlt leider auch eine Buchse zum Anschluß eines externen S-Meters. Wegen der oft größeren Skala ist ein externes S-Meter leichter ablesbar, besitzt oftmals eine etwas höhere Genauigkeit als interne. Wegen der, bei den meisten externen Geräten vorhandenen Einstellmöglichkeit, kann dieses meistens realistischere Werte anzeigen. Grundsätzlich muß aber festgestellt werden, daß infolge des relativ großen Anzeigeumfangs von ungefähr 110 dB und der daher fast unvermeidlichen nichtlinearen Signalverarbeitung im Empfänger, die S-Meter in der Regel nicht besonders genau sind.

Beschäftigt man sich ein wenig eingehender mit dieser Materie, stellt sich nach kurzer Zeit bereits die Frage: „Was zeigt dieses, in den Empfänger eingebaute, oft zu klein ausgelegte Messinstrument in Wirklichkeit an?“ Normalerweise entnimmt das S-Meter seine Information der AVR-Spannung (AVR = Automatische-Verstärkungs-Regelung) des Empfängers. Es wird meistens über eine Pufferstufe angeschlossen, weil der Instrumentenstrom den AVR-Kreis unzulässig stark belasten würde. Die AVR-Spannung ist üblicherweise eine Gleichspannung, die zur Regelung des Zwischenfrequenzverstärkers gewonnen wird. Je größer das Eingangssignal des Empfängers, desto kleiner ist die notwendige Verstärkung auf der HF- und ZF-Ebene und umso höher ist die AVR-Spannung. Diese Art der S-Meter-Spannungsgewinnung erkennt man an dem Effekt, daß bei manuellem Zurückdrehen der HF-Verstärkung (RF-Gain) die S-Meter-Anzeige in Richtung größerer Werte ausschlägt.

Nach dem Studium diverser Geräte-Handbücher und verschiedener Artikel in Fachzeitschriften bezüglich dieses Themas ist klar: Das S-Meter mißt mit mehr oder weniger Genauigkeit/Unlinearität die Eingangsspannung an der Antennenbuchse des Empfängers. Diese Messung hat aber mit der Signalstärke (Feldstärke) des, von der Gegenstation erzeugten Signal wenig zu tun, denn zwischen Antenne und Eingangsbuchse des Empfängers herrschen von Station zu Station sehr unterschiedliche Verhältnisse.

Soll der Wert, den ein S-Meter anzeigt, Auskunft über die Feldstärke eines eingehenden Signal geben, so muß er auf die Spannung eines Normdipol (Antennenspannung am Fußpunkt eines Hertzschen-Dipol) bezogen sein. Jeder anders ermittelte und evt an die Gegenstation übermittelte Wert gibt keine verlässliche Auskunft über die tatsächlichen Verhältnisse bezüglich der Ausbreitungsbedingungen etc. Nur wenn alle, die sich mit Funktechnik beschäftigen nach einem einheitlichen Standart messen, können die gemessenen Werte auch zu eindeutigen Beurteilungen führen.


Abb. 2 Blockschaltbild (AVR-Spannungs-Gewinnung)

Ganz selten verfügen die mit einem S-Meter ausgerüsteten Empfänger über einen Kalibrierknopf, mit dem das S-Meter beim Anschluß des Empfängers an eine bestimmte Antenne geeicht werden kann. Natürlich müssen der Gewinn der Antenne, ebenso wie die Verluste durch Kabel, Steckverbinder, Koax-Umschalter etc. und die Richtung, in der eine Antenne ihre größte Wirksamkeit zeigt, bei der Eichung des S-Meters berücksichtigt werden. Das gilt besonders bei der Verwendung von Richt-, wie z.B. Yagi-Antennen.

Die in der Betriebstechnik übliche Angabe der Feldstärke in S-Stufen nimmt fast immer Bezug auf den Wert von S9. Nur hier stellt sich eine weitere Dubiosität ein. Einmal wird für S9 ein Wert von 50 μV an 50 Ω angegeben, ein anderes Mal ein Wert von 100 μV an 50 Ω. Weiterhin gibt es für Frequenzen oberhalb von 30 MHz Werte, die um 20 dB kleiner sind (5 μV an 50 Ω) als die unterhalb von 30 MHz. Als ob sich die elektromagnetischen Wellen unterhalb von 30 MHz plötzlich ganz anders verhalten als die oberhalb von 30 MHz. Sicherlich sind die Ausbreitungsbedingungen in verschiedenen weit voneinander entfernten Frequenzbereichen sehr unterschiedlich. Aber dies muß nicht bei der Beurteilung der Feldstärke, die an der Antenne einer Empfangsstation gemessen wird, berücksichtigt werden. Wird ein genereller Wert von 50 μV an 50 Ω für S9 angenommen, so hat man nach unten (Richtung S1) und nach oben (Richtung S9 + 60 dB) genügend wirklichkeitsnahen Spielraum einer aussagekräftigen Feldstärkemessung.

 

Der Abstand der S-Stufen untereinander beträgt 6 dB. Bei Pegeln, die größer als S9 sind, werden diese in Stufen zu 10 dB angegeben. Somit ergeben sich die vorstehende Werte.

Jeder S-Stufe kann somit ein bestimmter HF-Spannungspegel zugeordnet werden. Nach dem Ohmschen Gesetz ist U²/R = P. Somit lässt sich leicht (in einem 50 Ω-System) für jede S-Stufe die äquivalente Eingangsleistung ermitteln, welche ebenfalls in der obigen Tabelle angegeben ist.

Bekanntlich besteht zwischen der Sendeleistung (Leistungspegel) und dem S-Wert am entfernten Empfänger (Spannungspegel) ein Zusammenhang. Es wurde festgelegt, daß eine S-Stufe jeweils einer Empfangs-Pegeländerung von 6 dB entspricht. Setzt man S-Stufen in das Verhältnis zur Änderung der Sendeleistung, so ergeben sich die folgenden Relationen:

Werden 1000 W auf 100 W reduziert, so entspricht das einer Änderung von –10 dB, also etwas weniger als 2 S-Stufen Signalverringerung. Bei einer Leistungsänderung von 1000 W auf 10 W ergeben sich –20 dB und damit etwas mehr als 3 S-Stufen Signalabfall. Wer-den die 1000 W auf 1 W reduziert, so sind dies –30 dB und damit genau 5 S-Stufen. Erzeugt ein 1000-W-Sender ein Signal von S9, so ist es bei 100 W mit etwa S7, bei 10 W mit etwas weniger als S6 und bei 1 W mit S4 hörbar.

Faustformel: Eine Verdopplung der Leistung entspricht einer Zunahme um 3 dB (1/2 S-Stufe), die Vervierfachung ergibt den Gewinn einer S-Stufe (+6 dB). Mit der Reduzierung auf ein Zehntel verliert man fast 2 S-Stufen (–10 dB).

Was kann nun der Funkamateur tun, um seinem QSO-Partner (Gegenstation) möglichst genaue Angaben über die vom ihm erzeugte Feldstärke zu machen. Zunächst muß das S-Meter der Empfangstation einer genaueren Prüfung unterzogen werden. Der Funkamateur sollte schon wissen, wie genau die Anzeigen seines Tranceiver bzw. Empfänger sind. Der OM, der einen Meßsender mit geeichter Ausgangsspannung besitzt, kann diesen über eine Eichleitung (geeichter, veränderlicher Abschwächer) an die Antennenbuchse seines Empfängers anschließen. Nun können die S-Meter-Anzeige für den Wert S9 (50 μV/50 Ω) und natürlich alle anderen S-Werte mit den entsprechenden Eingangsspannungen verglichen werden. Dazu können natürlich auch die Werte in der obigen Tabelle zu Hilfe genommen werden.


Abb. 3 Blockschaltbild (S-Meter-Überprüfung)

Vorstehende Prüfung des Empfängers muß natürlich für alle infrage kommenden Frequenzbereiche erfolgen. Nur so läßt sich ein Überblick über die Leistungsfähigkeit des S-Meters gewinnen. Die meisten Geräte werden im Bereich von 14 MHz werkseitig korrekt eingestellt. Was sich in den darunter bzw. darüber liegenden Frequenzbereichen abspielt, bleibt oft dem Zufall überlassen. Auch bezüglich der unterschiedlichen Bandbreiten, die der ZF-Verstärker bei AM/SSB/CW etc. verarbeitet, und der dadurch unterschiedlichen AVR-Spannung, findet, was die S-Meter-Anzeige anbelangt, oft keinerlei Berücksichtigung.

Die Möglichkeit der Kalibrierung ist leider nicht bei jeden Empfänger/Tranceiver gegeben. Falls das Gerät einen Einsteller zur Justierung der S-Meter-Anzeige besitzt, ist dieser meistens auf den Wert für S9 einzustellen. Grundsätzlich sollten aber immer die Service-Unterlagen (Handbuch etc.) des betreffenden Funkgerätes eingesehen werden, bevor Einstellungen vorgenommen werden. Man muß schon wissen, an welchem Einsteller gedreht wird. Es ist von unschätzbarem Wert, wenn man sich die Stellung des Schleifers beim jeweiligen Potentiometer merkt, bevor gedreht wird. Denn dann kann jederzeit der ursprüngliche Zustand, wenigstens ungefähr wieder hergestellt werden.

Sehr vorteilhaft ist es, sich eine tabellarische Darstellung zu schaffen, die anzeigt bei welcher Eingangsspannung welcher S-Wert angezeigt wird. So kann sich der OM leicht eine anschauliche Übersicht über die Genauigkeit und Unlinearität der S-Meter-Anzeige machen.

In verschiedenen Artikeln und Aufsätzen wird von den Autoren immer wieder gefordert, daß S-Meter genauer und damit aussagekräftiger sein müssen. Ebenso wird für eine generell gültige Pegel-Norm plädiert. Der Einbau eines, für die infrage kommenden Frequenzbereiche einigermaßen genau messenden S-Meters (5%-Genauigkeit) und die dazu erforderliche Schaltung kostet dem Gerätehersteller, gemessen an den üblichen Preisen für ein Neugerät, nicht viel. Es würde aber für ehrliche und verwertbare S-Werte sorgen. Das S-Meter sollte endlich einmal als das angesehen werden, was es eigentlich sein sollte, nämlich als Signalstärke- (Feldstärke-) Indikator. Es ist weder ein relativer Indikator zum Vergleich zweier Signale, noch ein Instrument zum Vergleich eines Signals mit dem Bandrauschen.