Digitale Satellitenübertragungstechnik

DI Peter Knorr September 2014

SIGNALAUFBEREITUNG Bevor die TV bzw. Audiosignale digital über den Satelliten übertragen werden, müssen Sie zuerst komprimiert, digitalisiert, fallweise verschlüsselt, moduliert und anschließend auf die Sendefrequenz gemischt werden. Datenreduktionsverfahren: Da die Übertragung unkomprimierter digitaler Signale (Audio 1411 kbit/s, Video unkomprimiert 270 Mbit/s) zuviel Bandbreite benötigt, müssen Sie datenreduziert werden (Quellkodierung). Bei Audiosignalen verwendet man: MUSICAM Verfahren (MP2) – MPEG1 Layer 2 Dolby Digital (AC-3) oder Dolby Digital Plus (E-AC-3) AAC (Advanced Audio Coding) Bei diesen Verfahren wird die in Sprach-und Musiksignalen enthaltene Redundanz und Irrelevanz zu einer effektiven Datenreduktion benutzt. Bei der Datenkompression werden psychoakustische Effekte ausgenutzt. Alle Toninformationen, die das menschliche Ohr nicht wahrnehmen kann, werden auch nicht übertragen. Ruhehörschwelle: Das menschliche Gehör kann Töne erst ab einer bestimmten Grundlautstärke wahrnehmen. Diese Schwelle ist für tiefe, mittlere und hohe Töne sehr unterschiedlich. Am empfindlichsten ist das Ohr im Tonbereich der menschlichen Sprache bei ca. 3 kHz. Tiefere oder höhere Töne müssen viel lauter sein, um überhaupt wahrnehmbar zu sein.

Mithörschwelle: Ein lauter Ton überdeckt einen leiseren, wenn dessen Tonhöhe gleich oder ähnlich ist. Ein lauter 1000 Hz Ton einer Orgelpfeife ist klar und deutlich zu vernehmen. Ein oder mehrere in der Frequenz dicht danebenliegende leise Töne werden von lauteren „maskiert“, das heißt, sie sind nicht wahrnehmbar.

Bei der Satellitenübertragung werden für die Übertragung von Audiosignalen folgende Datenraten benützt: 16, 32 , 64, 96, 128, 192, 256, 384 kbit/s Bei Videosignalen werden im Satellitenbereich vor allem folgende Datenreduktions-verfahren benützt: - MPEG-2 ISO/IEC IS 13818 - 1; Teil 1(Systems), 2(Video), und 3(Audio) - MPEG-4 (H.264) ISO/IEC 14496-1; Teil 1(Systems), 2(Video) und 3 (AAC Audio) - H.265 (HEVC) wird gerade eingeführt (2014) zu MPEG-2 Main Profile@Main Level: 4:2:0 Format, Bitraten 1,5 - 15 Mbit/s Professional Profile: 4:2:2 Format, Bitraten bis zu 50 Mbit/s

Besonders die Reduzierung des Bildinhaltes auf nur jene Bildpunkte, welche sich ändern, bringt für die Datenreduktion den größten Effekt. Übertragen wird eine Gruppe von Bildern (GOP). Bei MPEG 2 werden drei Arten von Bildern verwendet:

I-Bild: ohne Bewegungsabschätzung codiertes Bild (große Datenmengen) Ein I-Bild ist ein kodiertes Einzelbild bzw. Vollbild. Man kann also von einem Standbild sprechen. P-Bild: unidirektional vorhergesagtes Bild (geringe Datenmenge)Zur Kodierung von P-Bildern werden vorausgegangene I-Bilder oder vorausgegangene P-Bilder benötigt. Ein P-Bild wird also durch ein vorangegangenes I- oder P-Bild vorausgesagt (prädiziert) B-Bild: bidirektional vorhergesagtes Bild (sehr geringe Datenmenge) Für B-Bilder werden Informationen von vorausgegangenen und nachfolgenden I-Bildern oder P-Bildern benötigt. Hierbei wird auf Informationen aus zwei Richtungen (bidirektional) zugegriffen. B-Bilder haben die höchste Kompression Mehr Informationen zu MPEG unter http://www.mpeg.org

Encodierung und Multiplexing: Die Video-und Audiosignale werden im Encoder datenreduziert und gemeinsam mit den zusätzlichen Daten (z.B. Teletext, EPG) den Multiplexer zugeführt. Der Ausgangsstrom ist ein MPEG2 – TS (Transportstrom).

VIDEOENCODER

AUDIOENCODER

MUL

TIPL

EXER

270 Mbit/sSDI

2 Mbit/sAES/EBU

Data (Teletext …)

5 Mbit/s

192 kbit/s

300 kbit/s

5,5 Mbit/sMPEG2-TS

Mit Hilfe von Multiplexern können mehrere digital komprimierte MPEG2 Quellsignale zu einem Datenstrom (Transport Stream) zusammengefaßt werden. Dieser Transportstrom wird entweder als DVB-ASI Signal mit 270 Mbit/s oder als IP-Strom vom Multiplexer ausgegeben.

Video 1

Video 2

Video 3

Audio 1

Audio 2

Audio 3

Data 1

Data 2

Data 3

MPE

G2-

Mul

tiple

xer

MPEG2-TS

Enco

der

Enco

der

Enco

der

Transport Stream Multiplex

PID

=0x1

00PI

D=0

x200

PID

=0x3

00PI

D=0

x400

PID

=0x5

00

PID

=0x6

00PI

D=0

x100

PID=Packet Identifier

Je nach Konfiguration sind Video, Audio, Teletext, WSS, Testsignale und Zusatzdaten im digitalen Datenstrom vorhanden.

Es besteht die Möglichkeit, die einzelnen Programme folgendermassen zu übertragen: - CBR (Constant Bit Rate) – konstante fixe unveränderte Bitrate des Videosignals - VBR (Variable Bit Rate) – je nach Bildinhalt wird die notwendige Bitrate innerhalb zweier Grenzwerte (Min.- Max) genommen. Werden mehrere Programme zu einem Pool zusammengefasst, spricht man von Transrating - Statmux (statistischer Multiplex) – mehrere verschiedene Programme werden auf Bildinhalten überprüft, und in einem Regelkreis werden jenen Programmen mit viel Änderungsinhalten mehr Bits zugeordnet - Transcoding – hier werden bereits encodierte Programme in andere umgewandelt (z.B. MPEG2 in MPEG4). Wird z.B. bei IPTV angewandt.

VERSCHLÜSSELUNG Nachdem der Datenstrom (Transportstrom) erzeugt wurde, kann dieser noch für die Übertragung verschlüsselt werden. Verschlüsselt wird vor allem in PAY-TV Systemen (Premiere, Arena, Sky), oder wenn der Anbieter nur die Abstrahlungsrechte für ein gewisses Zielgebiet besitzt (z.B. ORF kauft Filme mit Abstrahlungsrechten nur für Österreich). Ein typisches Verschlüsselungssystem (CA – Conditional Access System) besteht aus drei Komponenten: - ein Kontrollsystem im Headend (hier werden alle wichtigen Daten generiert) - eine Software, welche den Datenaustausch zwischen dem Empfänger (Set-Top Box) und der Smardcard durchführt - eine Smart Card Damit ein CA-System sicher arbeitet, wird mit einer Kombination folgender Signale gearbeitet: TS Transportstrom CW Control Word EMM Entitlement Management Message ECM Entitlement Control Message

Ziel ist es, diese Signale sicher vom Absender (Playout) zum Empfänger (Set-Top-Box) zu transportieren und dort auch wieder sicher zu verarbeiten.

Der MPEG Transportstrom, welcher aus Video, Audio und Daten besteht, wird im Verschlüssler (Scrambler) verschlüsselt (die Bitfolge wird verwürfelt). Dieser Scrambler ist DVB konform. Zum „Verwürfeln“ wird das Codewort benützt. Dieses Codeword wird ca. alle 10 Sekunden neu generiert. Im ECM Generator wird das Code Word verschlüsselt. Die ECMs enthalten somit das verschlüsselt Code Word. Die EMM beinhalten unter anderem die Information, welches Programm der Zuschauer sehen darf. Ziel der ECMs und EMMs ist die Smartkarte. Diese kann die ECM entschlüsseln und daraus wieder das Control Word generieren, welches zum Descrambler geschickt wird. Die EMM erlaubt der Smartcard, dass die ECM entschlüsselt werden dürfen oder auch nicht (teilnehmerspezifische Information).

Digitale Übertragungsverfahren (Satellit) Bevor das Signal moduliert wird, durchläuft der Datenstrom folgende Zweige: - Energieverwischung (energy dispersal) - Reed Solomon Codierung (outer coder) - Verschachtelung (interleaver) - Faltungscoder FEC (inner coder) - Formung (baseband shaping)

Energieverwischung (energy dispersal) Im Datenstrom können theoretisch viele Bits nacheinander den gleichen Wert 0 oder 1 haben. Dies hat Nachteile für die Taktrückgewinnung im Empfänger, aber auch das Spektrum des Sendesignals wird dadurch oft so geformt, daß es zu gegenseitigen Störungen zwischen verschiedenen Satellitenkanälen kommen kann. Mit einem sogenannten Energieverwischungsverfahren kann der Datenstrom von unerwünschten Regelmäßigkeiten befreit werden. (Zufallsgenerator mit durch ein Polynom definiertem Rückkopplungsschema). Um den Datenstrom gegen Blockfehler und Bitfehler zu sichern, werden nacheinander zwei Datensicherungverfahren (FEC Codierverfahren) eingesetzt: Reed-Solomon (RS) Verfahren - (Outer coding) Diese sogenannten Blockcodes benützen einen Algorithmus mit welchem die Korrektur von bis zu 8 Bytefehlern bzw. 58 kontinuierlichen Bitfehlern im Codewort ermöglicht werden kann. Der Coder fügt jedem Block, der aus 188 Datenbytes besteht, 16 redundante Checkbytes als Codewörter an - Bezeichnung RS(204,188). Wenn die Übertragungsfehler in einer derartigen Häufigkeit auftreten, daß die Kapazität des Reed-Solomon-Codes zur Fehlerkorrektur nicht ausreicht, greift die FEC-Fehlerkorrektur ein.

MPEG2-Transportstrom mit Reed-Solomon Codierung

188 Byte

Payload = 184 Byte

Header4 Byte

Sync

Byt

e =

1 By

te

Tran

spor

t Err

or In

dica

tor

= 1

bit

Pack

et Id

entif

ier P

ID13

bit

Reed SolomonError Protection

RS (204,188)

204 Byte

FEC (Forward Error Correction) - (Inner coding) - Kanalcodierung Diese Kanalcodierung hat die Aufgabe, die von der Quellcodierung gelieferten Bits mit einem an den nachfolgenden Übertragungskanal optimal angepaßten und ausreichenden Fehlerschutz zu versehen. Für den Fehlerschutz wird ein sogenannter Faltungscode verwendet. Es werden dabei den einzelnen Bits (Nettobits bzw. Nutzbits) fortlaufende Bits (Schutzbits) für den Fehlerschutz zugeteilt. Die sogenannte Coderate R = FEC gibt das Verhältnis Nettobits zu Bruttobits an. Nettobits: die zu übertragenen Bits ohne Fehlerschutz Bruttobits: Nettobits + Schutzbits Coderate R = Nettobits / Bruttobits = Nutzbits / (Nutzbits + Schutzbits) Eine Coderate von FEC = 1 / 2 bedeutet also, daß jedem zu übertragenen Bit ein Schutzbit hinzugefügt wurde. Bei digitalem TV wird hauptsächlich eine FEC von 3 / 4 oder 5 / 6 verwendet. Die DSNG Autos des ORF benützen derzeit eine FEC = 3 / 4 und 7 / 8 (von EBU festgelegt). Die Einstellungen hinsichtlich der FEC müssen bei der Uplink- und Downlinkstation übereinstimmen Folgende FEC werden bei DVB-S verwendet: 1 / 2, 2 / 3, 3 / 4, 5 / 6 und 7 /8 Bei der Auswahl für die richtige FEC spielt die Empfangssituation die wichtigste Rolle, da die Fehlerbitrate direkt mit der Empfangsfeldstärke zusammenhängt.

Anmerkung: Bei der Bruttobitrate (wirklich übertragene Bitrate) muß man aber auch jene Schutzbits berücksichtigen, welche die Reed-Solomon Codierung benötigt. Rechenbeispiel: ASTRA1N Uplink der ORS (Transponder 117) Angaben: Modulationsverfahren QPSK FEC = 5/6 RS (204,188) Zugewiesene maximale Bitrate = 44 Mbit/s (ergibt bei QPSK = 22 MSymbole/s). Die maximale Bruttobitrate beträgt also 44 Mbit. Da FEC = 5/6 (=0.833) wird jedes 5 bit gesichert. Rest nach FEC ist also 44 Mbit * 0.833 = 36.66 Mbit. Da vorher aber durch die RS-Codierung ebenfalls noch Bits gesichert wurden (RS=188/204= 0.92) ergibt sich als Nettodatenrate 36.66 * 0.92 = 33.79 Mbit/s Allgemeine Formel (für DVB-S) Nettodatenrate = erlaubte Symbolrate * 2 (für QPSK) * FEC * (1/RS) Es werden also 10.21 Mbit/s ausschließlich für die Datensicherung verwendet! Zwischen Reed Solomon Codierung und FEC erfolgt das sogenannte Interleaving (Verschachteln). Die einzelnen Bits werden nach einer vorgegebenen Vorschrift zeitlich verschachtelt. Durch diese Maßnahme werden Bündelfehler zu einzelnen Bitfehlern gespreizt und können entsprechend des Fehlerschutzes der Kanalcodierung korrigiert werden. Begriff Fehlerbitrate BER (Bit Error Rate): Die Übertragungsqualität einer digitalen Satellitenübertragungsstrecke wird durch die Fehler- bitrate charakterisiert. Sie gibt an, wieviele Bits gestört übertragen werden. Die Angabe erfolgt in negativen Zehnerpotenzen. Beispiel: BER = 10-3 bedeutet das jedes 1000 ste Bit gestört ist BER = 10-11 bedeutet das jedes 100 000 000 000 ste Bit gestört ist Der Empfänger ist für den Betrieb bei einer Fehlerbitrate am Eingang zwischen 10-1 und 10-2 vorgesehen. Nach dem inneren Viterbi Fehlerschutz (FEC) sollte eine Fehlerrate von maximal 2 * 10-4 erreicht werden, welches dann nach dem äußeren Fehlerschutz (RS) zu einer QEF (Quasi Error Free) - Übertragung führt.

Unter QEF versteht man nach DVB-Norm ein unkorrigiertes Fehlerereignis pro Stunde, was einer Fehlerbitrate BER von 10-10 bis 10-11 entspricht. Viterbi und Reed Solomon Decodierung sind also sehr robuste Fehlerkorrekturverfahren im Empfänger. Eine BER von 10-2 am Eingang des Demodulators kann zu einer BER 10-11 reduziert werden, was einem Faktor von 109 entspricht

DVB-SFrontend

ViterbiDecoder

ReedSolomonDecoder

MPEG2TS

FEC 2Outer

Decoder

BER<E-2 BER<2E-4than QEF

ispossible

BER<1E-11QEF

1 error/hour

MPEG2Decoder

FEC 1Inner

Decoder

Die QEF Definition mit der Angabe BER<2E-4 gilt nur im Falle von DVB-S mit Reed-Solomon und Viterbi. Da bei DVB-S2 andere Codierungsverfahren eingesetzt werden, gilt nach DVB-S2 ETSI Norm folgende Definition: Weniger als ein unkorrigiertes Fehlerereignis pro Stunde bei einem decodierten 5 Mbit/sek. TV Service. Dies entspricht etwa einem Transport Stream Packet Error Ration PER< 10-7 vor dem De-Multiplexer. Formung (baseband shaping) Da das Signal bandbegrenzt werden muß, durchläuft es noch ein Formungsfilter. Der sogenannte "Roll off - Faktor" beschreibt die Formung des Impulses. Beim digitalen Fernsehen über Satellit wird nach DVB-Norm ein Roll-off von 0.35 verwendet.

Das digitale Signal gelangt anschließend zum Modulator, welcher das Signal moduliert und in die ZF-Lage bringt. In der Satellitentechnik wird als ZF-Frequenz 70 MHz (seltener 140 MHz) eingesetzt. Zur Übertragung von digitalen TV - bzw. Audiosignalen über Satellit benützt man bei DVB-S das Modulationsverfahren QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Hierbei handelt es sich um eine Phasenmodulation mit vier Zuständen. Pro Zustand (Symbol) werden zwei Bits übertragen. Die Bitrate ist daher die doppelte Symbolrate (mit einer Symbolrate von 22 Msym/sek. werden daher 44 Mbit/sek. übertragen).

QPSK – Konstellationsdiagramm

QPSK Spektrum Anmerkung: Bei der Übertragung in Kabelnetzen benützt man anstatt QPSK die Modulationsart QAM (z.B. 64-QAM). QPSK über Satellit, da sich Amplitude durch Inhomogenität der Atmosphäre (Wolken, Regen) ständig ändert, und nur begrenzt Empfangsleistung vorhanden ist. Bei dieser Modulationsart wird nur die Phasenlage ausgewertet. QAM: Im Kabel ist genügend Leistung (stabil) vorhanden. Es kann deshalb neben der Phasenlage auch die Amplitude ausgewertet werden.

DVB-S2 Für die Übertragung von HDTV verwendet man vermehrt das neue Modulationsverfahren DVB-S2. Dieses Verfahren hat gegenüber DVB-S folgenden Vorteil: - 30% größere Effizienz gegenüber DVB-S - zusätzliche Funktionalitäten - adaptive Codierverfahren, um den Satellitenkanal optimal ausnützen zu können Es stehen 5 Modulationsverfahren zu Verfügung: BPSK, QPSK, 8PSK für Rundfunkanwendungen über nichtlineare Satellitentransponder 16APSK, 32APSK für professionelle Anwendungen über semi-lineare Transponder

Es stehen folgende „Roll Off – Faktoren zu Verfügung: 0,20; 0,25 und 0,35 (wie bei DVB-S) Die besondere Stärke des DVB-S2 Verfahren liegt in der überaus guten Codierung. Man verwendet die beiden Codierverfahren BCH (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem) als Outer Code mit LDPC (Low Density Parity Check) als Inner Code. Für die Synchronisation der Phase kann man auch Piloten aktivieren, damit der Empfänger wieder richtig synchronisieren kann.

Derzeit werden z.B. über ASTRA folgende Parameter benützt: 22 MSymb./sek. Kanal: DVB-S2, FEC=5/6, 8PSK, Roll-Off=0.35, Nettobitrate= 53 Mb DVB-S2, FEC=2/3, 8PSK, Roll-Off=0.35, Nettobitrate = 42 Mb 27.5 MSymb/sek. Kanal: DVB-S2, FEC=9/10, QPSK, Roll-Off=0.35, Nettobitrate= 48 Mb Für die kommerzielle Anwendung werden drei unterschiedliche Verfahren bei DVB-S2 eingesetzt: a) DVB-S2 CCM – Constant Coding and Modulation Fixe Modulationseinstellungen für alle Empfangsstationen. Die zulässige Dämpfung (z.B. durch Regen) wird durch die schwächste Empfangsstation definiert. b) DVB-S2 VCM – Variable Coding and Modulation Jede Empfangsstation kann gemäß ihrer Empfangssituation fix unterschiedliche Modulations- und Codierungsparameter zugeteilt bekommen c) DVB-S2 ACM – Adaptive Coding and Modulation Modulations-und Codierungsparameter können je nach Empfangssituation (Regen , Schönwetter) individuel varriiert werden. Da ja die meiste Zeit ein guter Empfang möglich ist und genügend Margin vorhanden, beträgt der Effizienzsgewinn bis zu 130%. Rückkanal von Empfangsstation zum Uplink notwendig.

ACM Mode (Adaptive Coding and Modulation)

Da das modulierte Signal noch nicht die tatsächliche Uplink-Sendefrequenz beträgt, muß dieses mithilfe eines Upconverters auf diese gemischt werden. Die Ausgangsfrequenz f1 vom Modulator ist entweder 70MHz, 140 MHZ oder der L-Band Frequenzbereich (950-1750 MHz). Um die gewünschte Ausgangsfrequenz fHF zu erreichen, wird die Eingangsfrequenz f1 mit einer fixen und sehr stabilen Mischfrequenz LO in einem Mischer gemischt. Beim Mischvorgang entstehen zwei Mischprodukte (siehe Bild). Wichtig ist, dass fHF in der richtigen Frequenzlage vorliegt (die tiefen Frequenzen liegen richtig), damit eine Demodulation leicht möglich ist. In den meisten Fällen ist die Ausgangsfrequenz höher als die Mischfrequenz. Es kann aber vorkommen (vor allem bei BUC = Block Upconvertern), dass LO > fHF ist. In diesem Fall ist es notwendig, das Spektrum des Modulatorausgang vorher zu invertieren (=inverses Spektrum).

f1 LO LO-f1 fHF=LO+f1LO

f1 LO fHF=LO-f1 LO LO+f11097 MHz 15450 MHz 14353 MHz 15450 MHz 16547 MHz

LO > fHFSpektrum invertiert

LO < fHF

f1

LO

fHF

HF GRUNDLAGEN Frequenz: Im allgemein die Anzahl von Ereignissen innerhalb eines bestimmten Zeitraumes. Meistens sind dieses regelmäßig wiederholte Ereignisse. In der HF-Technik geht man von einer sinusförmigen Schwingung aus. Je nachdem, wie oft diese vollständige Schwingung (Periode) pro Sekunde gemessen wird, unterscheidet sich die Frequenz. Die Einheit der Frequenz ist das Hertz (Hz). In der HF-Technik werden sehr hohe Frequenzen eingesetzt: kHz: 1000 Hz MHz: 1 000 000 Hz (1 MHz = 1000 kHz) GHz: 1 000 000 000 Hz (1 GHz = 1000 MHz) Wellenlänge λ Als Wellenlänge, Symbol λ (griech.: Lambda), wird der kleinste Abstand zweier Punkte gleicher Phase einer Welle bezeichnet. Einheit ist Meter m.

Quelle: Wikipedia/User Schlurcher Umrechnung Frequenz f vs. Wellenlänge λ: C = λ . f Lichtgeschwindigkeit c: 300 000 km/s = 300 000 000 m/s

Einheit dB (Dezibel): In der HF-Technik wird überall in dB (auf Leistung bezogen) gerechnet, da sonst die Größenordnungen zu unübersichtlich wären. Formel: dB = 10 x Log (Leistung Ausgang / Leistung Eingang) Beispiel: Leistung Eingang: 50 W Leistung Ausgang: 100 W dB = 10 x Log (100 / 50 ) = 10 x Log ( 2 ) = 3 dB 3 dB entspricht also einer Leistungsverdoppelung ! 3 dB entspricht einer Leistungsverminderung um die Hälfte ! Einige dB Angaben – Werte ( auf Leistung bezogen ): 1 dB = Faktor 1.25 10 dB = Faktor 10 2 dB = Faktor 1.58 20 dB = Faktor 100 3 dB = Faktor 2.00 30 dB = Faktor 1000 4 dB = Faktor 2.51 6 dB = Faktor 3.98 Es gibt noch Vergleichsberechnungen mit kleineren Vergleichsgrößen ( µV, W , mW). Für die Arbeit mit dem Spektrumanalysator wird mit dBm gearbeitet. Als Bezugswert wird mit 1mW gerechnet: Formel: dBm = 10 x Log (Leistung in Watt / 1 mW) 0 dBm = 1 mW

Freiraumdämpfung: Das vom Sender zum Empfänger abgestrahlte HF-Signal muß einen Übertragungskanal überbrücken. Im Fall der Satellitenübertragung ist dies der freie Raum zwischen Satellit und Erde. Diese Strecke ist aber nicht verlustfrei sondern wird durch die Freiraumdämpfung F beeinträchtigt. Theorie: Wird von einem isotropen Kugelstrahler (ähnlich einer in allen Richtungen abstrahlenden Lampe) hochfrequente Energie abgestrahlt, so verteilt sich diese gleichmäßig in alle Richtungen. Demzufolge bilden Flächen gleicher Leistungsdichte S Kugeln um den Strahler. Bei größer werdendem Kugelradius verteilt sich die Energie auf eine größere Fläche um den Strahler herum. Oder anders ausgedrückt: Bezogen auf eine angenommene Fläche wird die Leistungsdichte S an der Fläche mit steigendem Abstand geringer.

Quelle: Wikipedia/User Averse Der Ausschnitt der Kugeloberfläche kann bei den relativ kleinen Abmessungen gegenüber einer sehr großen Entfernung als eine ebene Wellenfront betrachtet werden. Eine Empfangsantenne entnimmt aus dieser Wellenfront Energie. Der empfangenen Energie kann bei bekannter Leistungsdichte eine bestimmte Fläche (Wirkfläche AW) zugeordnet werden. Die Wirkfläche der Empfangsantenne ist proportional zum Antennengewinn G und auch abhängig von der Wellenlänge. Es gilt für jede theoretisch verlustfreie Antenne unabhängig von der Bauform: Diese Fläche ist unabhängig von der Entfernung der Empfangsantenne von der Sendeantenne. Deshalb wird die Empfangsantenne weniger Energie aufnehmen können, wenn sie zur Sendeantenne eine größere Entfernung hat. Diese Verringerung der Empfangsenergie kann als eine Dämpfung und als Funktion von der Entfernung betrachtet werden und wird dann Freiraumdämpfung F genannt. Sie gibt an, wie stark sich die Leistung elektromagnetischer Wellen im Vakuum auf dem Weg vom Sender zum Empfänger mit zunehmendem Abstand r durch Strahldivergenz verringert.

Außer der Freiraumdämpfung treten in der Erdatmosphäre bei hohen Frequenzen durch molekulare Absorption (abhängig von den Resonanzfrequenzen des Wasserdampfs, Sauerstoffs und anderer Gase) sowie abhängig vom Luftdruck und der Luftfeuchtigkeit zusätzliche Dämpfungen auf. Das heißt, die reale Dämpfung nimmt sehr viel größere Werte an, als hier durch die Freiraumdämpfung berechnet. Daher spielt das Wetter sowohl bei der Satellitensendestation (Uplink) als auch bei der Empfangsstation (Downlink) eine nicht zu vernachlässigbare Rolle. Starker Regen, heftiger Schneefall oder dunkle Wolken (mit Wasserdampf gesättigt) können eine Satellitenübertragung verhindern, da die Dämpfung zu groß ist. Formeln: C = Lichtgeschwindigkeit = 300 000 km/s = 3 x 108 m/s Umrechnung Frequenz f – Wellenlänge λ: C = λ . f Freiraumdämpfung: F = 20 log (4 π d / λ) Einheit: dB Beispiel: D = 36 000 km = 36 000 x 103 m f = 14 GHz = 14 x 109 daher λ= 3 x 108 / 14 x 109 = 0,0214 m F = 20 log (4 x 3,14 x 36 000 x 103 / 0,0214) = 206 dB Die Dämpfung ohne Berücksichtigung der Atmosphäre (also im Vakuum) wäre also bei einer Entfernung von 36000 km und einer Sendefrequenz bei 14 GHz rund 206 dB !

ANTENNENTECHNIK bei der Satellitenübertragung Um das Signal optimal und mit wenigen Verlusten von A nach B zu übertragen, wird natürlich keine Kugelstrahler benützt, sondern es wird die elektromagnetische Strahlung möglich gebündelt zum Empfänger gesendet (ähnlich einer Spot-Lampe in der Beleuchtungstechnik). Der Gewinn definiert, wie gut und effizient eine Antenne diese Aufgabe erfüllt. Gewinn einer Antenne (Antennengewinn): Der Antennengewinn stellt einen Ausdruck für die Richtwirkung einer Antenne dar. Je größer die Richtwirkung und desto besser der Wirkungsgrad einer Antenne ist, desto größer ist ihr Antennengewinn. Je größer der Antennengewinn desto kleinere Signalamplituden können noch störungsfrei empfangen werden. Hochempfindliche Antennen sind immer stark richtungsselektive Antennen. Zur Erklärung des Begriffes wird vom einem Kugelstrahler (isotropher Strahler) ausgegangen. Dieser strahlt die zugeführte Leistung gleichmäßig in alle Raumrichtungen ab. Durch entsprechenden Aufbau und Geometrie von Antennen kann erreicht werden, dass die abgegebene Strahlungsleistung in bestimmten Raumrichtungen verstärkt abgestrahlt wird, während zugleich in anderen Raumrichtungen die abgegebene Strahlungsleistung abnimmt. Die Gesamtleistung bleibt dabei konstant.

Wie stark die abgestrahlte Leistung in eine Richtung abgestrahlt wird, gibt der Antennengewinn ab. Der Antennengewinn ist frequenzabhängig und ist auch von der Form der Antenne abhängig. Der Gewinn G einer Parabolantenne (diese wird hauptsächlich in der Satellitentechnik eingesetzt) steigt mit der Antennenfläche A und sinkt mit der Wellenlänge λ

Formel:

Aeff = Ka·A Aeff = effektive Antennenfläche

Die effektive Antennenfläche Aeff ist abhängig von der Strahlungsverteilung über die geometrische Antennenfläche. Ist diese Strahlungsverteilung linear, dann ist Ka= 1. Diese hohe Effizienz bei einer linearen Strahlungsverteilung hat aber auch stark ausgeprägte Nebenkeulen zur Folge. Wenn die Nebenkeulen auf eine für den praktischen Einsatz einer Antenne geringere Größe gehalten werden sollen, dann muss die Strahlungsverteilung nichtlinear sein und die effektive Antennenfläche ist dann kleiner als die geometrische Antennenfläche (Aeff < A).

Rechenbeispiel:

Parabolantenne: Durchmesser 3,7m;

effektive Antennenfläche 60% = Faktor Ka = 0,6 Frequenz: 14 GHz daher λ = 0,0214m A = d² π / 4 Aeff = Ka·A = 0,6 x 10,7 m² = 6,45 m²

G = (4 x 3,14 / 0,000457) x 6,45 = 177 359

Gewinn in dB: 10 log10 G = 10 log 177 359 = 52 dB (bei 14 GHz)

Halbwertsbreite

Unter der Strahlbreite (Öffnungswinkel) versteht man den Winkelbereich des Antennendiagramms, in dem noch mindestens die Hälfte der maximalen Leistung abgestrahlt wird.

Grenzpunkte der Hauptkeule sind somit die Punkte, an denen die Feldstärke im Raum um 3 dB bezüglich der maximalen Feldstärke abgefallen ist. Der Winkel Θ wird dann als Öffnungswinkel oder „Halbwertsbreite” der Antenne bezeichnet.

Der Antennengewinn einer Parabolantenne mit Hilfe der Keulenbreite bei 3dB und 10dB kann mit der folgenden Formel bestimmt werden:

3dB und 10dB Punkte bei einer 3,7m Parabolantenne mit einer 3dB Halbwertsbreite

Antennendiagramm einer 3,7m Parabolantenne

Güte einer Empfangsanlage (G/T)

Besondere Bedeutung in Bezug auf die Spezifikation einer Empfangs-Bodenstation kommt der Empfangsgüte G/T zu, da dieser Wert maßgeblich die Systemparameter C/N bzw. S/N beeinflusst. Die Empfangsgüte berechnet sich wie folgt: G/T = GRX

- 10 log TSYS TSYS = TA + TV + TLNB + TC GRX (dBi) Antennengewinn (vom Hersteller spezifiziert) TA (K) Antennenrauschtemperatur (vom Hersteller spezifiziert) TV Rauschanteil bedingt durch Feedverluste TLNB effektive Rauschtemperatur des LNB TC effektive Rauschtemperatur der ZF-Verbindungsleitungen (LNB – Rack) Liegt die Kabeldämpfung 30dB unterhalb der Verstärkung des LNB ist der Einfluß von Tc vernachlässigbar. Eine 3,7m Antenne hat bei einer Elevation von 34° und bei einer Frequenz von 11,2 GHZ ein G/T von ca. 28 dB/K

Um die tatsächliche abgestrahlte Leistung einer Sendeanlage in Richtung zum Satelliten oder vom Satellit in Richtung zur Empfangsantenne angeben zu können, genügt es nicht, einfach die Sendeleistung der Endstufe anzugeben. Es muß auch definiert sein, wie diese Leistung in Richtung zum Empfänger gebündelt wird (Gewinn der Sendeantenne). Ebenso treten natürlich auch zwischen Endstufe und Antenne Verluste in den Kabeln bzw. Hohlleiter auf. In der Satellitentechnik wird zur Definition der abgestrahlten Leistung die Einheit EIRP benützt (als Bezugsantenne wird der isotrophe Strahler benützt). EIRP (Equivalent isotropically radiated power) Da die gesamte Sendeanlage nicht allein aus Endstufe und Antenne besteht, müssen für die Definition der abgestrahlten Leistung alle Komponenten der Anlage berücksichtigt werden. Einheit: dBW

Strahlungsleistung der gesamten Anlage (beinhaltet Leistung der Endstufe, Verluste in der Antennenzuleitung und Antennengewinn) Beispiel: Antennengewinn: 43,6 dBi Leitungsverluste: 3 dB (negatives Vorzeichen !) HF-Leistung: 100W (Umrechnung in dBW ergibt 20 dBW) Formel: dBW = 10 x Log (Leistung in Watt / 1 Watt) EIRP = 43,6 dBi – 3 dB + 20 dBW = 60,6 dBW Anmerkung: Ein Kugelstrahler, welcher am Empfangspunkt dieselbe Feldstärke erzeugen sollte, wie die Parabolantenne, müßte 1,148 Megawatt haben !

Komponenten einer SAT-Empfangsanlage Empfangsantenne man unterscheidet grundsätzlich zwischen zentralgespeisten und Offset-Satelliten-empfangsantennen.

Offset-Antenne zentral gespeiste Antenne Für den Kunden hat eine Offset Antenne viele Vorteile wie leichtere Montage an der Wand oder Mast, Schnee bleibt nicht so leicht liegen und bessere Zugänglichkeit des LNB. Für die Abstrahlung werden fast ausschließlich zentralgespeiste Antennen benützt um einen optimalen Antennenwirkungsgrad zu erzielen. Mittels eines Dual-Reflektor, kann der Strahl exakt über die Antennenfläche verteilt werden.

zentralgespeiste Cassegrain Antenne mit Dual Reflektor

LNB - LNC (Low Noise Block Converter)

Professionelles LNC mit Twin - LNC Hohlleiteranschluß Das LNB empfängt das durch den Parabolspiegel fokussierte empfangene Signal. Durch das Feed gelang das Signal zur Polarisationsweiche, wo die Trennung in Horizontal und Vertikal durchgeführt wird. Nach der Verstärkung wird das Signal, welches eine Downlinkfrequenz im Bereich 10700-12750 MHz aufweist, durch einen Mischoszillator auf eine tiefere Frequenz im L-Band (950-2150 MHz) gemischt. Nach weiterer Verstärkung, kann das Signal im L-Band nun mit handelsüblichen Kabeln zum Empfänger geführt werden.

950 – 2150 MHzafter downconversion

Mischfrequenzen: 11 GHz Bereich: 9,750 GHz 12 GHz Bereich: 10,600 GHz Im LNB geschieht die „Umschaltung“ zwischen den unteren und oberen Frequenzbereich durch Überlagerung der Gleichspannung mit einem 22 kHz Signal. Gemeinsam mit der Polarisationsschaltspannung (Vertikal = 12V, Horizontal = 18V) ergeben sich so vier Zustände: 12V, 22 kHz aus: Bereich 11GHz, Vertikal 12V, 22 kHz ein: Bereich 12 GHz, Vertikal 18V, 22 kHz aus: Bereich 11 GHz, Horizontal 18V, 22 kHz ein: Bereich 12 GHz, Horizontal Bei kommerziellen Produkten können die Mischfrequenzen auch 1000 MHz , 11300 MHZ, 10750 MHz oder andere Frequenzen betragen.

Feed10.70 – 12.75 GHz

Vertikal und horizontal

HF-AMP(LNA)

HF-AMP(LNA)

SPLITTER SPLITTER

LO9.75 GHz

LO10.6 GHz

SCHALTMATRIX 4 x 1

IF-AMP(LNA)

Output950 – 2150 MHz

Mischer

MischerMischer

Mischer

V H

11V 12V 12H11H

Meist wird bei „Consumer-Produkten“ mit sehr niedrigen Rauschzahlen ( 0,2 dB) geworben. Dieser Wert ist eher unrealistisch (besonders bei einer Umgebungstemperatur von 20°C). Wichtige Qualitätsfaktoren sind aber auch eine maximale Entkopplung zwischen horizontaler und vertikaler Polarisation, ein sauberer, geradlinig verlaufender Frequenzgang und Frequenzstabilität. Im Consumerbereich gibt es LNB mit Single (1x), Twin (2x), Quadro (4x) oder Okto (8x) – Ausgängen.

Okto LNB Quad LNB Um einen Multiswitch zu betreiben, ist ein Quad- LNC mit den Ausgängen (11H, 11V, 12H, 12V) notwendig. Falls man ein professionelles LNC mit Hohlleiteranschluß verwendet, ist es wichtig, das LNC und Feedflansch richtig angeschlossen werden. Die Polaristionsebene bei dem LNC auf dem unteren Photo ist horizontal (wie der Buchstabe H).

LNC mit Hohlleiteranschluß in Stellung für horizontale Polarisation

Am Markt werden nun auch LNB mit einem optischen Anschluss angeboten. Die vier Frequenzbereiche (11V, 11H, 12V, 12H) werden frequenzmässig gestapelt und über eine Monomode-LWL Faser übertragen. Beim Empfänger wird über eine Verteilbox wieder auf die vier Bereiche aufgeteilt. Vertikal: 0,959 – 3,0 GHz Horizontal: 3,4 – 5,45 GHz Träger/Rausch Verhältnis (Carrier to Noise Ratio = C/N) Das C/N – ist das Verhältnis der empfangenen modulierten Trägerleistung zur durchschnittlichen empfangenen Rauschleistung. Der Abstand zwischen Rauschfloor und Träger gibt das C/N wieder. Er wird in dB gemessen und ist der wichtigste Messwert für die Performance einer Satellitenübertragung. Ein Empfänger benötigt ein gewisses C/N, um das Empfangssignal dekodieren zu können und eine genügend kleine Bitfehlerrate zu generieren. Um ein genügend hohes C/N zu erreichen, sind unter anderem folgenden Faktoren wichtig:

- genügend hohe Abstrahlleistung vom Satelliten (EIRP) - Durchmesser der Empfangsantenne - genaue Einrichtung der Antenne in Azimuth, Elevation und Polarisation - wenig Dämpfung und Rauschen aller Komponenten im Empfangszug (Kabel,

Verteiler)

Eb/N0 Signalenergie pro Bit Eb/N0 ist die Signalenergie pro Bit geteilt durch die Rauschleistung pro 1 Hertz, also unabhängig von der Bandbreite. Die Einheit ist 1/Bit und der Wert wird üblicherweise in dB angegeben. Je weniger Fehler BER man toleriert, desto höher sollte der Eb/N0-Wert sein. Je nachdem, welchen Service, welche Benutzergeschwindigkeit, welche Bitrate und welche Fehlerrate man haben will, benötigt man einen entsprechend hohen Eb/N0-Wert. Fazit: Je kleiner der benötigte Wert ist desto besser und je größer der erreichte Wert ist desto besser. Der Wert Eb/N0 ist proportional zu C/N. Die allgemeine Formel für die Beziehung zwischen C/N und EB/N0 lautet: Eb/N0 = C/N – kFEC – kQPSK – kP + kRoll off Bei der Umrechnung eines Wertes in den anderen sind einige Faktoren zu berücksichtigen: Faktor für die FEC nach Reed Solomon kFEC = 10 log 188/204 = - 0,3547 dB Faktor für die Modulation kQPSK = 10 log m = 3,010 dB QPSK m=2 16QAM m=4 64QAM m=6 Faktor für die Codierungsrate kP = 10 log P = 10 log FEC (1/2, 2/3, ¾, 5/6, 7/8) Beispiel: KP für FEC 5/6 = 10 log 5/6 = -0,791 Faktor für die Roll-Off Filterung im Demodulator KRoll off = 10 log (1 – α/4) mit αDVB-S = 0,35 daher kRoll off = - 0,397 dB Beispiel (ORF über ASTRA): Eb/N0 = C/N – kFEC – kQPSK – kP + kRoll off = C/N – (-0,3547) – 3,010 – (-0,791) + (-0,39) Eb/N0 = C/N – 2,2 dB Wie man aus dem Diagramm auf Seite 20 entnehmen kann, ist z.B. für eine Bitfehlerrate von BER = 10-4 ein EB/N0 von 8dB nötig. Das Carrier to Noise Ratio muß daher 8 dB+ 2,2 dB = 10,2 dB betragen, um diese Bitfehlerrate zu erreichen.

Bitfehlerrate BER (Bit Error Rate) direkt mit dem C/N (bzw. Eb/No) ist die Bitfehlerrate BER verbunden. Diese beiden Werte sind ausschlaggebend für die Performance der Satellitenübertragung. Im Gegensatz zur analogen Übertragung ist bei der digitalen Übertragung nicht eine langsame Verschlechterung des Empfangs (Rauschen steigt an – man kann aber immer noch dem Programm folgen) festzustellen. Der Bereich zwischen störungsfreien Empfang und keinen Empfang ist sehr klein, weshalb es sehr wichtig ist, dass das Antennensystem genügend groß ausgelegt ist und Reserven (Margin) für Schlechtwetter aufweist.

Quelle: Wikipedia/User Splash Die meisten Empfänger zeigen ab einer BER von 10-3

bereits Fehler im Bild (Blöcke). Bei QPSK ist das daher bei einem C/N von ca. 9 dB. Wie man sieht, beträgt der C/N-Bereich von störungsfreien Empfang zu keinem Empfang nur ca. 2 dB.

Der Zusammenhang ist nicht linear, und ab einen gewissen Eb/N0 tritt der sogenannte „Cliff Effekt“ auf.

Es kommt immer wieder vor, dass Kunden den Satellitenspiegel selbst montieren und einrichten. Da meist keine Messgeräte vorhanden sind, kann der Empfangsspiegel nicht optimal ausgerichtet werden und der Empfang geschieht dann direkt „an der Kippe“. Jedes Schlechtwetter bringt dann Blockbildung oder totalen Ausfall. Eine Anlage ist deshalb erst dann richtig eingestellt, wenn auch genügend Empfangsreserve (Margin) für Schlechtwetter vorhanden ist ! Bandbreite eines QPSK Signals Die benötigte Bandbreite eines QPSK Signals ist abhängig von der Symbolrate. Da die Symbolrate abhängig von der Nettodatenrate und der Coderate ist, legen diese beiden Parameter die benötigte Bandbreite fest. Bei einer Satelliten-Übertragung wird z.B. eine Coderate von FEC = ¾ verwendet. Der Reed-Solomon ist mit RS(188,204) laut DVB-Standard festgelegt. Die Bandbreitenausnutzung beträgt BW/Rs = 1,3 Hz/Symb. Mit diesen Angaben kann die Transponderbandbreite für eine gegebene Datenrate errechnet werden: Rs = Symbolrate (MSymb/s) Ru = Datenrate (Mbit/s) R1 = äußerer Fehlerschutz 188/204 R2 = innerer Fehlerschutz Coderate ¾ (Beispiel) Der Faktor 2 resultiert aus QPSK mit 2 bit/Symbol Eine übliche Datenrate bei DSNG ist 8,448 Mbit/s (auch EBU-Standard für 8 Mbit). Rs = ½ * Ru * 204/188 * 1/FEC Rs = ½ * 8448 * 204/188 * 4/3 = 6111,3 MSymb/sec Benötigte Transponderbandbreite: B = Rs * Bandbreitenausnutzung (1,3 Hz/Symb.)

B = 6,1113 MHz * 1,3 Hz = 7,95 MHz

Digitale Übertragungsnormen bei der Satellitenübertragung In Normen und Vorschriften ist festgelegt, nach welchem Übertragungsstandard digitale Übertragungen stattfinden. In diesen Normen ist die gesamte Übertragung eines digitalen Datenstroms in einem Übertragungsmedium definiert. Darin enthalten ist z.B. Modulationsaufbereitung mit allen Toleranzen, Beschreibung der Rahmenstruktur (Bitmanagement), Aufbau der Schaltung für den Fehlerschutz und weitere Angaben für die Übertragung. Bei der digitalen Übertragung über Satellit werden derzeit hauptsächliche folgende Norm angewendet: - DVB (Digital Video Broadcasting) Dokument ETSI - ETS 300 421 Nachdem des Signal QPSK moduliert , gelangt die ZF ( 70 MHz) zum Upconverter, der das Signal auf die Sendefrequenz im Ku-Band (14.0 - 14.5 GHz oder 18 GHz) mischt. Anschließend wird das Signal auf die abzustrahlende Sendeleistung durch eine Endstufe gebracht und auf der richtigen Polarisationsebene abgestrahlt.

SATELLITENÜBERTRAGUNGSTECHNIK Die Satelliten befinden sich in einem geostationären Orbit. Bei einer Entfernung von ca. 35780 km von der Erde heben sich Fliehkraft und Gravitationskraft auf und der Satellit scheint am Himmel stillzustehen.

Alle Satelliten sind auf der Äquatorachse positioniert. D.h von Österreich aus gesehen, befinden sich für uns wichtige Satelliten alle in südlicher Himmelsrichtung (Abweichungen je nach Orbitalposition). Für die gesamte Abdeckung der Erde sind mindestens 3 Satelliten-positionen notwendig. In höheren Breiten ist Satellitenempfang nicht möglich, da der Satellit nicht mehr sichtbar ist. Der Satellit hat eine Empfangs- und Sendeantenne. Diese Antennen haben eine genau definierte „Ausleuchtzone“ (Footprint). Darunter versteht man das Versorgungsgebiet, welches durch die Antennenkonfiguration erreicht werden kann. Es kann vorkommen, dass Satelliten auf der selben Position unterschiedliche Ausleuchtzonen haben, um beispielsweise verschiedene Regionen zu versorgen = Spotbeams

Beispiel für Footprint ASTRA 1N Die Angabe z.B. 60 bedeutet, dass ein Empfang mit genügend Reserve (Margin) mit einer 60cm SAT-Antenne möglich ist

Es gibt Ausleuchtzonenkarten für das Empfangsgebiet des Satelliten (mit G/T Angaben) und Ausleuchtzonenkarten für die Abstrahlung vom Satelliten zur Erde. Diese Karte zeigt die Empfangsantenne am Satelliten. Man kann erkennen, wie sich der Gewinn der Antenne je nach geographischen Ort unterscheidet.

Diese Karte zeigt die EIRP, mit welcher der Satellit auf Europa sendet. Im Zentrum erreicht man 48 dBW. Diese Angabe korrespondiert meist auch immer mit der notwendigen Empfangsantennengröße.

Die Position des Satelliten wird durch die Angabe des Längengrades angegeben. z.B. befindet sich der Satellit ASTRA auf 19.2 Grad östlicher Breite (0° ist der Nullmeridian bei Greenwich). Der Satellit befindet sich also über der DR Kongo. Von Wien aus gesehen (Längengrad 16°) befinden sich ein Satelliten auf der Position 16° Ost genau im Süden (180°). Da der Astra-Satellit die Position 19,2° hat, liegt er von Wien aus gesehen 3,2 Grad östlicher (176,8°)

Bild: Google Maps

Quelle: Intelsat /Intelsat Satellitenverteilung entlang des Äquators

Um den Satelliten von Wien aus zu erreichen, muß man den Parabolspiegel in seine Richtung einstellen. Dazu dienen die Angaben von AZIMUTH und ELEVATION. AZIMUTH: Horizontaler Winkel zum Satelliten (180° ist Süden) ELEVATION:

Elevation

Elevationswinkel für Satellitenpositionen für den Standort Wien. Man erkennt deutlich, dass die Position 16° Ost für den Standort Wien den höchsten Elevationswinkel aufweist. POLARISATION: Bei der SAT-Übertragung wird bei Rundfunksatelliten lineare Polarisation verwendet. Die Schwingungsebene des elektrischen Feldvektors kann Horizontal oder Vertikal sein.

Bei der Satellitenübertragung ist eine genaue Einstellung der Polarisation nötig, um Übertragungen anderer Benützer, welche in der anderen Polarisationsebene gleichzeitig stattfinden, nicht zu stören. Für den Empfang muß je nach Satellitenposition das LNB auch verdreht (Skew Winkel) werden. Nur bei Satelliten, welchen am Empfangsstandort genau im Süden sind, ist der Winkel 0°. Das gilt z.B. für den Standort Wien ziemlich genau für die Satellitenposition 16° Ost.

Als UPLINK bezeichnet man die Übertragungsstrecke zum Satelliten Als DOWNLINK bezeichnet man die Übertragungsstrecke vom Satelliten zur Erde Im Satelliten wird das Signal auf der Uplinkfrequenz empfangen und in der anderen Polarisation auf der Downlinkfrequenz wieder abgestrahlt. Beispiel: UPLINK sendet in vertikaler (Y) Polarisation zum Satelliten. Der Satellit strahlt das empfangene Programm in horizontaler (X) Polarisation wieder aus. Die Downlink empfängt die Übertragung also in horizontaler Polarisation. FREQUENZBEREICHE: Das Uplink erfolgt im sogenannten Ku-Band (14 GHz oder 18 GHz) Das Downlink (Satellit-Erde) erfolgt im Bereich 10.95 – 12.75 GHz. Der Konverter (LNB = Low Noise Block Converter) an der Antenne setzt das vom Satelliten empfangene Signal ins L-Band (950 – 2050 MHz) um. Typische LNB Umsetzfrequenzen: Universal LNC: 9750 MHz für 11 MHz Bereich 10600 MHz für 12 MHz Bereich Professionelle Systeme: 10000 MHz

UPLINK14 or 18 GHz

DOWNLINK10700 – 12750 MHz

TRANSPONDER: Die Empfangs- und Sendekanäle des Satelliten werden Transponder genannt. Jedem Empfangstransponder ist ein gleichwertiger Sendetransponder zugewiesen. Diese unterscheiden sich in Polarisation, Frequenz und Ausleuchtzone

InputBandpass

Filter

LowNoise

Amplifier

Mixer

OutputBandpass

Filter

TWTA

~LO

TravellingWave TubeAmplifier

14 GHz 12 GHz

to satellite downlinkantenna

Polarisation Y

Receiving signal from uplinkPolarisation X

Jeder Transponder hat eine definierte und vorgegebene Bandbreite ( meist 72 MHz, 36 MHz 33 MHz oder 26 MHz). Das zu übertragene Signal belegt entweder die gesamte Bandbreite (meist bei MCPC), oder unterschiedliche Signale teilen sich den Transponder (SCPC Betrieb).

Transponder Bandbreite

MCPC

Transponder Bandbreite

SCPC

MCPC steht für Multiple Channel Per Carrier MCPC ist eine Form der Satellitenübertragung, in der ein Träger genutzt wird, um mehrere Kanäle zu übertragen (z.B. alle ORF Programme über eine ASTRA Transponder). Die Alternative zu MCPC ist SCPC (Single Channel Per Carrier). Hier wird pro Träger nur ein Kanal übertragen (z.B. EBU Signale am EBU Transponder). Die Bandbreiten bei SCPC können im Transponder unterschiedlich sein (z.B. 8, 12, 24 Mbit/s).

Jeder Satellit sendet zur leichteren Identifikation Bakensignale ab. Die Frequenzen dieser meist unmodulierten oder mit speziellen Kennungen versehenen Bakenträger sind für jeden Satelliten genau definiert. Das Signal besitzt eine sehr kleine Bandbreite (unmoduliert) und ist sehr stabil. Es eignet sich daher sehr gut zum Auffinden und optimalen Einrichten der Antenne zum Satelliten. Meist werden zwei Bakensignale vom Satelliten abgestrahlt (eines unmoduliert für das Tracking und eines moduliert mit den Telemetriedaten).

Das Bakensignal wird bei SAT-Empfangs- und Sendeanlagen mit Antennen, welche größer als 3,7m sind, zur Nachführung benützt. Dieses Verfahren wird TRACKING genannt. Die Nachführung ist deshalb notwendig, da der Satellit nicht genau auf seiner Position verharrt, sondern während des Tages eine Schleife zieht. Da die Antenne bei einer Größe ab 3,7m nur mehr eine schmale Keule besitzt, muß diese ständig nachgeführt werden. SUN OUTAGE Zweimal im Jahr kommt es für ca. 2 Wochen vor, dass der Satellit für kurze Zeit genau vor der Sonne steht. Die Empfangsantenne schaut daher immer für wenige Minuten an diesen Tagen genau in die Sonne. Da die Sonne natürlich auch ein starkes Spektrum abstrahlt, kann es bei Anlagen ohne Empfangsreserve vorkommen, dass der Empfang für wenige Minuten beeinträchtigt ist. Dieser Effekt wird "Sun outage" genannt.

UPLINK Die Sendeanlage zum Satellit wird Uplink genannt. In fast allen Fällen werden diese Anlagen ortsfest errichtet. Eine Ausnahme sind mobile Satellitenübertragungswagen (SNG – Satellit New Gathering). Der Unterschied zwischen beiden ist außer der Antennengröße, auch die zu erzielende bzw. notwendige Sendeleistung. Nun zu den einzelnen Komponenten: Der gesamte Sendezweig ist redundant ausgeführt. Ein Sendezug wird „Hot Standby“ immer auf eine Abschlußwiderstand (Kunstantenne – Dummy Load) geschalten. Der MPEG Datenstrom liegt entweder im Format DVB-ASI (270 Mbit/s) oder IP an. Dieser Datenstrom gelangt zum Modulator und wird anschließend moduliert. Da die modulierte Ausgangsfrequenz des Modulators noch nicht die endgültige Sendefrequenz ist, muss diese erst auf Sendefrequenz gemischt werden. Dies geschieht im Upconverter. Meist ist dieser bereits in der Endstufe integriert (BUC – Block Upconverter). In der Endstufe, welche in den meisten Fällen noch Wanderfeldröhren (TWT) enthält, wird das Signal auf die endgültige Leistung verstärkt. Dieses HF-Signal gelang dann über Hohlleiter und Schalter zum Antennenfeed, wo es dann über die Antenne mit der richtigen Polarisation abgestrahlt wird. Der Empfangszweig ist ähnlich einer normalen SAT-Anlage aufgebaut, nur werden hier sehr stabile LNC eingesetzt, damit der schmale Träger für den Bakenempfänger sicher empfangen werden kann.

BUC

BUC

HPA (TWT)with Equalizer

HPA (TWT)with Equalizer

ModulatorDVB-S2

ModulatorDVB-S2

Filter + Measurement Port

TXV

TXH

RXH

RXV

RX 11H

RX 11V

RX 12 H

RX 12 V LNB

HLN

B VRX

Pat

chpa

nel

ASI - Patch

IF - Patch

RedundantSwitch

Antenna / LoadSwitch

Ethe

rnet

Hub

Beacon Receiver

Antenna ControlUnit

Deicing

Motor AZ/EL/Pol

Server PC

M&C

Con

trolle

r

L A

N

1:1 Redundant UPLINKBLOCK DIAGRAM

INDOOR OUTDOOR

Blockschaltbild einer redundanten Uplink

Beschreibung der Kontrolle und Überwachung der Satelliten anhand des Beispiel ASTRA (Quelle SES ASTRA) Der Satellit strahlt neben den Programmen auch ständig Daten über den derzeitigen Zustand der an Bord befindlichen Geräte (Telemetrie-Daten) aus. Diese enthalten unter anderem Informationen über die elektrische Ladung, Temperatur an Bord, Ausrichtung und Lage, den Zustand der Senderöhren und der Computer an Bord etc. Es gibt ca. bis zu 5000 Telemetrieparameter pro Satellit. Für jeden einzelnen dieser Telemetriepunkte gibt es Grenzwerte. Werden diese über-oder unterschritten wird Alarm ausgelöst. Um einen sicheren Empfang der Fernsehsignale sicherzustellen, darf die Abweichung in der Ausrichtung des Satelliten 0.1 Grad nicht überschreiten. Dies entspricht einen Versatz der Ausleuchtzone am Boden um 70 km. Der Controller enthält einen Alarm, wenn die Lage des Satelliten sich um 0.03 Grad geändert hat, und greift dann korrigierend ein. Die Satelliten befinden sich über den Äquator auf einer geostationären Umlaufbahn. Sie befinden sich innerhalb eines gedachten Würfels von 140km Kantenlänge (z.B. +/- 0.1° von 19.2°). Die geostationäre Umlaufbahn (GEO) ist eine kreisförmige Bahn mit einem Radius von 42163 km in der Äquatorialebene, also 35785 km über dem Äquator. Objekte auf dieser Umlaufbahn erscheinen einem Beobachter auf der Erde als am Himmel stillstehend, da die Umlaufdauer auf dieser Bahn die gleiche ist mit der sich die Erde um sich selbst dreht (23h 56m 04s), obwohl der Satellit eine Lineargeschwindigkeit von 3072.6 m/s (11061 km/h) hat. Satelliten auf einer geostationären Umlaufbahn sind Störkräften unterworfen z.B. der Anziehung durch die Schwerkraft des Mondes und der Sonne. Diese Kräfte verändern die Satellitenbahn so, dass diese in Nord/Süd und Ost/West-Richtung driften und dabei von der Erde aus gesehen eine 8 schreiben. Aber auch die Erde selbst durch ihre ungleichmäßige Landmassenverteilung beeinflußt die Umlaufbahn. Um dies zu korrigieren, werden Positionsmanöver mittels kleiner Raketentriebwerke vorgenommen. Als Minimum werden 3 Positionsmanöver alle 14 Tage durchgeführt. Die Raketentriebwerke werden zwischen ein paar Sekunden bis zu 1 Stunde lang gefeuert. Auf Grund der Ko-Position (im Falle von ASTRA) ist es wichtig, die exakte Position jedes einzelnen Satelliten genau zu kennen. Die SES Bodenstation in Betzdorf erlaubt die Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit von besser als 1m. Zusätzlich wird der Abstand zwischen den Satelliten mittels eines Teleskops und einer Kamera auf optischen Wege überprüft. Satelliten Lebendauer: die Satelliten können natürlich nicht ein Service erhalten. Deshalb werden diese Satelliten, wenn der Treibstoff aufgebraucht wird, in einen Friedhoforbit manövriert, wo sie andere Satelliten nicht stören. Sorgfältige Planung aller Manöver reduziert den Treibstoffverbrauch und verlängert so die nutzbare Lebensdauer des Satelliten. Treibstoff sparen beginnt bei der Auswahl der Rakete. Die Ariane Rakete setzt einen Satelliten typischerweise in einer elliptischen Umlaufbahn von ca. 200 (erdnächster Punkt =

Perigäum) und 36000km (erdfernster Punkt = Apogäum) aus. Mit Treibstoff an Bord des Satelliten wird das Perigäum auf 36000km erhöht. Die Proton Rakete bringt einen Satelliten typischerweise auf ein Perigäum von 5000 bis 15000 km, was viel Treibstoff spart und damit mehr Lebensdauer bringt. Andere Möglichkeiten Treibstoff zu sparen, sind z.B. Satelliten auf einer geneigten Umlaufbahn (INCLINED ORBIT) zu betreiben, d.h. es werden keine treibstoffintensiven N/S Manöver mehr durchgeführt. Zum Empfang werden dann allerdings bewegliche Antenne benötigt. Auf den neuesten Satelliten werden Raketentriebwerke eingesetzt, die im Gegensatz zu chemischen Treibstoffen ionisiertes Xenongas als Treibstoff verwenden, welches durch ein elektrisches Feld auf extrem hohe Geschwindigkeiten beschleunigt wird. Die Effizienz ist 10 mal höher, was weniger Treibstoff für das gleiche Manöver und damit höhere Lebensdauer bedeutet. Die Lebensdauer der ASTRA Satelliten variiert zwischen 12 und 25 Jahren. Da kein Service möglich ist, sind alle notwendigen Systeme an Bord doppelt vorhanden. Die elektrische Leistung die benötigt wird um die Senderöhren (und die andere Elektronik an Bord) zu betreiben, kommt von den Solarzellen. Während einer Eklipse, welche zweimal im Jahr im Frühling und im Herbst auftritt, versorgen die Batterien an Bord des Satelliten die Systeme mit dem notwendigen Strom. Ein Satellit geht in Eklipse, wenn Sonne, Erde und Satellit sich auf einer Linie befinden. Die Frühlings- und Herbsteklipse dauern jeweils 42 Tage. Die längste Eklipse findet an den Tagen der Tag und Nachtgleiche statt. Eine einzelne Eklipse dauert bis zu 72 Minuten, während derer bis zu 6kWh aus den Batterien bereitgestellt werden müssen. Die Temperaturänderungen auf den Solarpanelen sind in dieser Zeit sehr extrem. Im Sonnenlicht beträgt die Temperatur rund 60 Grad Celsius, wohingegen die Temperatur bei Eintritt in den Erdschatten innerhalb kürzester Zeit auf –140 Grad fällt. Innerhalb des Satelliten werden die Temperaturschwankungen sehr viel kleiner gehalten, da die Elektronik bei Temperaturschwankungen von 200 Grad nicht funktionieren würde.

Technische Daten der ORS Uplinks über ASTRA Satellit: ASTRA1L (TR 7); ASTRA 1N (115,117); ASTRA1KR (TR3,5) Position: 19.2 Ost (Azimuth = 176 Grad, Elevation = 34 Grad für Wien) Transponder: 3 (11244 H) Symbolrate 22,0 FEC 5/6 DVB-S/QPSK 5 (11273 H) Symbolrate 22,0 FEC 2/3 DVB-S2/8PSK

7 (11303 H) Symbolrate 22,0 FEC 2/3 DVB-S2/8PSK 115 (12663 H) Symbolrate 22,0 FEC 5/6 DVB-S/QPSK 117 (12692 H) Symbolrate 22,0 FEC 5/6 DVB-S/QPSK Verschlüsselung: Simulcrypt (für Österreich Cryptoworks, Irdeto) Bandbreite Satellit: 26 MHz - 1 dB 29 MHz - 3dB Verfügbarkeit: Uplink: 99.99 % Downlink: 99.9 % (ca. 1 Std. Ausfall pro Jahr ) Margin (Downlink): 60cm = 0.22 dB 75cm = 2.10 dB nötiges C/N: 9.16 dB nötiges Eb/No: 7.30 dB

Ausleuchtzonen:

ASTRA 1N

ASTRA 1KR ASTRA 1L Empfohlen für störungsfreien Empfang werden SAT-Antennen ab einer Größe von 75cm. Eine korrekte Einstellung kann nur vom Fachhändler durchgeführt werden. Hilfreiche Links: http://digital.orf.at http://hd.orf.at/ www.astra.de oder www.astra.lu www.dvb.org

Faktoren, welche einen Empfang verschlechtern: - Regen (vor allem wolkenbruchartig im Sommer)

Da auch am Standort der Uplink starker Regen den Uplinkweg abschwächt, kann es vorkommen, dass ein Empfang in anderen Teilen Europas unmöglich ist, wenn es in Wien stark regnet (Dauer bis zu 15 Minuten)

- starker Schneefall ( nicht nur wenn Antenne oder LNC zugeschneit). Alles gilt wie bei Regen

- Sichtbeeinträchtigung (z.B. Baum – Unterschied Winter-Sommer, Wachstum!) Neubauten, Antenne hinter Glasfront usw.

- Satellit direkt vor Sonne (eher selten – nur kurzzeitig) - Polarisation falsch oder mangelhaft eingestellt - Antenne falsch ausgerichtet. Falls nur ein Digitalempfänger vorhanden ist, ist eine

genaue Einstellung von Azimuth, Elevation und Polarisation unmöglich. Eine Balkenanzeige kann nur als Relativanzeige dienen. Die Einstellung geschieht entweder mittels analogem Empfänger, Spektrumanalyzer oder Meßempfänger

- Komponenten mit schlechtem oder falschem Frequenzgang. Da der ORF mit einer Empfangsfrequenz von 2092 MHz mit einem Universal-LNC empfangen wird, müssen alle Komponenten im Empfangszweig (Diseq-Switch, Kabel, Multiswitch, Abschwächer) für diese Frequenz ausgelegt sein. Bei alten Anlagen sind die Komponenten nur bis 1700 MHz ausgelegt. Besonders alte Kabel weisen schlechte Dämpfungswerte auf.

- LNC oder Kabel sind durch Wassereintritt beeinträchtigt oder beschädigt. - Empfangssignal zu stark. Führt zum Übersteuern des digitalen SAT-Empfängers.

Eigenschaften vom Empfängertyp abhängig. - schlechter Frequenzgang (z.B. langes Kabel..) - Störungen durch Richtfunk, DECT oder andere Funkdienste

Kein Empfang möglich wenn: - Antenne nicht optimal ausgerichtet. Besonders bei Digitalempfang ist eine genaue

Ausrichtung unbedingt nötig. Große Antennen( > 80 cm) sind besonders genau auszurichten

- Feldstärkeanzeige zeigt genügend Pegel an, aber falscher Satellit ist eingestellt. (z.B. Hotbird statt ASTRA !)

- Empfangsparameter falsch (Frequenz, Modulation, Polarisation, Symbolrate, FEC). Achtung: Im Unterschied zu allen anderen ASTRA-Digitalsatelliten ist die Symbol Rate und die FEC unterschiedlich (22.000 MSym/Sek)

Bei den meisten Empfängern werden aber alle Kanäle vor allem im ASTRA- System mit Suchlauf automatisch gespeichert (NIT-Network Information Table). - 22 kHz abgeschaltet. - Komponenten nicht für den Frequenzbereich ausgelegt (altes LNC, Kabel, Multi-

Switch). - Smart-Card nicht freigeschaltet - Smart-Card für falsches Verschlüsselungssystem - Smart-Card falsch im CI-Schacht eingesteckt (oben-unten, vorne-hinten) - Smart-Card für ORF nicht freigeschaltet (z.B. von Premiere) - Smart-Card kaputt - Smart-Card ICE funktioniert nur in für Österreich zertifizierten Empfängern Die ORF Karte ist nach Erstinbetriebnahme für 30 Tage freigeschaltet Innerhalb dieses Zeitraumes, muß der Kunde die Karte vom ORF freischalten lassen. Karte richtig in Schacht stecken und ein ORF Programm wählen Falls die SAT-Anlage über längere Zeit nicht in Betrieb war (Urlaub, Wochenendhaus usw.) kann es einige Minuten dauern, bis der Empfang wieder funktioniert (Empfänger auf ORF1 stellen) - Satellitentransponder wegen Wartungsarbeiten abgeschaltet. (fix 1 x jährlich für 1

Stunde, meist nach Mitternacht). - Ein SAT-Empfänger ohne HD-Empfangsteil (DVB-S2) kann keine in DVB-S2 und

MPEG4 abgestrahlten Programme (vor allem Programme in HD) demodulieren und auch nicht dekodieren.

DEFINITON DER BEGRIFFE DVB = Digital Video Broadcasting Leitungsgebundene und/oder drahtlose Übertragung digitalisierter Video, Audiosignale und Zusatzinformationen (Daten) in der Regel mit Hilfe eines Hochfrequenzträgers. DVB-T, DVB-S und DVB-C Die Akronyme stehen für die unterschiedlichen Verfahren zur Übertragung von DVB in den drei Verteilwegen: DVB-T Terrestrische Übertragung (terrestrial) DVB-S Satellitenübertragung (satellite) DVB-C Kabelübertragung (cabel) Neue Übertragungsnormen DVB-H TV über portables Gerät (handheld) DVB-S2 neue Übertragungsnorm (Satellite 2.Generation) DVB-SH Handybetrieb über Satellit und terrestrisch DVB-T2, C2 Second Generation von DVB-T und DVB-C Abkürzungen DAB Digital Audio Broadcasting (auch DIGITAL RADIO genannt) COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing (Mehrträger- verfahren) DRM Digital Radio Mondiale (geplantes digitales Radio für MW und KW) Weitere Links zum Thema DVB und DAB http://www.digitalradio-info.de/ http://www.digitag.org/ http://www.digitv.de/welcome.shtml http://www.drm.org/ http://www.dvb.org http://www.irt.de http://www.set-top-box.de/ http://www.worlddab.org/

Weiterführende empfehlenswerte Literatur:

Walter Fischer

Digitale Fernseh-und Hörfunktechnik in Theorie und Praxis

3. Auflage ISBN 978-3-642-15046-3 e-ISBN 978-3-642-15047-0 DOI 10.1007/978-3-642-15047-0

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