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Satellitenübertragung - So funktionierts

Vorwort:

Die Grundlagen für den Satellitenempfang beschreiben oftmals nur wie die digitalen Inhalte (TV, Daten, etc.) empfangen werden können, jedoch nicht, wie sie zu uns gelangen. Mit diesem Artikel wird der technische Hintergrund der Satellitenübertragung/-kommunikation erläutert. Es ergeben sich folgende Gliederungspunkte:



Satelliten, die Empfänger und Sender multimedialer Inhalte:

Seit im Jahre 1957 der erste Satellit namens Sputnik1 auf einer erdnahen Laufbahn um die Erde kreiste und lediglich ein "Piepsen" sendete, hat sich vieles weiterentwickelt. Heute umkreisen die Erde so viele aktive und defekte Satelliten wie noch nie, wobei sie unter Berücksichtigung des Aufenthaltsorts in folgende Kategorien eingeteilt werden können:

  • Low - Earth - Orbit - Satellit, LEO(Entfernung von der Erde ca. 500 bis 2.000 km)
  • Medium - Earth - Orbit - Satellit, MEO (Entfernung von der Erde bis zu 20.000 km)
  • Highly - Elliptical - Orbit - Satellit, HEL(Entfernung variiert je nach Laufbahn)
  • Geostationärer Satellit, GEO (Entfernung von der Erde ca. 36.000 km)
Satelliten Positionen
Satelliten Positionen


Satelliten können nicht nur anhand des Aufenthaltsorts, sondern wie folgt auch nach ihrem Verwendungszweck gruppiert werden:

  • Nachrichten- und Kommunikationssatelliten
  • Militär- und Spionagesatelliten
  • Astrometrie- und Forschungssatelliten
  • "Multimedia" - Satelliten für TV, Radio und Datendienste
Der größte Teil der Menschen, der auf die Informations- bzw. Datenübertragung mittels Satelliten zurückgreift, richtet die Empfangsantenne, welche normalerweise eine Offset-Satellitenschüssel darstellt, auf einen geostationären "Multimedia" - Satelliten aus.


Geostationäre Satelliten:

Satelliten, die immer das gleiche Gebiet auf der Erde ausleuchten, werden geostationäre Satelliten genannt. Durch diesen Umstand entfällt für den Empfänger das Neuausrichten oder Anpassen der Empfangsantenne an den sich ständig ändernden Standort des Satelliten. Ebenfalls droht durch die geostationäre Lage im Gegensatz zu einem Satelliten vom Typ LEO oder MEO kein Empfangsabbruch, da der GEO - Satellit für den Empfänger immer "sichtbar" bleibt.
Bedingt durch die Eigenrotation der Erde muss ein geostationärer Satellit eine Bahngeschwindigkeit aufweisen, die genau einer Erdumrundung in 24h entspricht. Da wiederum die Bahngeschwindigkeit von der Entfernung des Satelliten zur Erde abhängt, muss ein Satellit nach der Abkopplung der Trägerrakete von dem elliptischen "injection orbit" auf eine Umlaufbahn in ca. 36.000 km Entfernung zum Äquator positioniert werden. Die folgende Abbildung soll zur Verdeutlichung des Vorganges beitragen.
Satelliten Positionierung

Positionierung eines Satelliten im geostationären Orbit


Wurde die Positionierung des Satelliten abgeschlossen, so beginnt augenblicklich die Inbetriebnahme. Nach einigen Tests werden die Antennen des Satelliten so ausgerichtet, dass das ausgeleuchtete Gebiet auf der Erde dem Verwendungszweck bzw. dem Zielgebiet entspricht, in dem die Dienste des Satelliten empfangen werden sollen.

Neben dem Äquator (0.ter Breitengrad) wird zur Satellitenpositionierung ein weiterer Bezugspunkt benötigt, nämlich der 0.te Längengrad. Da alle geostationären Satelliten in Höhe des Äquators angeordnet sind, reicht somit die Angabe der Abweichung (in Grad) vom 0.ten Längengrad entlang des Äquators als Orbital-Position des Satelliten aus. Als Beispiel wurde in der Abbildung die Position von Astra 1F eingezeichnet, wobei ein Dreieck durch die Punkte 0°, Erdmittelpunkt und Astra (grüner Punkt) einen Winkel von 19,2 Grad in östlicher Richtung aufspannt wird.
Orbitangabe von Satelliten

Orbitalangabe anhand des Längengrads


Die Angabe von 19,2° Ost bezieht sich also auf die Position des Satelliten im All. Die für das Ausrichten einer Satellitenschüssel benötigten Daten ergeben sich jedoch aus dem Standort des Empfängers und der Position des Satelliten.


Copositionierung von geostationären Satelliten:

Werden die freien Ressourcen (Transponder) eines Satelliten durch große Nachfrage geringer, so müsste unter Berücksichtigung der bisherigen Kenntnisse der Satellitenbetreiber dem Kunden auf einen anderen Satelliten und somit auf eine andere Orbital-Position verweisen. Jedoch könnte es durchaus vorkommen, dass ein Satellit auf einer anderen Orbital-Position eine nicht zufriedenstellende Ausleuchtzone besitzt oder der geplante Dienst unbedingt auf einer bestimmten Orbital-Position erreichbar sein soll. Um solche Situationen zu vermeiden und die Erreichbarkeit der verschiedenen Dienste auch im Fehlerfall zu garantieren, müssen immer freie Ressourcen vorhanden sein. Ein Satellit besitzt aber nur eine endliche Zahl an Transpondern und Sendeleistung. Somit kann ein einziger Satellit auf einer begehrten Orbital-Position diese Forderungen nicht erfüllen. Die Lösung des Problems liegt für den Satellitenbetreiber in der Copositionierung ihrer Satelliten. Dabei werden mehrere Satelliten dicht beieinander im Weltraum positioniert.

Ein Beispiel dafür ist die Position 19,2° Ost, auf der SES-Astra eine ganze Flotte von Satelliten untergebracht hat. Die nachfolgende Abbildung zeigt die Copositionierung von vier Satelliten, wobei der graue Quader die erlaubten Abweichungen (ca. 150 km Kantenlänge) von der genauen Orbital-Position darstellt.

Copositionierung von Satelliten
v.l.n.r.: einzelner Satellit auf Umlaufbahn, Orbital-Position mit einem Satellit, Orbital-Position mit copositionierten Satelliten


Ein Vorteil dieser Anordnung von Satelliten besteht darin, dass mit einer fest ausgerichteten Empfangsantenne Dienste von unterschiedlichen Satelliten genutzt werden können.


Informationsübertragung bei geostationären Satelliten:

Um die Übertragung von digitalen TV-Inhalten mittels Satelliten durchzuführen, müssen als erstes die Satelliten im Orbit mit den zu sendenden Informationen versorgt werden. Diese Aufgabe wird von Uplink-Stationen und TV-Anstalten auf der Erde übernommen. Diese Senden die Inhalte "ins All" und die Satelliten strahlen diese dann direkt wieder aus.

Damit es bei der Übertragung zum Satelliten und der anschließenden Ausstrahlung (Downlink) nicht zu Interferenzen kommt, wird der Uplink zum Satelliten in einem anderen Frequenzband vorgenommen. Dieser liegt im Bereich von 12,75 bis 14,5 GHz. Der Downlink hingegen wird in dem bekannten Frequenzbereich von 10,7 bis 12,5 GHz durchgeführt. Damit ist zu erkennen, dass die Satelliten nicht nur Empfangen, Verstärken und Senden, sondern das Signal in einen anderen Frequenzbereich umsetzen müssen.

Die folgende Abbildung zeigt den Vorgang einer Signalübertragung von einem TV-Studio zu der Sirius Uplink Station, welche die empfangenen Daten aufbereitet (Signal und TS-Aufbereitung, Frequenzumsetzung, ...) und in den Uplink für die Aussendung zum Endverbraucher einspeist.

Informationsuebertragung mittles Satelliten

Informationsübertragung mittels Satelliten


Sowohl das ausgeleuchtete Gebiet auf der Erdoberfläche als auch die an dem jeweiligen Ort empfangene Signalstärke sind von folgenden Parametern abhängig, die Einfluss auf die Übertragung haben:
  • Übertragungsparameter - nicht beeinflussbar vom Empfänger
    • Dämpfung und Rauschen im Uplink-Kanal
    • Dämpfung und Rauschen des Systems (Satellit)
    • Ausrichtung der Sendeantennen (Satellit)
    • ausgestrahlte Signalleistung (Satellit)
  • Empfangsparameter - vom Empfänger beeinflussbar
    • Ausrichtung der Empfangsantenne
    • Größe der Empfangsantenne
    • Qualität des Empfangssystems
  • weitere nicht beeinflussbare Parameter
    • Dämpfung durch den Aufbau und die Dynamik der Atmosphäre
    • Einflussnahme durch künstliche Strahlungsquellen

Satelliten und ihre "Fußspuren" auf der Erde

Das Gebiet, das ein Satellit bedingt durch seine Orbital-Position und die Ausrichtung der Sendeantennen ausleuchten kann, wird Footprint oder auch Beam genannt. Diese Angaben werden von den Satellitenbetreibern zur Verfügung gestellt. Anhand dieser Footprints kann neben den ausgeleuchteten Gebieten die theoretisch ausgestrahlte Signalstärke (dBW) bestimmt werden. Die nachfolgende Abbildung zeigt den WideBeam des Satelliten Hotbird 2 auf 13° Ost auf Europa.

Footprint von Hotbird 2

Footprint von Hotbird 2 (13°)


Weiterhin können die Footprints je nach Satellitenbetreiber weitere Angaben über das ausgeleuchtete Gebiet enthalten. Die in dem WideBeam von Hotbird 2 enthaltenen Zahlen (20,15,10...) entlang der Linien geben Aufschluss über den Elevationswinkel. Der Elevationswinkel oder auch Höhenwinkel genannt, ist eine wichtige Größe beim Einrichten der Empfangsanlage. Er gibt an, in welchem vertikalen Winkel die Satellitenschüssel von der senkrechten Befestigung zu positionieren ist.


Einige Satelliten haben neben den Antennen, die den Global- oder MainBeam erzeugen, weitere Antennen für so genannte Steerable-, Spot-, Zone- oder ReginalBeams, welche eine Ausleuchtung zusätzlicher Gebiete ermöglicht.

Als Beispiel kann aus der EutelSat-Flotte der Atlantic Bird 2 herangezogen werden. Dieser Satellit besitzt zwei MainBeams, die Europa und Südamerika zu großen Teilen ausleuchten. Neben den Hauptantennen wurde eine Steerable-Antenne verbaut, so dass zusätzlich zu Europa und Nordamerika noch der mittlere Osten mit Dienstleistungen per Satellitenübertragung versorgt werden kann. Die folgenden Abbildungen zeigen die durch die Antennenausrichtung entstandenen Footprints auf der Erde.


Footprint von Hotbird 2

Footprints von Atlantic Bird 2 (8°)


Auch bei der Copositionierung von Satelliten besteht die Möglichkeit von einer Orbital-Position aus verschiedene Regionen der Erde zu erreichen. Als Beispiel kann die Astra-Flotte auf 28,2 Ost genannt werden. Während die Satelliten Astra 2A und Astra 2B den Großteil Europas bedecken, ist Astra 2D "nur" auf Irland und UK gerichtet und sendet somit regionsbedingte Inhalte.

Der Grund warum die Footprints in der Regel keine gleichmäßigen Formen wie Kreise oder Rechtecke besitzen liegt, hauptsächlich in der Orbital-Lage des Satelliten, sowie der Ausrichtung und Form der Antennen. Weitere Faktoren die Auswirkungen auf die Form Footprints haben, sind unter anderem Dämpfung, Brechung und Spieglung der Signale.

Die Signalstärke, was kommt auf der Erde an?

Der Beam von Atlantic Bird 2 auf 8° West zeigt, dass in Europa grundsätzlich ein Empfang des erwähnten Satelliten möglich ist. In diesem Abschnitt soll die Frage nach der Stärke des ausgesendeten und empfangbaren Signals geklärt werden. Wie schon erwähnt, können aus vielen Footprints der Satellitenbetreiber Angaben über eine Signalleistung entnommen werden. Diese Werte in dBW beziehen sich meist auf den Equivalent Isotropic Radiated Power, kurz EIRP.

Der EIRP (Äquivalente isotrope Abstrahlleistung) gibt an, mit welcher Leistung ein Isotropstrahler (Kugelstrahler) gespeist werden müsste, um die gleiche Feldstärke zu erzeugen wie eine gerichtete Antenne in ihrer Hauptsenderichtung.

Mathematische Definition des EIRP:
Formel EIRP

mit P_t - Sendeleistung, G - Antennengewinn und P_v - Verluste im System


Anhand der Definition des EIRP kann jetzt die Leistung des Signals, welches von Atlantic Bird 2 im Zentrum seiner gerichteten Antenne (EuropeBeam) ausstrahlt wird, mit Hilfe des Leistungspegels berechnet werden.

Formel Leistungspegel


somit ergibt sich:

Berechnung EIRP


Natürlich muss der Satellit nicht wirklich eine Leistung von 251,2 kW zum Senden aufbringen. Vielmehr liegt, laut Angaben der Satellitenbetreiber, die aufgebrachte Leistung im Bereich von ca. 50 bis 100 Watt (inkl. Verlust) pro Kanal. Den Satelliten wäre es auch nicht möglich eine solche Leistung für die Übertragung aufzubringen, da diesen lediglich eine Gesamtleistung von ca. 2000 bis 7000 Watt für alle Systeme zur Verfügung steht. Um auf die Definition des EIRP zurückzukommen, so müsste ein Kugelstrahler die errechnete Leistung von 251,2 kW aufbringen, damit der Leistungspegel 54 dBW entspricht. Jedoch werden bei der Satellitenübertragung hoch effektive Richtungsantennen eingesetzt, so dass durch den hohen Antennengewinn von bis zu 50 dB und mehr die aufzubringende Leistung sehr stark reduziert werden kann.
Beim Anblick der Footprints könnte man denken, dass die angegebenen 54 dBW gleichzeitig dem empfangbaren Level auf der Erde entspricht. Dem ist aber nicht so. Das auf der Erde eintreffende Signal wird auf dem Weg vom Satelliten zum Erdboden mehrfach gedämpft. Die größte Dämpfung erfährt das Signal durch die sogenannte Freiraumdämpfung.

Die Freiraumdämpfung (FreeSpaceLoss) gibt an, in welchem Maß sich der Leistungspegel einer elektromagnetischen Welle bei der Ausbreitung vom Sender zum Empfänger verringert.

Mathematische Definition des FSL:

Formel FSL

r - Radius (Entfernung von Satelliten), Λ - Wellenlänge des Signals


Mit Hilfe der Formel zur Berechnung der Wellenlänge (Lambda = c / f) ergibt sich:

Umformung der FSL-Formel


vereinfachte Größengleichung:

vereinfachte Formel FSL


Wie in der Gleichung gut zu erkennen ist, verhält sich die Dämpfung sowohl zum Radius r als auch zur Frequenz f proportional. Der Abstand, in dem der Satellit seine geostationäre Umlaufbahn hält, ist an dem jeweiligen Empfangsort konstant. Die Frequenz des Trägersignals kann jedoch im Bereich von 10,7 GHz bis 12,75 GHz (Ku-Band) liegen, was eine Bandbreite von ca. 2,05 GHz entspricht und somit minimale Abweichungen der Dämpfung mit sich bringt.
(Für die Berechnung wurde der Standort Thüringen mit einem Abstand von ca. 38.700 km zu Atlantic Bird 2 gewählt.)

Berechnung FSL


Die Berechnung wurde für die Frequenz von 11,7 GHz vorgenommen, wobei die berechnete FSL-Dämpfung um ca. 0,8 dB bei einer um 1 GHz erhöhten/verringerten Frequenz ansteigt/fällt. Ein Vergleich zu Hellas Sat 2 auf 39° Ost (Entfernung 38.980 km) mit einer FSL-Dämpfung von 205,58 dB bei einer Frequenz von 11,7 GHz zeigt, dass die minimalen Abstandsänderungen von einem festen Standort zu den unterschiedlichen Orbital-Positionen ebenfalls kaum Auswirkungen zeigen.
Weitere Dämpfungen, die zum Beispiel durch das Wetter (Regen, Schnee oder bedeckter Himmel) auf das einfallende Signal wirken, können im Bereich von ca. 1 bis 10 dB liegen. Im Allgemeinen werden für die Berechnungen 1 bis 3 dB berücksichtigt und fallen somit stärker ins Gewicht. Resultierend aus den Berechnungen und der Annahme von "Londoner Wetter" ergibt sich eine Gesamtdämpfung von ca. 207,5 dB.

Der Signalpegel, der sich bei dem Empfänger einstellt, ist natürlich genauso abhängig von dem Antennengewinn wie der Sendepegel des Satelliten. Folgend sind recht typische Werte für den Antennengewinn von Parabolantennen bzw. Satellitenschüssel aufgelistet:
  • 120 cm Durchmesser - Antennengewinn ca. 37 bis 41dB
  • 85 cm Durchmesser - Antennengewinn ca. 27 bis 39 dB
  • 65 cm Durchmesser - Antennengewinn ca. 25 bis 36 dB

Der empfangene Leistungspegel (P_r) am LNB ergibt sich aus der abgestrahlten Leistung, dem Antennengewinn des Empfängers (G_r) und den Dämpfungsverlusten (D).

Formel Leistungspegel (Empfaenger)


Für die Beispielrechnung ergibt sich bei Auswahl einer 85 cm großen Satellitenschüssel folgender Sachverhalt:

Leistungspegel mit Antennengewinn der Satelitenschüssel:

Berechnung Leistungspegel (Empfaenger)


die entsprechende Leistung beträgt:

Berechnung Leistung (Empfaenger)


Es liegt somit ein Leistungspegel von -115 dBW bzw. eine Leistung von ca. 2,82 pW am LNB der Satellitenschüssel an. Das LNB hat neben der Umsetzung des Frequenzbereiches von 10,7 bis 12,75 GHz auf 950 MHz bis 2,1 GHz die Aufgabe, dass empfangene Signal zu verstärken. Typische Werte liegen hierbei im Bereich von ca. 50 bis 65 dB bei einem Eigenrauschen von ca. 0,3 bis 0,7 dB. Abschließend kann jetzt die Signalleistung für den hinter dem LNB angeschlossenen Empfänger (z.B. Multiswitch, Receiver, DVB-Karte) berechnet werden. Da die Angaben zum Signalpegel in der Satellitenverteilertechnik meist in dBµV angegeben sind, wird das Endergebnis der Berechnung ebenfalls in dieser Einheit angegeben.

Verstärkung durch das LNB (mit 60 dB):

Berechnung Leistungspegel + LNB (Empfaenger)
mit P_rv - Signalpegel mit LNB-Verstärkung, V_lnb - Verstärkung des LNB


dies entspricht einer Signalleistung von:

Berechnung Leistung + LNB (Empfaenger)


In der Verteilungstechnik von Antennensignalen werden im Heimbereich meist Kabel mit einem Wellenwiderstand von 75 Ohm eingesetzt. Über die folgenden Gleichungen kann die Signalstärke in den typischen Wert, welcher auf den Geräten zum Satellitenempfang angegeben ist, umgerechnet werden. Eventuelle Verluste durch Fehlanpassungen bei den Leitungsübergängen bzw. durch schlechte Widerstandanpassungen werden in der Berechnung nicht berücksichtigt.

Mathematische Definition des Spannungspegels:

Formel Spannnungspegel


Berechnung der Spannung:

Formel fuer Spannnungsberechnung


womit sich die folgende Spannung ergibt:

Formel fuer Spannnungsberechnung


der Spannungspegel beträgt somit:

Formel Spannnungspegel


Es liegt für das hier aufgezeigte Beispiel am LNB-RF-Out unter der Berücksichtigung aller Parameter ein Spannungspegel von ca. 83 dBµV an. Dieser Pegel kann je nach Wetterlage, Aufbau der Satellitenanlage beim Empfänger um einige dB schwanken, so dass für den Spannungspegel des empfangenen Signals durchaus auch Werte von 40 bis 95 dBµV entstehen können.

Als letzte Dämpfungsart müsste der Empfänger noch die leitungsgebundene Dämpfung der Satkabel und Satdosen berücksichtigen, um die Höhe des Signalpegels am Receiver oder Multiswitch zu berechnen. Die Höhe der Dämpfung des Kabels ist abhängig von dem jeweils verwendeten Kabel und dessen Eigenschaften. Jedoch gilt bei allen Koaxialkabeln, dass hohe Frequenzen (> 850 MHz) eine wesentliche größere Dämpfung (bis zu 30 dB/100 m) erfahren als die niederfrequenten Signal des Kabelfernsehens. So kann es bei einer schlecht ausgerichteten Satellitenanlage dazu kommen, dass die Kanäle im unteren Bereich des Übertragungsbandes (950 bis 1500 MHz) empfangen werden, jedoch Kanäle oberhalb von 1500 MHz nicht mehr empfangen werden können.
In diesem Fall sollte der Anwender zum Beispiel die Satellitenanlage auf ihre Ausrichtung und sämtliche Kabel und F-Stecker auf korrekte Verbindung prüfen.

Bei Empfangsproblemen mit ihrer Sat-Anlage können Sie sich Tipps und Hilfestellungen in unserem Forum gegeben lassen.


Quellen, auf die bei der Ausarbeitung zurückgegriffen wurden:


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