Geostationäre Fernseh- und Nachrichtensatelliten Rundfunkdirektempfang

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1 Referat von O. Jandousek und J. Bartsch Geostationäre Fernseh- und Nachrichtensatelliten Rundfunkdirektempfang Satellitenkommunikation Historisches: 4.Oktober 1957: Der erste künstliche Satellit, der russische Sputnik, beginnt die Erde zu umkreisen. Die ersten Satelliten, die von Russen und Amerikanern in erdnahe Umlaufbahnen gebracht wurden, waren Produkte ehrgeiziger, nationaler Prestigeobjekte mit ausgeprägtem politischen Hintergrund. Auswirkungen des Wettlaufs beider Nationen: - Innerhalb weniger Jahre konnten mehrstufige Trägerraketen entwickelt werden, die in der Lage waren, Nutzlasten mit einem Gewicht von mehr als 1000 kg in Umlaufbahnen zu befördern. - Es war zum ersten Mal möglich, auch Satelliten als Relaisstationen für den interkontinentalen Nachrichtenverkehr auf geostationären Bahnen zu positionieren. - Mit Satelliten in hohen Umlaufbahnen kann eine Funkabdeckung erreicht werden, wie sie mit erdgebundenen Systemen, unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Erfordernisse, nicht möglich ist. Negative Auswirkungen: - akuter Platzmangel an einigen Stellen auf der geostationären Umlaufbahn - verfügbare Frequenzressourcen wurden immer geringer Abhilfe: Datenkompressions- und Modulationsverfahren Aufgrund des weltweit rasant angestiegenen Bedarfs an Infrastruktur zur Nachrichtenübermittlung und Informationsverarbeitung trat nun eine zivile Komponente mit wirtschaftlichem Hintergrund hinzu. Von allgemeinem Interesse: Direktempfang von Rundfunkprogramme

2 Technische und physikalische Grundlagen: Für Kommunikationssatelliten: 3 Umlaufbahnen (Orbits) möglich 1) Umlaufbahn über dem Äquator (z.b. geostationär) 2) Umlaufbahn über die Pole 3) Umlaufbahnen mit unterschiedlichen Neigungswinkeln zur Äquatorebene (vgl. GPS, Galileo) Satelliten-Umlaufbahnen Nur auf der geostationären Bahn sind die Satelliten 24 Stunden sichtbar! Geostationäre Bahn: - Umlaufbahn parallel zum Erdäquator; Entfernung: km - Umlaufzeit bei v = 3.06 km/s: 23h 56min 4s (= Erdrotation) - Satellit bewegt sich synchron zur Erde Satelliten für direkten Empfang von Fernsehprogrammen (z.b. Astra-, Eutelsat oder Kopernikus) bedecken so 24h lang immer die gleiche Fläche der Erde. Empfangsantennen für Direktempfang können auf einen Satelliten ausgerichtet und fixiert werden (Kostenfaktor!).

3 Was hält einen Satelliten auf seiner Bahn? Forderung: Gleichgewicht zwischen - Fliehkraft - Erdanziehungskraft Anderenfalls: Verlust des Satelliten Deshalb: Für jede Bahnhöhe bestimmte Umlaufgeschwindigkeit erforderlich! Tabelle: Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Bahnhöhe für Gleichgewicht

4 Ein Satellit auf dem Weg ins All... Startverfahren für geostationäre Satelliten Voraussetzung zum Parken eines Nachrichtensatelliten auf einer geostationären Bahn: - hoher Energiebedarf für den Start (leistungsstarke Raketen) Hoher Kostenfaktor! Weniger Aufwand: niedrig fliegende Satelliten. Vorteile: - kleinere Entfernung = kleinere Satelliten - leistungsschwächere Sender - geringerer Stromverbrauch - kleinere Stromversorgung - weniger leistungsfähige Raketen für den Start - Start von mehreren Satelliten auf einmal

5 Funkbedeckung der Erdoberfläche Funkbedeckung der Erdoberfläche mit geostationären Satelliten Voraussetzung für Funkverbindung von und zu einem Nachrichtensatelliten: - Sichtverbindung Probleme bei der Bedeckung von Zonen in hohen Breitengraden: - Satelliten stehen dort nur ganz niedrig über dem Horizont - Sie werden von Hindernissen in der optischen Achse (Gebäude, Wald, Hügel und Berge) leicht verdeckt - In Polargegenden: kein Empfang mehr möglich Elektromagnetische Wellen sind durch längeren Weg stark gedämpft! Abhilfe: Parabolantennen mit größerem Durchmesser und damit höherem Antennengewinn

6 Faktoren für die Wahl der Frequenzen bei Satellitenverbindungen - Je höher die Frequenz, desto höher das Eigenrauschen des Empfängers Ein schwaches Signal vom Satelliten kann vom Eigenrauschen des Empfängers überdeckt werden. Abhilfe: Sendeleistung vom Satelliten bzw. Gewinn der Antenne erhöhen - Frequenzabhängigkeit des Antennenöffnungswinkels: Öffnungswinkel? = 70*? d - Frequenz/Antennendurchmesser wachsen Öffnungswinkel wird kleiner

7 Abb. 1: Frequenzzuteilung für mobile und feste Satellitenfunkdienste Frequenzabhängigkeit des Öffnungswinkels einer Parabolantenne mit 90cm Durchmesser: - Mobile Anwendungen GHz 14 - Fernsehen Direktempfang GHz < 2 genaue Ausrichtung auf Satellit notwendig! Mobile Geräte nur im Bereich von GHz mit omnidirektionalen Antennen (Rundumstrahler) Fernsehen Direktempfang Satellitenübertragung: 2 Segmente: Satellit <-> Bodenstation Bodenstation: Systemintelligenz ( Überwachung und Steuerbefehle)

8 Satellit: Repeater-Station (Demodulation, Regeneration, Zurücksenden zur Erde) Abb. 2: Blockschaltbild eines Satellitentransponders Transponder Fernseh- / Audiosignale von mehreren Bodenstationen -> Multiplexer (in die einzelnen Kanäle trennen) -> Demodulation -> Regeneration -> Zurücksenden Zur Erde gesendetes Signal Frequenzbandbreite: 36 MHz 1 Fernsehkanal (Video + Audio) 8 Tonkanäle Frequenzmodulation geringere Sendeleistung als bei AM nötig d.h. Sendeleistung wird durch Bandbreite ersetzt Störunempfindlichkeit Sendeleistung: W

9 Abb. 3: Footprint eines Satellitenbeams Signaldämpfung über die Sendestrecke: > 206 db kleiner geographischer Bereich (Footprint) wird vom Beam überdeckt geringe, aber verwertbare Leistungsflussdichte liegt im Bereich von wenigen pw/m² Einsatz von Parabolantennen zwingend erforderlich Zusatzbemerkung: Sendeleistung nimmt mit zunehmendem Abstand vom Zentrum ab größerer Geräteaufwand schlechteres Signal-/Rauschverhältnis

10 Abb. 4: Offset-Parabolantenne Parabolantenne Typischer Antennengewinn: 30 db Aufbau: Reflektor, Feedstange, Speisesystem (LNC/LNB) Da sehr kleine Leistungsflussdichte Signalverstärkung in der Antenne erforderlich und Umsetzung auf eine Zwischenfrequenz: SHF ( GHz) -> SHF( GHz) geringere Verluste in der Koaxialleitung vom LNC/LNB zum Receiver Aufgabe für LNC/LNB LNC -> Low Noise Converter LNB -> Low Noise Blockconverter dieser sehr breitbandig, um ein ganzes Satellitenband umzusetzen Aufbau: Hohlleiter als dielektrische Linse oder Rillenhorn aus PE / PTFE Mechanische Präzision -> Nebenkeulenunterdrückung (Spiegelfrequenzen) Zusatzinfo: Nebenkeulen (Spiegelfrequenzen) erzeugen Rauschen -> Maß für die Qualität der Empfangsanlage

11 Abb. 4: Blockschaltbild einer LNB/LNC Baugruppe Primärumsetzer Spiegelfrequenzfilter Mischer Ausgangsverstärker -> Verstärkung des Satellitensignals (sehr rauscharm) -> in Streifenleitertechnik zur Unterdrückung der Nebenkeulen (Spiegelfrequenzen) -> Frequenzumsetzung in die Zwischenfrequenz -> Sendeendstufe zum Receiver Andere Antennenart: Planarantenne Abb. 5: Aufbau einer Flachantenne mit Einzeldipolen und Speiseleitungssystem

12 Streifenleitertechnik Streifenförmige Leiter auf Dielektrikum mit grossflächigem Rückleite, der auch als Reflektor dient Halbwellendipole 12GHz = 12.5mm Antennegewinn 30 db bei einer Grösse von 40 x 40 cm mit 512 Dipolen Langes Speiseleitersystem ->Verluste Vergrößert man die Antennenfläche für größeren Gewinn, nehmen die Verluste überproportional zu! Gewinn auf db begrenzt (Gleichbedeutend mit 30 cm Parabolantenne) Nur zum Empfang leistungsstarker Satelliten (High Power Satellites) Kompromisslösung Ausblick Verlagerung von mehr Intelligenz in das Raumsegment Satelliten übernehmen auch Vermittlungsaufgaben (Kommunikation) Querverbindung zwischen den Satelliten In Zukunft werden die terrestrischen Mobilfunknetze auch durch ein fliegendes Satellitennetz ergänzt Bei Produktentwicklung -> Kosten -> Wie Iridium-Netz