Satellitenübertragung

Funktionsprinzip der Satellitenübertragung

Optimal positionierte Transponder stehen in großer Höhe. Die höchsten befinden sich auf Satelliten im Weltraum, die die Erde pro Tag genau einmal umkreisen und damit quasistationär auf über der Erde stehen. Die geostationäre Umlaufbahn ergibt sich bei einem Abstand von genau 35620 km zwischen Satellit und Erdoberfläche, optimale Positionen über dem Äquator sind allerdings nur beschränkt verfügbar (siehe Bild.1).

Bild.1

Anwendung von Satelliten

Satelliten wurden ursprünglich zur telekommunikativen Überbrückung größter (interkontinentaler) Strecken eingesetzt. 1964 gründeten elf Signatarstaaten die Intercontinental Telecommunication Satellite Organisation (INTELSAT). 1989 gab es bereits 117 Mitgliedsländer. Aufgabe von Intelsat ist es, für die Mitglieder Fernmeldeverbindungen für alle Dienste bereitzustellen, von Sprache über Daten bis Video, sowohl für weltweite interstaatliche Verbindungen als auch für die intrastaatliche Versorgung. Inzwischen gibt es mehr als 200 Erdstationen in den Mitgliedsstaaten, die über etwa 20 geostationäre Satelliten kommunizieren können. Das Gegenstück dazu ist, für den Mobilfunk, Inmarsat (international Maritime Satellite Organisation), 1980 gegründet. Diese Organisation ist für die Kommunikation zwischen Schiffen, Flugzeugen und mobilen Landstationen zuständig.

Mit wachsender Wirtschaftlichkeit der Satellitenkommunikation entstanden neben den globalen auch regionale und nationale Systeme. Ein Beispiel für die regionale Versorgung ist EUTELSAT (European Telecommunication Satellite Organisation). Die 26 in der CEPT (Conferece Europeane des Administrations des Postes et Telecommunications) zusammengeschlossenen europäischen Postverwaltungen haben diese Organisation 1977 ins Leben gerufen. Eutelsat betreibt das Satellitensystem ECS (European Communication Satellite) und verfügt derzeit über diverse Satelliten im Orbit. ECS soll einen großen Teil des innereuropäischen Fernmeldeverkehrs bei Entfernungen über 800 km übernehmen. Ferner stellt ECS Fernsehübertragungskanäle für Eurovisionssendungen bereit und verteilt Fernsehprogramme insbesondere an Kabelnetze. Spezielle Satellitentransponder sind für SMS-Dienste (Satellite Multiservice System) vorgesehen. SMS stellt digitale Verbindungen mit Bitraten zwischen 64 kbit/s und 2 Mbit/s zur Verfügung, anwendbar im öffentlichen Netz oder in Privatnetzen für Verbindung von Rechnern untereinander, Audio- Videokonferenzen, schnelle Bildübertragung, Nachrichtenaustausch innerhalb von Grossbetrieben, Nachrichtenagenturen u.s.w.

Nationalen Satelliteneinsatz für ausgedehnte Länder gibt es schon seit langem. Zum Beispiel Russland 1965, Kanada 1972, USA 1974. Im Juni 1989 wurde der erste Deutsche Fernmeldesatellit (DFS) "Kopernikus" in den Orbit geschossen. Er verfügt über 11 Transponder mit je 90 bzw. 44 MHz Bandbreite und dient unter anderem der flächendeckenden digitalen Kommunikation im ISDN, der Bereitstellung digitaler Sprechkanäle zwischen der Erdstation Usingen und Westberlin sowie der Verteilung von (analogen) Fernsehprogrammen für Kabelfernsehsysteme und Heimantennen.

Speziell den Verteilern von Fernsehprogrammen für ‘Direktempfang’ dienen leistungsstarke nationale TV-SAT Systeme. Der Empfang erfolgt über Heimantennen mit ca. 0.6 m bis (für höhere Ansprüche) 1.8 m Durchmesser. In der WARC (World Administrative Radio Conference) in Genf 1977 wurden Satellitenpositionen und Frequenzbänder für diese Art von Satellitenfernsehen vereinbart. Die Kontinente Europa und Afrika wurden zur Region 1 zusammengefasst, nutzbar sind Frequenzbänder im Bereich 11.7 bis 12.5 GHz.

Der Abstand der Satelliten, die gleiche Kanäle belegen, muss mindestens 6 Längengrade betragen, damit keine Empfangsstörungen bei den auf eine bestimmte Position ausgerichteten Antennen auftreten.

Fernmelde- und Direktsatelliten

Man unterscheidet im Allgemeinen Fernmelde- und Direktsatelliten. Erstere sind für Punktuelle Weitverbindungen konzipiert und bestrahlen kleine Flächen mit relativ geringer Leistung. Mit aufwendigen Geräten werden die Signale empfangen und terrestrisch weiterverteilt. Derartige Satellitenkanäle werden unter anderem zur Programmzuspielung zwischen Sendeanstalten benutzt. Direktstrahlende Satelliten (DBS, Direct Broadcast Satellite) sind dagegen für die Distribution (Verteilung) und den Empfang mit einfachen Geräten bestimmt. Sie bestrahlen große Gebiete mit hoher Leistung.

Für Mitteleuropa zum Beispiel werden die für den Direktempfang wichtigsten Satelliten, Astra 1A bis 1E, von einer luxemburgischen Firma betrieben.

Auf jedem Astra Satelliten stehen bei einem Kanalraster von 27 MHz etwa 17 Kanäle zur Verfügung.

Nutzung der Transponder

Um mit einem Transponder möglichst viele Fernsehkanäle übertragen zu können, werden die einzelnen Trägerfrequenzen doppelt genutzt, indem man die Trägerwellen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen abstrahlt. Stehen die Polarisationsvektoren senkrecht aufeinander, also Horizontal/Vertikal beziehungsweise rechts- oder linkszirkular, so lassen sich die Kanäle eindeutig trennen (siehe Bild.3).

Bild.3

Leistung und Frequenzbereich

Die zu übertragenden Signale werden von der Erdfunkstelle mit relativ großer Leistung (ca. 500 Watt) und hoher Richtwirkung (Antennengewinn ca. 63 dB) zum Satellitentransponder gestrahlt, wobei der Frequenzbereich 13...19 GHz genutzt wird.

Direktstrahlende Satellitentransponder (also der Satellit selbst) strahlen das Signal mit einer geringen Sendeleistung von ca. 40 Watt (Medium Power) im Frequenzbereich 10.7...12.75 GHz wieder ab, die Energieversorgung geschieht mit Hilfe von Solarzellen. Das Signal wird Frequenzmoduliert (siehe Kapitel Frequenzmodulation) mit 8.5 MHz Hub und einer Gesamtbandbreite von 27 MHz pro Kanal abgestrahlt, es können auch Transponderkanäle mit höheren Bandbreiten (32...72 MHz) zur Verfügung gestellt werden. Aufgrund der hohen Bandbreite und der durch FM gegenüber der Amplitudenmodulation vergrößerten Störsicherheit kann die Sendeleistung der Transponder auf 1/10 der AM-Sendeleistung gesenkt werden.

Über die Sendeantennen auf den Satellit wird festgelegt, welche Bereiche auf der Erde in welcher Form bestrahlt werden. Durch die Antenne wird also der sogenannte Footprint bzw. die Ausleuchtzone des Satelliten bestimmt (siehe Bild.4)

Bild.4

Dämpfung durch die Erdatmosphäre

Obwohl die Sendefrequenz von ca. 12 GHz so gewählt wurde, dass die Dämpfung der Welle durch die Erdatmosphäre ein Minimum hat, muss bei Satellitenverbindungen mit einer Gesamtübertragungsdämpfung von mehr als 110 dB gerechnet werden. Die Empfangsstärke des Feldes auf der Erde ist dementsprechend gering, zum Ausgleich müssen die Empfänger mit hochwertigen Antennen ausgestattet sein. Um eine gute Signalqualität zu erzielen, muss (wie beim Richtfunk) eine quasi Sichtverbindung zum Satelliten bestehen. Eine Signaldämpfung durch Wände, Häuser usw. macht den Empfang unmöglich.

Art der Antennen

Für den Empfang werden Reflektorantennen verwendet, die nach dem Prinzip des Hohlspiegels arbeiten (Bild.5).

Bild.5

Im Brennpunkt des Hohlspiegels befindet sich die Antenne. Bei großen Spiegeldurchmessern ergibt sich eine hohe reflektierte Intensität und damit eine hohe Signalqualität. Moderne Direktempfangssatelliten (ASTRA) sind so konzipiert, dass bei mittleren Qualitätsansprüchen ein Empfangsspiegeldurchmesser von 60 cm ausreichend ist. Kleinere Spiegel sind natürlich handlicher als große und haben den Vorteil, dass sie nicht so genau auf den Satelliten ausgerichtet werden brauchen, da ihr Öffnungswinkel größer ist (vergleiche auch Kapitel ‘Kenngössen von Richtantennen’).

LNB und LNC

Direkt an der Empfangsantenne ist in der sogenannten Outdoor-Unit ein Low-Noise-Converter (LNC, LNB) angebracht. Mit Hilfe des LNB wird eine besonders Rauscharme Umsetzung des Signals in den UHF-Bereich (ca. 1 GHz) vorgenommen, da eine leitungsgebundene Übertragung das 12 GHz-Signal zu stark dämpfen würde. In einer Indoor-Unit wird dann das Signal auf eine zweite Zwischenfrequenz umgesetzt, Frequenzdemoduliert und entweder direkt dem Videoeingang des Fernsehempfängers (z.B. über SCART-Buchse) oder dem Antenneneingang des Empfängers (wieder moduliert) zugeführt (siehe Bild.6).

Bild.6

Einsatzbereich

Satellitenübertragung ist flexibel, sie eignet sich wegen der großen zur Verfügung stehenden Bandbreite auch für die Übertragung von Digitalsignalen oder Digitaldaten.

Die Satelliten ermöglichen auch eine besonders schnelle Berichterstattung, sie werden für das Satellite News Gathering (SNG) eingesetzt. Dazu mieten sich die Rundfunkstationen für die Dauer eines Beitrags einen Kanal eines Fernsehsatelliten, fahren mit einer mobilen Sendeeinheit an den Schauplatz, von den aus berichtet werden soll und nutzen die Satellitenstrecke zur Zuspielung an ihr Funkhaus oder an mehrere Rundfunkanstalten (Point-to-Multipoint). Die mobilen Einheiten sind inzwischen so flexibel, dass sie bereits innerhalb einer halben Stunde eingesetzt werden können.

Subsysteme der Satellitenübertragung

Das Satellitensystem

Der Satellit muss zuerst in eine geostationäre Bahn in definierter Orbitposition gebracht werden. Gemäss Bild.7 wird der Satellit von der erdnahem Umlaufbahn, von der Trägerrakete dahingebracht, in mehreren Stufen mit dem eigenen Triebwerk zur Endposition gesteuert.

Bild.7

Kommunikationssatelliten im geostationären Orbit haben eine Lebensdauer von ca. 10 Jahren. Der nötige Treibstoff zum Nachsteuern des Satelliten in seiner Position und Ausrichtung ist der begrenzende Faktor der Lebenszeit eines Satelliten.

Ist nach einigen Wochen der Satellit in seiner Endposition, so wird seine Nutzlast (Payload), also die elektronischen Geräte und Sender, in Betrieb genommen. Die Antennen werden je nach den Bedürfnissen des Betreibers ausgerichtet und die Ausrichtung des Satelliten wird fortan in den drei Achsen ständig kontrolliert, so dass die Ausrichtgenauigkeit innerhalb von 0.1° gehalten wird. Gemäss Bild.8 bestehen die heutigen Satelliten aus den gleichen wesentlichen Komponenten.

Bild.8

Vom Äußerlichen her unterscheidet man zwischen zwei Typen :

Die Satelliten mit den Solarzellen um den Körper, die durch ihre eigene Drehung (Spinstabilisiert) stabilisiert sind und
die Satelliten mit ausgebreitetem Solarpanel, die dreiachsenstabilisiert sind.

Aufbau eines Satelliten

1) Satelliten führen mehrere Antennen mit, gegebenenfalls für die verschiedenen Frequenzbänder, aber jedenfalls für die unterschiedlichen Beams zur Erde, die zu den spezifischen Ausleuchtzonen (Footprints) führen. Bei 1° Öffnungswinkel hat die Ausleuchtzone einen Durchmesser von 680 km.

2) Da die Sonnenkollektoren alleine nicht für eine Stromversorgung genügen, sind Pufferbatterien erforderlich.

3) Die Treibstofftanks und die zugehörige Steuerung der Triebwerke werden von der Erdstation gesteuert.