9.3 Anforderungen an die Empfangsanlage

Für einen einwandfreien Empfang von analogen oder digitalen Satellitensignalen ist ein minimaler C/N Wert am Empfängereingang notwendig. Dieser Wert hängt von verschiedenen Faktoren ab, die in Kapitel 9.3.1 näher erläutert werden. In Kapitel 9.3.2 werden die gefundenen Erkenntnisse für die Auslegung eines geeigneten Empfangssystems verwendet.

9.3.1 C/N und Güte der Empfangsanlage

Der C/N Wert am Receivereingang wird bestimmt von vielen Parametern auf der gesamten Übertragungsstrecke des Signals vom Studio bis zum Zuschauer. Für die Auslegung der Empfangsanlage ist jedoch nur die Abwärtsstrecke vom Satelliten bis zum Receiver interessant, da auf die anderen Strecken kein Einfluss genommen werden kann.

Das Träger-Rausch-Leistungsverhältnis am Ausgang des LNB im logarithmischen Mass ist definiert als

  (9.15) ,

wobei N das Systemrauschen der Empfangsanlage und:

  (9.16)

  (9.17) .

Die EIRP kann einem Footprint (siehe Kap. 6.2) entnommen werden, G bezeichnet den Gewinn der Empfangsantenne und die Verluste ages werden weiter unten aufgeschlüsselt. T bezeichnet die Rauschtemperatur, BN die Rauschbandbreite und k die Boltzmann-Konstante. Die Gesamtdämpfung ages setzt sich aus der Freiraumdämpfung aAus, der Speisedämpfung im Empfangssystem asp, der Ausrichtungsdämpfung aA, der atmosphärischen Absorptionsdämpfung aAb und der Polarisationsdämpfung aP zusammen:

  (9.18)

a) Freiraumdämpfung aAus:

  (9.19)

b) Die Kopplungsverluste, die durch Dämpfungen von Hohlleitern, Filtern und Leistungskopplern im System Antenne-Feed-LNA entstehen werden als Speisedämpfung asp zusammengefasst.

c) Zur Ausrichtungsdämpfung aA gehören sowohl Verluste durch ungenaue Ausrichtung der Empfangsantenne auf den Satelliten als auch die Fehlausrichtung des Polarizers bezogen auf die Polarisation der Einfallenden Wellen.

d) Die atmosphärischen Absorptionsdämpfung aAb ist frequenzabhängig und entsteht beim Durchgang der Signale durch die Molekülteilchen in der Atmosphäre. Zu ihr zählen wir auch die Szintillation.

e) Die Polarisationsdämpfung aP entsteht durch die Drehung der Polarisationsebene beim Durchgang der Welle durch die Ionosphäre.

Durch Einsetzten von (9.16) und (9.17) in (9.15) erhält man

  (9.20)

Wird der Gewinn G mit der Temperatur T zusammengefasst, ergibt sich die Güte G/T:

  (9.21)

Sie lässt sich entweder aus Datenblättern der Antennenhersteller ersehen oder aus den Parametern von Antenne und LNB berechnen (Kap. 9.3.2). Für bekannte Werte der EIRP, der Güte, der Bandbreite und einigen Standortparametern kann mit (9.22) der entsprechende Wert von C/N berechnet werden:

  (9.22)

  (9.23)

9.3.2 Auslegung des Empfangssystems

Aus der Literatur kann man entnehmen, dass für einen guten Empfang für analoge und digitale Fernsehsignale ein C/N von 14 dB (für Astra) empfohlen wird. Diese Empfehlung hängt ausser von den Schwellwerten (FM-Schwelle analog ca. 9 dB, Ausfallgrenze digital ca. 7.5dB) auch noch von der Bandbreite des Signals ab.

Wenn eine Empfangsanlage dimensioniert werden soll, muss neben den oben erwähnten Dämpfungen auch noch eine Schlechtwetterreserve vorgesehen werden. Durch Regen, Schnee oder Hagel entstehen je nach Niederschlagsmenge und Grösse der Teilchen teilweise recht starke Verluste. Tabelle 17 zeigt typische Werte für die Verschlechterung des C/N Verhältnisses am Ausgang des LNBs, die während verschiedenen Zeiten bezogen auf ein Jahr oder den ungünstigsten Monat erreicht werden und somit Störungen hervorrufen können, wenn das System keine entsprechenden Reserven besitzt.

Tabelle 17 Schlechtwetterreserven für verschiedene Verfügbarkeiten.

Für durchschnittliche Empfangsanlagen in der Schweiz wird empfohlen, eine Schlechtwetterreserve von rund 2 dB vorzusehen. Dieser Wert würde eine Verfügbarkeit des Systems von 99.9% bezogen auf ein Jahr gewährleisten.

Als Mindestanforderung für digitale Satellitenempfangsanlagen wählen wir zusätzlich eine Sicherheitsreserve von 2.5 dB. Einerseits berücksichtigen wir darin den Einfluss des Phasenrauschens, das laut SES einen Einfluss von weniger als 1 dB hat. Andererseits besteht ein Sicherheitsabstand von 1.5 dB zur Ausfallgrenze, wobei erste Artefakte etwa 1 dB oberhalb der Grenze einsetzen.

Berechnung des C/N Wertes für unsere Satellitenanlage:

Die Dämpfung a berücksichtigt nur die Speisedämpfung, da die Antenne zuvor korrekt ausgerichtet wurde (a = 1 dB).

Berechnung des Antennengewinns bei einer Frequenz von 11 GHz:

  (9.24)

  (9.25)

Daraus ergibt sich eine Güte von

  (9.26)

Die Bandbreite ist für analoge Signale auf Astra 26 MHz = 74.1 dBHz und für digitale Signale 33 MHz = 75.2 dBHz. Die Ausbreitungsdämpfung ergibt für eine Entfernung von d = 38230 km und eine Frequenz von 11 GHz aAus = 205.1 dB (analog) und für eine Frequenz von 12 GHz aAus = 205.8 dB (digital). Aus Gleichung (9.22) berechnen sich die C/Na (analog) und C/Nd (digital) zu

  (9.27)

Für die Übertragung des Signals vom LNB zum Receiver setzten wir einen Wert für C/N2 von mehr als 35 dB (typisch für weniger als 20 m Koaxialkabel mit zwei Steckern) ein. Damit ergibt sich aus (9.23) ein Wert für C/Nges von 16.4 dB.

Unsere Anlage bietet somit eine Schlechtwetterreserve von

  (9.28) ,

was selbst für sehr starken Niederschlag ausreichen sollte.

Berechnung der erforderlichen Güte einer Digitalempfangsanlage:

Mit der Ausfallgrenze eines guten Digitalreceivers (z.B. d-box) bei einem C/N von 7.5 dB, einer Reserve von 2 dB für schlechtes Wetter und weitere 2.5 dB gegen Phasenrauschen und vorzeitige Artefakte ergibt sich mit den o.g. Formeln eine erforderliche Güte von 13.4 dB für die Empfangsanlage. Dieser Wert wird z. B. mit einer 55 cm Antenne (Wirkungsgrad = 0.6) und einem LNB mit Rauschmass 1.1 dB erreicht. In Tabelle 18 sind für verschiedene Verfügbarkeiten die erforderlichen Güten und Antennengrössen angegeben.

Tabelle 18 Erforderliche Antennengrössen für Wirkungsgrad = 0.6, Rauschmass LNB = 1.1 dB und korrekte Ausrichtung der Antenne.

9.4 Schlussfolgerung

Die digitale Übertragung nach dem MPEG2 / DVB Standard verfügt über eine ausreichende Störsicherheit, liefert eine ansprechende Bild- und Tonqualität und bietet neuartige Möglichkeiten bei der Bedienung und Zusatzinformationen.

Eine stationäre Empfangsanlage, wie sie bisher für das analoge Satellitenfernsehen verwendet wird (Antennendurchmesser ab 60 cm und LNB mit Rauschmass < 1.1 dB), besitzt genügend Schlechtwetterreserve und garantiert eine Verfügbarkeit, die grösser als 99.9% ist.
Die digitale Ausfallgrenze liegt bei 7.5 bis 8.5 dB, wobei Artefakte 1 dB oberhalb der Schwelle auftreten und liegt damit im Bereich der analogen FM Schwelle. Mit einem höheren Fehlerschutz liesse sich diese Grenze weiter nach unten verschieben.
In Gebieten am Rand der Ausleuchtzone das Satelliten wäre eine hierarchische Codierung von Vorteil, da ein Arbeitspunkt im Bereich der Ausfallgrenze sonst problematisch ist. In diesem Fall oder bei mobilen Anlagen ist eine analoge Übertragung robuster. Der grosse Vorteil hingegen ist die gleichbleibende Bildqualität über einen grossen C/N Bereich.

Trotz einer Kompression von über 1 zu 20 (4:2:0, 6 Mbit/s) durch MPEG2 leidet die Bildqualität erstaunlich wenig. Unterschiede sind nur bei genauem Betrachten auszumachen, tendenziell wirkt das Bild weicher und blasser; es muss jedoch jeder selbst entscheiden, ob er einem analogen Bild (mehr Rauschen und Detailtreue) oder dem digitalen (rauscharm und weicher) den Vorzug gibt.

Zur Beurteilung der Bandbreiteneffizienz vergleichen wir den Bandbreitenbedarf eines analogen Programms (26 MHz auf Astra) mit dem eines digitalen vergleichbarer Qualität (6 Mbit/s). Da ein 26 MHz Transponder eine Übertragungskapazität von netto rund 30 Mbit/s zur Verfügung stellt (Coderate = 3/4), ist die digitale Übertragung fünfmal effizienter.
Bei Verwendung des in Kapitel 5 vorgestellten Verfahrens des statistischen Multiplex wird die Effizienz sogar nocheinmal verdoppelt, wenn man von einer Datenrate von 3 Mbit/s für ein Programm ausgeht (vorsichtige Schätzung).

Die zur Verfügung stehende Bandbreite eines Transponders (z.B. 36 MHz auf Eutelsat) kann auch Programmen mit unterschiedlich grossen Datenraten und Qualitätsebenen variabel zugeteilt werden. Es liessen sich beispielsweise 2 Programme zu je 8 Mbit/s (EDTV), 4 zu je 6 Mbit/s (SDTV) und 2 zu je 2 Mbit/s (LDTV) übertragen. Das Bild 9.33 verdeutlicht diesen Sachverhalt.

Bild 9.33 Die vier Qualitätsebenen des Digital-TV