Geostationäre Fernseh- und Nachrichtensatelliten

Referat von O. Jandousek und J. Bartsch
Geostationäre Fernseh- und Nachrichtensatelliten
è 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
è Abhilfe: Datenkompressions- und Modulationsverfahren
è 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
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: 35730 km
- Umlaufzeit bei v = 3.06 km/s: 23h 56min 4s (= Erdrotation)
- Satellit bewegt sich synchron zur Erde
è Satelliten für direkten Empfang von Fernsehprogrammen
(z.B. Astra-, Eutelsat oder Kopernikus) bedecken so 24h lang immer
die gleiche Fläche der Erde.
è Empfangsantennen für Direktempfang können auf einen Satelliten
ausgerichtet und fixiert werden (Kostenfaktor!).
Was hält einen Satelliten auf seiner Bahn?
Forderung:
Gleichgewicht zwischen
- Fliehkraft
- Erdanziehungskraft
Anderenfalls: Verlust des Satelliten
è Deshalb: Für jede Bahnhöhe bestimmte Umlaufgeschwindigkeit
erforderlich!
Tabelle: Abhängigkeit der Geschwindigkeit von der Bahnhöhe für Gleichgewicht
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)
è Hoher Kostenfaktor!
Weniger Aufwand: niedrig fliegende Satelliten.
Vorteile:
- kleinere Entfernung = kleinere Satelliten
à - leistungsschwächere Sender
- geringerer Stromverbrauch
- kleinere Stromversorgung
- weniger leistungsfähige Raketen für den Start
- Start von mehreren Satelliten auf einmal
Funkbedeckung der Erdoberfläche
Funkbedeckung der Erdoberfläche mit geostationären Satelliten
Voraussetzung für Funkverbindung von und zu einem Nachrichtensatelliten:
- Sichtverbindung
à 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
à Elektromagnetische Wellen sind durch längeren Weg stark gedämpft!
Abhilfe: Parabolantennen mit größerem Durchmesser und damit höherem
Antennengewinn
Faktoren für die Wahl der Frequenzen bei
Satellitenverbindungen
- Je höher die Frequenz, desto höher das Eigenrauschen des Empfängers
à 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 à Öffnungswinkel wird kleiner
Abb. 1: Frequenzzuteilung für mobile und feste Satellitenfunkdienste
Frequenzabhängigkeit des Öffnungswinkels einer Parabolantenne mit 90cm
Durchmesser:
- Mobile Anwendungen
- Fernsehen Direktempfang
1.5 – 1.6 GHz
10.7 – 12.5 GHz
14°
< 2°
è genaue Ausrichtung auf Satellit notwendig!
è Mobile Geräte nur im Bereich von 1.5 – 1-6 GHz mit omnidirektionalen
Antennen (Rundumstrahler)
Fernsehen Direktempfang
Satellitenübertragung: 2 Segmente: Satellit <-> Bodenstation
Bodenstation: Systemintelligenz ( Überwachung und Steuerbefehle)
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
è 1 Fernsehkanal (Video + Audio)
è 8 Tonkanäle
Frequenzmodulation
è geringere Sendeleistung als bei AM nötig
è d.h. Sendeleistung wird durch Bandbreite ersetzt
è Störunempfindlichkeit
Sendeleistung: 50 – 300W
Abb. 3: Footprint eines Satellitenbeams
Signaldämpfung über die Sendestrecke: > 206 dB
è kleiner geographischer Bereich (Footprint) wird vom Beam überdeckt
è geringe, aber verwertbare Leistungsflussdichte liegt im Bereich von wenigen
pW/m²
è Einsatz von Parabolantennen zwingend erforderlich
Zusatzbemerkung: Sendeleistung nimmt mit zunehmendem Abstand vom
Zentrum ab
è größerer Geräteaufwand
è schlechteres Signal-/Rauschverhältnis
Abb. 4: Offset-Parabolantenne
Parabolantenne
Typischer Antennengewinn: 30 dB
Aufbau: Reflektor, Feedstange, Speisesystem (LNC/LNB)
Da sehr kleine Leistungsflussdichte
è Signalverstärkung in der Antenne erforderlich und Umsetzung auf eine
Zwischenfrequenz:
SHF (10.7 – 12.5 GHz) -> SHF(0.95 – 2.05 GHz)
è geringere Verluste in der Koaxialleitung vom LNC/LNB zum Receiver
Aufgabe für LNC/LNB
LNC -> Low Noise Converter
LNB -> Low Noise Blockconverter
è 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
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
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
è Vergrößert man die Antennenfläche für größeren Gewinn, nehmen die
Verluste überproportional zu!
è Gewinn auf 30 – 34 dB begrenzt (Gleichbedeutend mit 30 cm
Parabolantenne)
è Nur zum Empfang leistungsstarker Satelliten (High Power Satellites)
è Kompromisslösung
Ausblick
Verlagerung von mehr Intelligenz in das Raumsegment
è Satelliten übernehmen auch Vermittlungsaufgaben (Kommunikation)
è Querverbindung zwischen den Satelliten
è In Zukunft werden die terrestrischen Mobilfunknetze auch durch ein
„fliegendes“ Satellitennetz ergänzt
è Bei Produktentwicklung -> Kosten -> Wie Iridium-Netz