PAPR – Watt sind nicht gleich Watt

100 Watt sind nicht gleich 100 Watt. Zwei Transceiver können auf dem Wattmeter dieselbe Spitzenleistung zeigen und trotzdem kommt der eine bei der Gegenstation deutlich leiser an als der andere. Der Grund steht in keinem Prospekt, und genau das ist das Problem.

Um zu verstehen, warum das so ist, braucht man nur drei Begriffe: PEP, mittlere Leistung und PAPR. Ich gehe sie der Reihe nach durch. Danach geht es um meine Erfahrungen mit dem IC-7100, um die Wärme in der Endstufe und darum, wie man PAPR messen könnte.

PEP vs. AVG-Power

Die Hersteller geben bei SSB die PEP an, also die Peak Envelope Power, auf Deutsch Hüllkurven-Spitzenleistung. Das ist der Wert, den der Sender in den Sprachspitzen kurz erreicht. Sprache besteht aber nicht nur aus Sprachspitzen. Zwischen den Spitzen liegt die Leistung weit darunter, und was dabei im Mittel herauskommt, ist die mittlere Ausgangsleistung, die Average Power, kurz AVG-Power.

Warum misst man überhaupt PEP?

Normalerweise rechnet man in der Elektrotechnik mit Effektivwerten, also mit der mittleren Leistung. Bei der Single-Sideband-Modulation, kurz SSB, funktioniert das nicht. Ohne Sprache kommt gar nichts aus dem Sender, und mit Sprache schwankt die Leistung ständig, je nach Stimme, Mikrofon und Pegel. Ein Wattmeter, das über die Zeit mittelt, zeigt deshalb bei jedem Funkamateur etwas anderes an.

Also nimmt man als Bezugsgröße den höchsten Punkt der Hüllkurve. Die Amateurfunkverordnung beschreibt die Spitzenleistung (PEP) so:

Die Leistung, die der Sender unter normalen Betriebsbedingungen während einer Periode der Hochfrequenzschwingung bei der höchsten Spitze der Modulationshüllkurve durchschnittlich an einen reellen Abschlusswiderstand abgeben kann.

Amateurfunkverordnung (AFuV), § 2 Nr. 7

PEP ist also eine Momentaufnahme: die Leistung an der höchsten Stelle der Hüllkurve. Dieser Wert hängt nicht vom Sprecher ab und lässt sich reproduzieren. Er sagt, was Endstufe, Netzteil und Filter in der Spitze verkraften müssen. Deshalb gibt auch die AFuV zulässige Sendeleistungen als PEP an.

Dazu kommt: PEP lässt sich sehr einfach messen. Eine Diode als Gleichrichter und ein Kondensator zum Glätten halten die höchste Spannung fest, und daraus ergibt sich die abgegebene PEP. Die mittlere Leistung (AVG-Power) eines Sprachsignals ist viel schwieriger zu fassen. Der Zeiger eines Wattmeters zappelt im Takt der Sprache, und einen festen Wert bekommt man erst, wenn man über längere Zeit Messwerte sammelt, am genauesten über die Erwärmung einer Dummyload.

Bei einem Dauerträger, also gedrückter PTT in RTTY oder FM, sind PEP und mittlere Leistung gleich. Erst bei SSB laufen die beiden Werte auseinander. PEP ist die richtige Größe für Grenzwerte und für die Bemessung des Senders. Über die Lautstärke im Empfänger bei der Gegenstation sagt die PEP allein nichts aus. Überrascht?

Die mittlere Ausgangsleistung – AVG-Power

Die mittlere Leistung ist das, was der Sender über die Zeit tatsächlich abgibt: der Mittelwert über laute Spitzen, leise Silben und die kurzen Lücken dazwischen. Das ist der Wert, den ein Wattmeter in der Stellung AVG anzeigt.

Bei SSB-Sprache liegt die mittlere Leistung typischerweise bei 10 bis 20 Prozent der PEP, mit sehr starker Sprachverarbeitung bei etwa 50 Prozent (Wikipedia: Peak envelope power). Bei einem 100-Watt-Sender sind das 10 bis 20 Watt. In dB ausgedrückt entsprechen 10 Prozent einem Abstand von 10 dB zur PEP, 20 Prozent sind 7 dB und 50 Prozent sind 3 dB.

Anders als die PEP hängt die mittlere Leistung von allem ab, was vor der Endstufe passiert: Stimme, Mikrofon, Equalizer, Kompressor und vor allem die ALC. Genau deshalb steht sie in keinem Datenblatt. Und ausgerechnet sie ist die Messgröße, auf die es bei SSB wirklich ankommt, denn sie bestimmt, wie laut mich die Gegenstation hört.

Die mittlere Ausgangsleistung bestimmt in SSB die Lautstärke bei der Gegenstation und nicht die Hüllkurven-Spitzenleistung (PEP).

Thilo, DL9NBJ

PAPR – die Zahl, auf die es ankommt

Um zu beschreiben, wie viel von der Spitzenleistung im Mittel übrig bleibt, müssen wir nichts Neues erfinden. Das Verhältnis von Spitzenleistung zu mittlerer Leistung hat einen Namen: PAPR, peak to average power ratio.

• Niedriges PAPR: Die mittlere Leistung liegt nah an der Spitzenleistung. Das Signal hat wenig Dynamik, aber maximalen Punch.
• Hohes PAPR: Die mittlere Leistung liegt weit unter der Spitzenleistung. Das Signal hat viel Dynamik, ist aber bei gleicher PEP leiser.

Dynamik ist in SSB ein Luxus, der dich oft Verständlichkeit bei deinem Gegenüber kostet.

Thilo, DL9NBJ

Das PAPR sagt mir also, wie laut ich bei der Gegenstation tatsächlich ankomme. Diese Messgröße ist in SSB fast wichtiger als die absolute Ausgangsleistung.

Transceiver mit schlechtem PAPR

IC-7100

Der IC-7100 ist ein tolles Gerät: Kurzwelle bis 70 cm in einem Gehäuse und ein abgesetztes Bedienteil, ideal fürs Auto. Auf der Sendeseite hat er aber ein Problem. Seine ALC regelt in SSB so früh zurück, dass von der Spitzenleistung im Mittel nur wenig übrig bleibt. Hohes PAPR, kein Punch. Durch verschiedene Tests seinerzeit mit DC5WW stellten wir fest, dass der IC-7100 ohne Modifikation mindestens 10 dB leiser ist als ein vergleichbarer IC-7000 an der gleichen Antenne.

10 dB sind der Faktor zehn. Wem 10 dB an mittlerer Leistung fehlen, der könnte rechnerisch auch gleich mit einem Zehntel der Leistung senden. Der 7100 ist ein Mobilgerät, und wenn mir als Mobilstation 10 dB am mittleren Output fehlen, dann ist das eine Katastrophe. Die fehlende mittlere Leistung holt keine Endstufe der gleichen Klasse zurück, denn sie verstärkt das hohe, also schlechte PAPR einfach mit.

Die Abhilfe, eine Hardware-Modifikation, stammt von Marios, SV0CL, aus Griechenland. Veröffentlicht hat sie SP3RNZ in seinem Blog. Mein OV-Kollege Heinz, DC5WW, hat sie auf seiner Webseite sehr gut dokumentiert. Eine offizielle Stellungnahme von ICOM hierzu ist mir nicht bekannt.

Die folgenden Videos von SV0CL zeigen einen IC-7100, einmal im Originalzustand und einmal mit seiner ALC-Modifikation. Links jeweils das Original, rechts das Gerät mit Modifikation.

IC-7300

Beim IC-7300 berichten Funkamateure dasselbe. Ein Besitzer beschreibt in seinem Blog, dass sein IC-7300 im Mittel deutlich weniger SSB-Leistung abgibt als seine Yaesu-Geräte, obwohl die Spitzenleistung stimmt. Als Ursache nennt er eine zu aggressive ALC.

Auch für den IC-7300 gibt es eine ALC-Modifikation. Beschrieben hat sie SP3RNZ, mit Hinweisen und Hilfe von Marios, SV0CL. Nach seiner Beschreibung greift die ALC des IC-7300 zu scharf und zu schnell ein, sodass sich die Hüllkurve gar nicht erst aufbauen kann. Ein zusätzlicher Kondensator in der ALC-Schaltung bremst sie.

Die beiden Videos zeigen einen IC-7300 mit und ohne ALC-Modifikation, einmal bei 100 Watt und einmal bei 5 Watt.

TS-590S

Auch bei Kenwood gab es das. Zum TS-590S heißt es in einem Forumsbeitrag, dass ein Mittelwert-Wattmeter vor einem Umbau der ALC-Schaltung typisch nur 20 bis 30 Watt zeigte und danach 45 bis 50 Watt. Kenwood habe diesen Umbau den Besitzern immerhin kostenlos angeboten.

Das sind Erfahrungsberichte und keine Labormessungen. Aber sie zeigen alle in dieselbe Richtung: Die PEP stimmt, die mittlere Leistung ist zu niedrig, und die Ursache liegt in der ALC. Auffällig in der Regel nur im direkten Vergleich mit einem anderen Funkgerät.

Was tun für mehr Punch?

Wer mehr Punch will, muss sein PAPR verringern, also die mittlere Leistung näher an die Spitzenleistung bringen. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten.

1. Die Audiokompression. Der Sprachkompressor hebt die leisen Anteile der Sprache an, bevor sie den Sender erreichen. Die Spitzen bleiben, wo sie sind, aber dazwischen kommt mehr Leistung hoch. Das ist der einfache Weg, denn einen Kompressor hat praktisch jeder aktuelle Transceiver eingebaut. Wichtig ist die Reihenfolge: erst die Modulation mit dem Equalizer in Ordnung bringen, dann die Kompression maßvoll zugeben. Zu viel davon, und die Stimme klingt gequetscht, und jedes Hintergrundgeräusch wird mit angehoben.

2. Der direkte Einfluss auf die ALC. Die ALC bestimmt, wie stark der Sender nach einer Sprachspitze zurückgeregelt wird und wie schnell er sich davon erholt. Regelt sie zu früh und erholt sie sich zu langsam, bleibt die mittlere Leistung niedrig, egal wie gut das Audio aufbereitet ist. Dann hilft auch der beste Kompressor nichts. Als Anwender kann man zunächst nur die Mikrofonverstärkung so einstellen, dass die ALC im vorgesehenen Bereich arbeitet. Der eigentliche Eingriff ist eine Modifikation der ALC-Schaltung, wie sie für den IC-7100 veröffentlicht wurde.

Die beiden Wege schließen sich nicht aus. Bei einem Gerät mit vernünftiger ALC reicht der Kompressor. Bei Geräten wie in den obigen Beispielen muss man an die ALC heran.

Mehr Punch erzeugt mehr Wärme

Ein niedriges PAPR gibt es nicht umsonst. Je höher die mittlere Leistung, desto mehr Strom zieht die Endstufe im Mittel und desto mehr Wärme muss der Kühlkörper loswerden. Für die Temperatur der Transistoren zählt nicht die Spitze, sondern das, was über die Zeit zusammenkommt.

Man kann sich das wie bei einer LED vorstellen. Eine LED darf man kurz mit deutlich mehr Strom aufblitzen lassen, als sie im Dauerbetrieb verträgt, zum Beispiel ein kurzer, sehr heller Blitz pro Sekunde. Zwischen den Blitzen kühlt sie wieder ab. Lässt man sie mit demselben Strom dauerhaft leuchten, wird sie zu heiß und geht kaputt.

Bei der Endstufe ist es genauso. Sprache mit hohem PAPR besteht aus kurzen Blitzen mit Pausen dazwischen. Ein Signal mit niedrigem PAPR ist dagegen fast schon Dauerleuchten. Wer seinen Sender auf maximalen Punch trimmt, sollte deshalb Kühlung, Lüfter und Netzteil im Blick behalten, vor allem bei langen Durchgängen.

Warum die Hersteller das machen

Ich vermute dahinter vor allem einen Grund: Ein hohes PAPR schont die Endstufe. Sie bleibt kühler, kommt mit einem kleineren Kühlkörper aus und lebt länger. Dazu kommt ein zweiter Grund: Reduzierte Aussteuerung des Senders ergibt bessere IMD3-Daten fürs Prospekt. Man mogelt also ein wenig, reduziert durch eine zu schnelle ALC die Aussteuerung und täuscht damit einen sauberen Sender vor. Auf dem Papier sieht das gut aus. Auf dem Band ist man leise, als Mobilstation bist du verloren.

Viel hilft nicht immer viel

Niedriges PAPR um jeden Preis ist auch keine Lösung. Wer seinen Sender ausreizt, bezahlt mit hoher Intermodulation. Denkbar wären verschiedene Einsatzfälle.

• Mobil oder im Pile-up: maximaler Punch, also niedriges PAPR, wenig bis keine Dynamik.
• Zu Hause mit Endstufe: saubere Modulation mit viel Dynamik, niedriger IMD3, hohes PAPR.

Ich möchte deshalb bei meinen Funkgeräten die Agilität der Sender-ALC je nach Einsatzgebiet einstellen können. Mein alter Zeus ZS-1 SDR kann das schon lange. Und am besten immer mit Predistortion, dann wäre mein Sendesignal auch bei ausgereiztem Sender sauber.

Erst die Modulation, dann der Punch

Unser Ziel ist maximale Verständlichkeit unter allen Ausbreitungsbedingungen, und das geht nur mit einer ausgewogenen Modulation, bei der kein Frequenzanteil überwiegt. Wie man das mit dem Sende-Equalizer einstellt, steht in meinem Beitrag zum YAESU TX Audio Equalizer.

So ließe sich PAPR zuverlässig messen

Mit der eigenen Stimme am Mikrofon bekommt man keine vergleichbaren Werte. Jede Stimme ist anders, jedes Mikrofon auch, und keiner spricht zweimal gleich. Man braucht also ein Referenzsignal, so wie man für einen Hörtest einen Referenztext braucht.

Auch das müssen wir nicht neu erfinden. Die ITU-Empfehlung P.50 „Artificial voices“ beschreibt genau so etwas: eine künstliche Sprache als genormtes Testsignal. Damit könnte jeder Hersteller und jede Testredaktion gleich messen:

1. Referenzsignal einspeisen: die künstliche Sprache mit festem, dokumentiertem Pegel in den Mikrofon- oder Audioeingang.
2. Sender an die Dummyload: auf Nennleistung eingestellt, Mikrofonverstärkung so, dass die ALC im vom Hersteller vorgegebenen Bereich arbeitet.
3. PEP und mittlere Leistung gleichzeitig messen: über eine feste Messdauer, entweder mit einem Leistungsmesser, der beides erfasst, oder indem man die Hüllkurve über einen Auskoppler mit Oszilloskop oder SDR aufzeichnet und beide Werte daraus berechnet.
4. PAPR ausrechnen: PAPR in dB = 10 · log (PEP / mittlere Leistung).
5. Zweimal messen: einmal ohne und einmal mit Sprachkompressor, und beide Werte angeben.

Mein Vorschlag

Zwei Zahlen mehr im Datenblatt, PAPR ohne und mit Kompressor, und jeder könnte vor dem Kauf sehen, wie viel Punch ein Sender wirklich hat.

Es wird Zeit, dass Transceiver auf einen Mindestwert an AVG-Power geprüft werden.

Thilo, DL9NBJ

Das PAPR in SSB gehört in jeden Testbericht und in jedes Datenblatt, direkt neben die Ausgangsleistung. Solange dort nur die PEP steht, kaufen wir ein Auto mit einem 200-PS-Motor, der ab Werk auf 100 PS gedrosselt ist, aber auf dem Prüfstand immer seine 200 PS anzeigt.

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