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ITU noise floor - man made noise

Rauschmessungen in den Amateurfunk-Bändern

ITU International Telecommunication Union

Die ITU (= Internationale Telecommunication Union) gibt in Abständen Ergebnisse von Studien als "Recommendations" heraus über die im Funkspektrum zu erwartenden Störpegel bzw. Rauschleistungen.
Es gibt viele unterschiedliche Quellen (thermisches Rauschen, Radio-Störungen, athmosphärisches Rauschen und sog. man-made-noise (also von Menschen verursachte Störungen). Letzteres meint u.a. auch die rasante Zunahme von elektronischen Geräten, welche elektromagnetische Emmissionen verursachen, die in der Zivilisation verwendet werden (WLAN, VDSL, Bluetooth, Fernsteuerungen, LED-Beleuchtung, Photovoltaik-Anlagen und vieles mehr). Die Rauschleistungen in Abhängigkeit von der Frequenz nimmt ständig zu und die Rauschleistungs-Vorhersagen müssen immer wieder angepasst werden.

Im Folgenden wird ein Überblick gegeben über die derzeit auf den verschiedenen Frequenzen zu erwartenden Grundrauschpegeln
- nach dem ITU Recommendations P.372-16(08-2022)
- danach etwas Theorie zum Zusammenhang der Rauschfeldstärken und den an der Antenne anstehenden Rauschpegel,
- S-Meter Definition
- Umrechnungen von Leistungspegel in Spannungen etc.
- ebenso Empfehlungen, wie man das Antennenrauschen am besten mißt.
- einige Beispiele von Rauschpegel.

ITU Recommendations: Rauschleistungen versus Frequenz bei verschiedenen Umgebungsbedingungen

Bei den Rauschleistungen wird zwischen verschiedenen Umgebungs-bedingungen unterschieden:
A: City (städtisch); B: Residental (häuslich); C: Rural (ländlich); D: Quiet rural (ruhig ländlich); E: Galactic (außerirdisch)
Das nebenstehende Diagramm zeigt das sog. Rauschmaß F_ext in dB in Abhängigkeit von der Frequenz (0,3 ... 300 MHz) für die verschiedenen Umgebungen. Das Rauschmaß sinkt umgekehrt proportional mit dem logarithmus der Frequenz.
Um nicht die Werte des Rauschmaßes mühsam aus dem Diagramm herauslesen zu müssen, gibt es dafür eine Näherungsformel:
Formel ext. Man-made-noise level (ITU)

Die Paramter c und d stehen für die verschiedenen Umgebungen:
Quelle: ITU P.372-16

Das Rauschmaß in den ITU Empfehlungen ist immer bezogen auf das thermische Grundrauschen und 1Hz Bandbreite.
Letztlich ist das, was man am Empfänger-Eingang tatsächlich mißt, zusammengesetzt aus dem man-made-noise Rauschmaß F_ext und dem thermischen Grundrauschen, erweitert durch die Bandbreite b in [Hz]. Je höher die Bandbreite, desto höher auch die Rauschleistung P_rx [dBm] am Empfänger.
Das sieht dann folgendermaßen aus:

Die Rauschleistung wird angegeben in [dBm] d.h. relatives logarithmisches Maß [dB] bezogen auf die Leistung von 1 mW.
Das absolute Maß für die Leistung am Empfänger-Eingang erhält man:

Das thermische Rauschen P_gr ist ein naturgegebenes Phänomen und stellt die unterste Empfindlichkeitsgrenze eines Empfängers dar. Bei normaler Raumtemperatur beträgt die thermische Rauschleistung ca. -144 dBm/Hz. Allgemein berechnet sich das thermische Grundrauschen pro Hz Bandbreite:

k ist dabei die Boltzmann-Konstante und T₀ ist die absolute Temperatur in [K] der Bauteile, die an der Empfangsschaltung beteiligt sind. Die Signalspannung am Eingang U_gr [V] des Grundrauschens über der Eingangsimpedanz R [Ohm]. Bei 50 Ohm ergibt sich bei Raumtemperatur ca. 0,446 nV/Hz was in diesem Fall die untereste Empfindlichkeitsgrenze darstellt.

Amateurfunk-Frequenzen			ITU Resident	ITU Resident	ITU Resident	ITU Resident
Lower [MHz]	Upper [MHz]	median [MHz]	F_ext [dB]	P_RX [dBm]	U_RX [dBµV]	S-Meter
0,1357	0,1378	0,1368	96,4	-43,2	63,8	S9+30dB
0,472	0,479	0,476	81,4	-58,2	48,8	S9+10dB
1,81	2	1,91	64,7	-74,9	32,1	S8
3,5	3,8	3,65	56,9	-82,7	24,3	S6
5,3515	5,3665	5,359	52,3	-87,4	19,6	S6
7	7,2	7,1	48,9	-90,7	16,2	S5
10,1	10,15	10,125	44,7	-95,0	12,0	S4
14	14,35	14,175	40,6	-99,1	7,9	S4
18,068	18,168	18,118	37,7	-102,0	5,0	S3
21	21,45	21,225	35,7	-103,9	3,1	S3
24,89	24,99	24,940	33,8	-105,9	1,1	S3
28	29,7	28,850	32,1	-107,6	-0,6	S2
50	52	51,000	25,2	-114,5	-7,5	S1
70,15	70,21	70,180	21,4	-118,3	-11,3	<S1
144	146	145,000	12,6	-127,0	-20,0	<S1

Die nebenstende Tabelle gibt die ausgerechneten Werte wieder bei verschiedenen Amateurfunk-Bändern zwischen 0,1 und 146 MHz.
Als Beispiel sind hier die von der ITU ausgewiesenen Rauschmaße und dem, zusammen mit dem thermischen Rauschen, ergebenen Noise Floor den man in den Frequenzbändern in häuslicher Umgebung (Residental) zu erwarten hat. In Leistungspegel [dBm] und Spannungspegel [dBuv] und die zugehörigen S-Stufen.
Die Werte sind berechnet für eine bei SSB üblichen Bandbreite von 2,7 kHz!
Wohl gemerkt, der Noise Floor ist zu unterscheiden von konkreten Störsignalen, die als einzelne Signalspitzen oder in einem begrenzten Frequenzbereich auftreten.
Liegt der tatsächliche "Bodensatz" des Rauschens deutlich über den Werten für die jeweils zutreffenden Umgebungsbedingungen, lohnt es sich, etwas zu unternehmen und die Ursachen zu ermitteln.
Es lohnt sich in jedem Fall das Rauschmaß der Antennen objektiv zu bestimmen.

S-Meter:
Rapporte im Amateurfunkdienst werden überwiegend in S-Stufen angegeben. Abgeleitet vom Signalpegel in dBm.
Im Kurzwellenbereich beginnt die S1 Stufe bei -121 dBm und jede Stufe hat eine Schrittweite von +6 dB bis S9, danach wird meist noch in Schritten von 10dB aufgestockt: "S9+10dB" usw..
Die Schrittweite der S-Stufen in Signalspannung ausgedrückt bedeutet jeweils eine Verdoppelung der Signalspannung.
Also S1 wäre 0,2 uV, S2 dann 0,4 uV, S3 = 0,8 uV u.s.w.
Aufgrund des niedrigeren "Rauschvorhangs" bei höheren Frequenzen wird üblicherweise ab 144 MHz die S-Stufen um insgesamt 20 dB abgesenkt.
Daher entspricht im UKW Bereich die S1-Stufe -141 dBm und dann alle +6 dB erhöht auf die nächste Stufe. Auch hier jeweils eine Verdoppelung der Signalspannung.

Umrechnung Leistungspegel in Spannungspegel:
Leistungspegel in dBm (bezogen auf 1 mW) kann über die Eingangsimpedanz des Empfängers R [Ohm] (üblicherweise 50 Ohm) in den Spannungspegel in dBuV (bezogen auf 1 uV) umgerechnet werden:

Empfehlungen zur Messung des Antennenrauschens:

Für Zwecke des Amateurfunks eignen sich dafür sehr gut die RSP (Radio Spectrum Processor) von SDRPlay. Ausreichend und auch erschwinglich ist der RSP1A. Auch das EMV Referat des DARC empfiehlt dieses Gerät. Der RSP wird über eine USB Schnittstelle versorgt und gesteuert und deckt einen Frequenzbereich von 1kHz bis 2 GHz ab. Zusammen mit einem PC oder Notebook und der Steuersoftware wird daraus ein brauchbarer Spectrum-Analyser. Diese Geräte-Serie hat eine erstaunlich gute Empfindlichkeit, Reproduzierbarkeit und Genauigkeit. Der RSP1A und auch der RSP2pro (mit zwei parallelen Eingangskanälen) hat bei der Überprüfung mit einem R&S Messplatz keine größeren Abweichungen als 1dB gezeigt. Selbstverständlich müssen bei SDR (Software Defined Radio) Abstriche gemacht werden, was die Reinheit der Spektralmessung angeht. Bei SDR muss man immer mit Interferenzen und Phantomsignalen rechnen, aber für die Messung des Antennenrauschens spielt dies keine große Rolle, wenn man weiß worauf man achten muss.
Für den RSP1A ist die Software SDRUNO empfehlenswert und kann kostenlos von SDRPlay heruntergeladen werden.
Der RSP1A ist u.a. auch bestandteil des EMV-Koffers.

Am besten geht man folgendermaßen vor:

Eingangskanal (SMD-Buchse) des RSP1A mit einem Abschlußwiderstand (50 Ohm) (SMD-Stecker) abschließen
Grundrauschen des RSP1A ohne Eingangssignal bestimmen und notieren. Das dient zur Kontrolle der Einstellungen und der Funktion und sollte sich im Bereich von -122 dBm bewegen, je nach Frequenzband. Am besten in etwa die Mittenfrequenz des Bandes anwählen. Die Anzeige (rotes Viereck) ablesen.
Auf die richtigen Einstellungen achten:
Verstärkung einstellen auf volle Empfindlichkeit (hier 52,9dB). In dem unten stehenden Beispiel-Screenshot ist die Bandbreite auf 2,2 kHz eingestellt - das kann man variieren. Zum Vergleich mit der obigen Tabelle wäre 2,7 kHz geeignet. Am besten SSB (USB) als Modulationsart wählen.
Dann mit einem möglichst kuzen und verlustarmen Koaxial-Kabel und geeigneten Adapterstecker den Antennenausgang mit dem Eingang des RSP1A verbinden. Im Falle, dass ein Antennentuner vorhanden ist, den Tuner auf das Band und die Mittenfrequenz einstellen - oder ohne Tuner messen.
Wie im unten stehenden Beispiel in der Spektrum-Anzeige eine Stelle in der nähe der Mittenfrequenz suchen, die frei von einzelnen Signalspitzen ist. Es kommt in dem Fall auf das Grundrauschen an. Das ist im unten stehenden Beispiel grob durch die gestrichelte rote Line markiert. Die einzelnen Signalspitzen sind entweder Nutzaussendungen oder Störsignale, die aber auf konkrete Einzelstörquellen zurückzuführen sind. In dem Beispiel sind hauptsächlich Schaltnetzteile und DC/DC-Wandler die Ursache oder PV-Anlagen und PLC Geräte. Diese Störquellen sind dann noch Gegenstand separater EMV Untersuchungen und Entstörmaßnahmen. Im Display kann dann die Rauschleistung in dBm abgelesen werden (rotes Viereck).
Wichtig ist noch darauf zu achten, dass der Empfänger nicht durch starke Signale innerhalb der Analysen-Breite (Span - hier 2000 kHz) übersteuert wird. Das wird oben links in dem Fenster gemeldet. Dann ist die Verstärkung (Gain) entsprechend zu korrigieren oder der Span zu verringern.

Das Beispiel unten zeigt den Hauptbildschirm der SDRUNO Software. Die sog. Wasserfall-Darstellung ist in diesem Fall unterdrückt. Rechts oben ist die Darstellung des Spektrums auf der NF-Ebene mit der Bandbreite von 2200 Hz. Üblich wären auch 2700 Hz.

SDRUNO Anzeige Messung Rauschpegel

Beispiele von Messungen:

In dem Beispiel wurde am Standort Oberstdorf EndFed Langdraht-Antenne (ca. 40m) gemessen. Ein Tuner wurde jeweils auf die gemessene Frequenz abgestimmt. Die Bandbreite betrug in dem Beispiel 2,2 kHz.
Die theoretisch sich nach den ITU ergebenden noise floor ist berechnet und im Diagramm in der rote Kurve eingezeichnet.
Die mit RSP1A gemessenen Rauschpegel sind in der blauen Kurve aufgetragen.
Wie man sieht sind die Rauschpegel in diesem Fall noch einmal deutlich unter den
zu erwartenden Werten. Insofern besteht kein Handlungsbedarf.

Frequenz [kHz]	Antenne [dbm]	ITU [dBm]
3750	-95,2	-79,7
7150	-99,9	-87,4
14175	-102,4	-95,7
21200	-112,4	-100,5
28800	-106,7	-104,2

Quelle: ENAMS Auswertungen Station #62 Nebenstehendes Diagramm zeigt die Auswertung der an der Oberstdorfer Station #62 an einem Vormittag.
Der noise floor ist aufgetragen in dB über dem von der ITU als ländlich (rural) ausgewiesenen Rauschmaß.
Wie man sieht liegen die Werte am Standort der Antenne überwiegend über den als städtisch (city) ausgewiesenen Werten

Quelle: ENAMS Auswertungen Station #221 Im Vergleich dazu eine Station aus Neuseeland (ZL) #221.
Hier sind die Werte schon häufiger im Bereich von ländlich bis häuslich. Außerdem sind die tageszeitlichen Schwankungen hier deutlich niedriger als bei der Station in Oberstdorf.

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