Digitale Satellitenübertragungstechnik

Digitale
Satellitenübertragungstechnik
DI Peter Knorr
Juni 2012
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 hauptsächlich das MUSICAM-Verfahren (MP2). Bei
diesen Verfahren wird die in Sprach-und Musiksignalen enthaltene Redundanz und
Irrelevanz zu einer effektiven Datenreduktion benutzt.
Bei der Datenkompression mit MUSICAM werden psychoakustische Effekte ausgenutzt. Alle
Toninformationen, die das menschliche Ohr nicht wahrnehmen kann, werden auch nicht
übertragen. Es werden in Zukunft aber auch vermehrt für Audio modernere
Datenreduktionsverfahren wie Dolby Digital oder AAC eingesetzt.
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
MUSICAM: (Masking pattern adapted Universal Subband Integrated Coding And
Multiplexing)
Bei Videosignalen werden im Satellitenbereich vor allem folgende Datenreduktionsverfahren benützt:
- MPEG-2
- MPEG-4
ISO/IEC IS 13818 - 1; Teil 1(Systems), 2(Video), und 3(Audio)
ISO/IEC 14496-1; Teil 1(Systems), 2(Video) und 3 (AAC Audio)
zu MPEG-2
Main Profile@Main Level:
Professional Profile:
4:2:0 Format, Bitraten 1,5 - 15 Mbit/s
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 PBildern werden vorausgegangene I-Bilder oder vorausgegangene P-Bilder benötigt. Ein PBild 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
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.
Je nach Konfiguration sind Video, Audio, Teletext, WSS, Testsignale und Zusatzdaten im
digitalen Datenstrom vorhanden.
Weiters stehen verbesserte Datenreduktionsverfahren zur Verfügung. Diese erlauben ein
erweitertes Programmangebot, da mit niedrigerer Datenrate die gleiche Qualität als derzeit
zu erzielen ist. MPEG 4 Part 10 – AVC (auch H.264) ist dieser Standard.
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 Prgramme 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
CW
EMM
ECM
Transportstrom
Control Word
Entitlement Management Message
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 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(188,204). Wenn die Übertragungsfehler in einer derartigen
Häufigkeit auftreten, daß die Kapazität des Reed-Solomon-Codes zur Fehlerkorrektur nicht
ausreicht, greift die FEC-Fehlerkorrektur ein.
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 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:
ASTRA1L 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 Fehlerbitrate charakterisiert. Sie gibt an, wieviele Bits gestört übertragen werden. Die Angabe
erfolgt in negativen Zehnerpotenzen.
Beispiel:
BER = 10-3
BER = 10-11
bedeutet das jedes 1000 ste Bit gestört ist
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.
FEC (Viterbi) und Reed Solomon Codierung sind also sehr robuste Fehlerkorrekturverfahren.
Eine BER von 10-2 am Eingang des Demodulators kann zu einer BER 10-11 reduziert werden,
was einem Faktor von 109 entspricht
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 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
Eher seltener wird BPSK (Binary Phase Shift Keying) benützt. Hierbei handelt sich auch um
eine Phasenmodulation aber mit nur zwei Zuständen. Vorteil: robuster bei der Übertragung
(Fehleranfälligkeit geringer !).
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:
27.5 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
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.
f1
fHF
LO
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 notwednig, das Spektrum des Modulatorausgang vorher zu invertieren
(=inverses Spektrum).
LO < fHF
f1
LO
LO-f1
LO
f1
LO
fHF=LO-f1
LO
1097 MHz
15450 MHz
14353 MHz
15450 MHz
fHF=LO+f1
LO > fHF
Spektrum invertiert
LO+f1
16547 MHz
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:
Beispiel:
dB = 10 x Log (Leistung Ausgang / Leistung Eingang)
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
2 dB = Faktor 1.58
3 dB = Faktor 2.00
4 dB = Faktor 2.51
6 dB = Faktor 3.98
10 dB = Faktor 10
20 dB = Faktor 100
30 dB = Faktor 1000
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 berrechnet sich wie folgt:
G/T = GRX - 10 log TSYS
TSYS = TA + TV + TLNB + TC
GRX (dBi)
TA (K)
TV
TLNB
TC
Antennengewinn (vom Hersteller spezifiziert)
Antennenrauschtemperatur (vom Hersteller spezifiziert)
Rauschanteil bedingt durch Feedverluste
effektive Rauschtemperatur des LNB
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:
Leitungsverluste:
HF-Leistung:
43,6 dBi
3 dB (negatives Vorzeichen !)
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- Satellitenempfangsantennen.
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 Antenne mit Dual Reflektor
LNB - LNC (Low Noise Block Converter)
Professionelles LNC mit
Hohlleiteranschluß
Twin - LNC
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 10950-12750 MHz aufweist, durch einen Mischoszillator auf
eine tiefere Frequenz im L-Band (950-2100 MHz) gemischt.
Nach weiterer Verstärkung, kann das Signal im L-Band nun mit handelsüblichen Kabeln zum
Empfänger geführt werden.
Feed
10.70 – 12.75 GHz
Vertikal und horizontal
V
H
HF-AMP
(LNA)
HF-AMP
(LNA)
SPLITTER
SPLITTER
Mischer
Mischer
LO
9.75 GHz
Mischer
Mischer
LO
10.6 GHz
11V
12V
11H
SCHALTMATRIX 4 x 1
IF-AMP
(LNA)
Output
950 – 2150 MHz
12H
Mischfrequenzen:
11 GHz Bereich:
12 GHz Bereich:
9,750 GHz
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:
12V, 22 kHz ein:
18V, 22 kHz aus:
18V, 22 kHz ein:
Bereich 11GHz, Vertikal
Bereich 12 GHz, Vertikal
Bereich 11 GHz, Horizontal
Bereich 12 GHz, Horizontal
Bei kommerziellen Produkten können die Mischfrequenzen auch 1000 MHz , 11300 MHZ,
10750 MHz oder andere Frequenzen betragen.
Meist wird bei „Consumer-Produkten“ mit sehr niedrigen Rauschzahlen ( 0,2 dB) geworben.
Dieser Wert ist eher unrealistisch (besonders bei einer Umgebungs-temperatur 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 ein 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:
Horizontal:
0,959 – 3,0 GHz
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
16QAM
64QAM
m=2
m=4
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 ReedSolomon 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.
36000 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).
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.
ASTRA 1H+ ASTRA 1L mit Spotbeam für die kanarischen Inseln
(Quelle SES Astra)
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
Empfangsantennegröße.
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 Äquator
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:
Vertikaler Winkel zum Satelliten (für Österreich zwischen 20° und 34.6° )
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 !
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
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
Jeder Transponder hat eine definierte und vorgegebene Bandbreite ( meist 72 MHz, 36 MHz
oder 33 MHz). Das zu übertragene Signal belegt entweder die gesamte Bandbreite (meist
bei MCPC), oder unterschiedliche Signale teilen sich den Transponder (SCPC Betrieb).
MCPC steht für Multiple Channel Per Carrier
MCPC ist eine Form der Satellitenübertragung, in der jeder 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 und ist sehr stabil.
Es eignet sich daher sehr gut zum Auffinden und optimalen Einrichten der Antenne zum
Satelliten.
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.
1:1 Redundant UPLINK
BLOCK DIAGRAM
Antenna Control
Unit
RX 11H
LNB H
RX 12 V
LNB V
RX Patchpanel
M&C Controller
LAN
Ethernet Hub
RX 11V
RX 12 H
Motor AZ/EL/Pol
RX
H
Beacon Receiver
RX
V
Server PC
TX
V
Deicing
TX
H
Filter + Measurement Port
INDOOR
OUTDOOR
IF - Patch
ASI - Patch
Modulator
DVB-S2
B
U
C
Modulator
DVB-S2
B
U
C
HPA (TWT)
with Equalizer
HPA (TWT)
with Equalizer
Redundant
Switch
Blockschaltbild einer redundanten Uplink
Antenna / Load
Switch
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 ORS über ASTRA
Satellit:
ASTRA1L (TR 7,115,117); ASTRA1KR (TR3)
Position:
19.2 Ost (Azimuth = 176 Grad, Elevation = 34 Grad für Wien)
Transponder:
3
7
115
117
(11244 H)
(11303 H)
(12663 H)
(12692 H)
Symbolrate 22,0
Symbolrate 22,0
Symbolrate 22,0
Symbolrate 22,0
FEC 5/6 DVB-S/QPSK
FEC 2/3 DVB-S2/8PSK
FEC 5/6 DVB-S/QPSK
FEC 5/6 DVB-S/QPSK
Verschlüsselung: Simulcrypt (für Österreich Cryptoworks, Irdeto)
Bandbreite Satellit:
Verfügbarkeit:
Margin (Downlink):
nötiges C/N:
nötiges Eb/No:
26 MHz - 1 dB
29 MHz - 3dB
Uplink: 99.99 %
Downlink: 99.9 % (ca. 1 Std. Ausfall pro Jahr )
60cm = 0.22 dB
75cm = 2.10 dB
9.16 dB
7.30 dB
Ausleuchtzonen:
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
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, Polarisation, Symbolrate, FEC).
Achtung: Im Unterschied zu allen anderen ASTRA-Digitalsatelliten ist die Symbol
Rate und die FEC bei ASTRA 1L unterschiedlich (22.000 MSym/Sek)
Bei den meisten Empfängern werden aber alle Kanäle vor allem im ASTRASystem mit Suchlauf automatisch gespeichert (NIT-Network Information
Table).
22 kHz abgeschaltet.
Komponenten nicht für den Frequenzbereich ausgelegt (altes LNC, Kabel, MultiSwitch).
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.
Falls die Sat-Anlage über längere Zeit nicht in Betrieb war (Urlaub,
Wochenendhauusw.) 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
DVB-S
DVB-C
Terrestrische Übertragung (terrestrial)
Satellitenübertragung (satellite)
Kabelübertragung (cabel)
Neue Übertragungsnormen
DVB-H
DVB-S2
DVB-SH
DVB-T2, C2
TV über portables Gerät (handheld)
neue Übertragungsnorm (Satellite 2.Generation)
Handybetrieb über Satellit und terrestrisch
Second Generation von DVB-T und DVB-C
Abkürzungen
DAB
Digital Audio Broadcasting (auch DIGITAL RADIO genannt)
COFDM
Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing (Mehrträgerverfahren)
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
Gebundene Ausgabe: 697 Seiten
Verlag: Springer, Berlin; Auflage: 2. Aufl. (12. Januar 2009)
Sprache: Deutsch
ISBN-10: 3540881875
ISBN-13: 978-3540881872