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Grundlagen zum Empfang von digitalen Signalen
Also was sind Basics zum Fernsehempfang? Hier gehen die Meinungen mit Sicherheit auseinander. Ich will hier mal etwas näher auf physikalen Grundlagen für eine Signalübermittlung nach dem DVB Standard eingehen. Alles was bei die Auswahl der Hardware der einzelnen Boxen beachtet werden muß (darum brauchen wir uns nicht kümmern, das machen schon die Hersteller :-) ) wird eben vom DVB Standard vorgegeben. Je nach Medium wo das Signal übertragen wird sind die Gegebenheiten etwas verschieden. Momentan gibt es hauptsächlich 2 Übertragungsarten von DVB Signalen: DVB-C für Signale im Kabel (im englischen halt cabel) DVB-S für Signale über Satellit (woher das S kommt sieht man ja ;-) ) Zur Zeit versucht die Industrie einen weiteren Standard zu etablieren! Dieser gilt dann logischer Weise weder für Sat als noch für Kabel sondern soll die Versorgung mit Digital-TV auch auf “dem Lande” gewähleisten. Für den Empfang soll dann wieder entweder die klassische Antenne auf dem Dach genügen oder eine kleine Stabantenne am Receiver selber. Nennen tut sich das Ganze dann: DVB-T (T für Terrestrisch). Allerdings steckt diese Technik noch etwas in den Kinderschuhen und ist noch etwas störanfällig. Läuft zur Zeit aber im Testbetrieb im Raum Berlin und Großraum München. Wer schon ein digitaltaugliches Autoradio besitzt kann auch entlang der Autobahnen schon digital Radio empfangen. Allerdings ist die Senderauswahl mehr als dürftig! Deutschlandfunk ist ja ganz schön aber den ganzen Tag .... ? Störanfällig ist allerdings das richtige Stichwort! Bei jedem dieser Übertragungswege muß sichergestellt werden das die DVB Signale die später dann einmal wieder zu einen Bild zusammengefügt werden sollen auch richtig beim Empfangsgerät ankommen. Da keine der Übertragungsarten zueinander kompatibel sind hat jede so ihre Eigenheiten. Was ist den nun der Unterschied zwischen DVB-C und DVB-S (DVB-T können wir zur Zeit noch vernachlässigen)? Eigentlich gibt es nur einen Unterschied aber der ist bedeutsam! Alle Signale im Kabel, egal ob analog oder digital sind Amplituden moduliert (-> AM) und im Gegensatz dazu die Signale auf Satelliten Frequenz moduliert (-> FM). Was heißt das eigentlich? Ganz einfach: Um ein Amplituden moduliertes Signal zu erhalten nimmt man eine Trägerfrequenz und moduliert das Nutzsignal auf die “Höhen” und “Tiefen” der einzelnen Schwingen der Trägerfrequenz:
und nun das Nutzsignal dabei
und heraus kommt Amplituden moduliertes Trägersignal!
So entsteht also ein Signal für alles was im Kabel gesendet wird. Wie sieht dies nun mit Signalen für Sat aus? Der Name der Modulationsart erklärt es eigenlich schon. Frequenz moduliert, das heißt das Nutzsignal wird auf die Trägerfrequenz aufmoduliert. Klingt jetzt schwierig ist es aber nicht:
Wie bei AM (Amplitudenmodukation) haben wir auch hier eine Trägerfrequenz auf die wir eine Nutzfrequenz aufmodulieren wollen:
und nun kommt folgendes am Ende in etwa heraus:
Warum macht man den nun das? Dies bestimmt dann wieder die Physik! Wer mal schlaues Köpfchen in der Schule war oder es noch ist :-) kann sich vielleicht schon etwas zusammenreimen! Schauen wir mal genau auf die letzendlichen Trägerfrequenzen! Und nun nehmen wir mal die größte Störquelle an, ein übertsteuerter oder zu niedrieger Pegel! Jetzt erkennt man das ein Frequenz moduliertes Signal wesentlich unempfindlicher gegenüber solchen Störquellen ist da das Signal ja in der Trägerfrequenz steckt und nicht wie bei einem Amplituden modulierten Signal auf der Trägerfrequenz versteckt ist. Das heist das man das Nutzsignal aus FM modulierten Trägern auch noch unter relativ schwierigen Pegellagen herausgefiltert bekommt. Dies ist ein klarer Vorteil für FM Signale! Warum benutzt man dann eigentlich überhaubt die AM? Nun wo Nachteile sind müßen ja auch Vorteile sein! Problem bei FM ist das man eine relativ breiten Träger in Form der Trägerfrequenz benötigt um alle notwendigen Nutzsignale unter zu bekommen. Hier liegt nun der Vorteil der AM. Hier benötigt man weniger Bandbreite um den selben Inhalt an Informationen übertragen zu können. Und das ist der entscheidende Grund warum man im Kabel die AM verwendet, die Bandbreite!! Nehmen wir die theoretische Bandbreite von 45MHz bis 87MHz und 109MHz bis 862MHZ. Dies ergibt dann immerhin eine mögliche nutzbare Bandbreite von 796MHz. Bei einer Bandbreite von 7MHZ pro Kanal und 1MHz Kanalabstand würde man theoretisch 817MHz/8MHz rund 102 Kanäle einspeisen können. Diese Rechnung bezieht sich jetzt aber auf eine rein digitale Ausnutzung der Bandbreite. Für analoge Sender nimmt man 5MHz als Trägerfrequenzbandbreite und momentan ist auch noch der Mischbetrieb aus analogen und digitalen Trägern Gang und Gebe. Um Problemen aus den Weg zu gehen hat man sich schon bei der Entwicklung des BKs (BK = Breitbandkabel) schon Gedanken gemacht wie man die Frequenzen aufteilt. Hier liegt eine gewisse geschichtlich Entwicklung zu Grunde! Bevor es das BK Netz gab wurde Fernsehen nur terestrisch ausgestrahlt und zwar in den 2 Bereichen:
Diese Frequnzbereiche werden natürlich auch im BK genutzt. Wir erkennen aber auch noch Lücken in den Frequenzbereichen. Auch diese werden im BK Netz genutzt. Somit wurden neue Kanäle geschaffen, die sogenannten Sonderkanäle plus Frequenzen für Steuerung und Rückkanäle!
Die Freuenzen oberhalb Sonderkanal 41 sind meines Wissens noch nicht weiter aufgeteilt in Kanäle. Eine nähere Beschreibung über die Zusammenhänge der Belegung des BK Netzes gibt es im Pressebereich von galaxis (PDF 171kB). Diese ist zwar nicht mehr ganz aktuell verdeutlich aber ganz gut die Sachlage. Zu den Problemen auf die in dem galaxis Werk hingewiesen werden kommen noch die Probleme die die Netztbetreiber bei der derzeitigen Belegung des BKs mit bis zu 36 analogen Kanälen und noch ca. 14 digitalen Kanälen haben . Der Bereich von 460MHz bis 862MHZ wird zur Zeit größtenteils noch gar nicht genutzt bzw. ist auch anderen Anwendungen vorbehalten (z.B. Internet per Kabel etc.) Ein weiterer entscheidender Punkt ist der doch recht marode Zustand des BK Netztes in Deutschland. In vielen Altbauten liegen noch Kabel die nur einfach geschirmt sind. Für einen störungsfreihe Übertragung nicht gerade zuträglich! Auch sind die noch sich in Betrieb befindlichen Verstärker und Verteiler etc. nicht für Frequenzen über 460MHZ bzw. Frequenzen unterhalb 45MHz ausgelegt. An der Lage wird sich in absehbarer Zeit nicht viel ändern. Die Alt-Telekomnetze die zum Verkauf stehen sind hiervon besonders betroffen. Etwas mehr Glück könnten die Benutzer von Privat betriebenen BK Netzten haben. Da die Betreiber bestrebt sein werden Ihr Netz rentabel zu betreiben werden diese Netze immer auf dem Stand der Technik sein.
Wie sieht dies bei Satempfang aus? Die Rechnung ist fast genauso! Der Hauptunterschied sind natürlich die genutzten Frequenzbereiche. Da fast alle Frequenzen aus dem BK Netzt schon ein “zweites” Mal terrestrisch genutzt werden und auch Frequenzen oberhalb der 1GHz Grenze meistens zivilrechtlich oder militärisch in Beschlag sind mußten hier andere Bereiche gesucht werden. Auch die Störsicherheit der Signalübertragung über immerhin 36.000km! spielt eine Rolle. Zu Beginn der Fernseh-Satellitentechnik würde der Frequenzbereich von 10,7GHz bis 11,7GHz zur Nutzung bereitgestellt. Um die mögliche Bandbreite voll auszunutzen machen sich die Techniker eine Eigenschaft der elektromagnetischen Wellen zu Nutze! Und zwar kann elektromagnetische Wellen polarisiert aussenden. Die Übertragung erfolgt mit Trägerfrequenzen die um 90Grad zueinander polarisiert (verdreht) sind. Um ein Stören von einen einem horizantalen und einem vertikalenTransponder untereinander weitestgehend auszuschliesen hat man die Frequenzen der Transponder um genau halbe Transponderträgerfrquenz verschoben. Dies ergibt eine Bandbreite von rund 2mal 1GHz, nämlich 1GHz horizontal und 1GHz vertikal. Mit dem Fortschreiten der Entwicklung der Fernsehsender und deren Übertragungsformen wurden die zur Verfügung stehende Bandbreite recht schnell erreicht. Man benötigte neue Sendefrequenzen um die digitale Fernsehwelt bereitstellen zu können! Um Abhilfe zu schaffen wurde der Frequenzbereich auf der Satelliten auf 12,75GHz erweitert. Somit waren pro Polaristionsebene 2GHz Bandbreite geschaffen, also 1GHz zusätzlich. Anfänglich worden auf den neuen Frequenzen auch noch analoge Signale eingespeist welche aber relativ schnell den digitalen Ferhsehkanälen wieder Platz machten. Kann man pro Transponder nur ein analoges Fernsehsignal übertragen so kann man auf dem selben Transponder dagegen 12! digitale Kanäle übertragen. Nun gab und gibt es da aber ein Problem! 2GHz Bandbreite durch eine normales Antennenkabel bzw. LNB geht mit vertretbaren Aufwand nicht. Also wurden Frequenzbereiche aufgeteilt und die Passive Technik angepasst, nicht zuletzt um bei bestehenden Anlagen mit den alten herkömmlichen LNBs keine Problem zu bekommen. Aus dem alten bestehenden Frequenzbereich 10,7GHz bis 11,7GHz wurde das sogenannte “Lowband” (niedriges Band) und die zusätzlichen Frequenzen werden als “Higband” (hohes Band) bezeichnet. Da wir pro Band eine vertikale und eine horizontale Ebene haben bekommt man nun also 4 nutzbare Ebenen:
Jetzt haben wir zwar eine bzw. mehrere Empfangsfrquenzen aber wie bekommen wir die in den Receiver? Schliesslich reden wir noch von Frequenzen um die 10 bis 11GHZ! Würden wir eine Signal mit dieser Frequenz in eine Koaxialkabel einspeisen würden wir nach nur wenigen Metern alle Leistung in Wärme umgesetzt haben. Warum?? Jaja die Physik, auch hier bestimmen physikalische Gesetze diese Eigenheit. Unser Kabel ist ja eigentlich nichts anderes wie eine lange parallele Leiterführung mit einem Isolator dazwischen. Woran errinert uns das? Genau, an einen Kondesator. Was hatte der doch gleich für Eigenschaften! Betrachten wir erst einmal die Sache mit Gleichspannung. Beim Anlegen der Spannung findet ein kurzeitiger Ladungsaustausch statt vorgegeben durch die Stärke des elektrischen Feldes. Diese wird wiederum bestimmt durch die Höhe der angelegten Spannung. Wenn keine Veränderung des Zustandes mehr eintritt passiert erst mal nichts mehr. Jetzt veränder wir die Polarität des Feldes, erzeugen also ein Wechsel des Feldes. Es passiert logischer Weise genau das selbe wie eben, nur alles mit umgekehrter Polarität. Was können wir festhalten? Nach dem Anlegen einer Gleichspannung und dem Ladungsaustausch verhält sich das Kabel wie ein hochohmiger Widerstand. Nur wenn man die Polarität des Feldes wechselt wird das Kabel kurzzeitig “scheinbar” niederohmig. Es verändert also seinen Widerstand. Je öfter dieser Wechsel umso niedriger wird der Innenwiderstand. Nun beziehen wir das auf unsere gegebenen Verhältnisse: Wir haben eine Frequenz von sagen wir 10GHz, das entspricht einem Wechsel der Polarität des Signales von 10 Milliarden mal in der Sekunde!! Dies hat zur Folge das durch den sich sehr geringen ergebenden Innenwiderstand des Kabel das Signal verloren gehen würde. Man sagt auch Das Signal wird gedämft. Nun ist es durch die Physik wieder gegeben das sich dieser Innenwiderstand im Verhältnis zur steigenden Frequenz umgekehrt linear kleiner wird. Hinzu kommt noch das durch die Gesetze rund um das elektrische Feld sich die Signale selber beeinflussen. Fazit daraus: Durch die elekrische Werte eines Kabels ergeben sich Grenzen wie weit man Siganle mit bestimmter Frequenz übertragen kann. Je höher die Frequenz umso stärker ist auch die Bedämfung des Nutzsignals! Für uns bedeutet das man die Frequenz irgendwie umsetzten mß. Und genau dies passiert mit dem LNB (LowNoiseBlock) also dem Teil was vorne am Feed der Satschüssel montiert ist. Dieses Teil verschiebt die zu übertragende Frequenz in einen anderen Frequenzbereich. Dies erfolgt mittels der sogenannten Oszilatorfrequenz. Da wir zum Erzeugen der Oszilatorfrequenz etwas Elektronik benötigen brauchen wir auch eine Spannung am LNB. Wie wir weiter oben erkannt haben hat das anlegen einer Gleichspannung keinen störenden Einfluß auf das Antennesignal. Somit ist das Bereitstellen der notwendigen Spannungsversorgung für das LNB kein Problem. Diese Spannung muß mindestens 14Volt betragen. Was macht das LNB nun genau? Zunächst einmal schwingt im LNB eine Oszilatorschaltung mit der auf dem LNB angegeben Frequenz. Bei heutigen LNBs beträgt diese für das Lowband 9,75GHZ und für das Highband 10,6GHz. Nun wird die Oszilatorfrequenz einfach gesagt mit der Empfangfrequenz überlagert. Durch die Auslöschung von Signalbergen und -tälern bleibt am Ende die reine Trägerfrequenz übrig. Die Rechnung wird recht einfach: Sendefrequenz minus Oszilatorfrequenz ergibt die Empfangsfrequenz. z.B. Sender ZDF (analog) auf Astra Sendefrquenz ist 10,964GHZ unsere LNB Oszilatorfrenquenz 9,75GHz 10,964GHz - 9,75GHz = 1,214GHz (1214MHz) ist unsere Empfangsfrequenz Diese Rechnung ist für alle Frequenzen im Lowband die Gleiche. Das selbe gilt auch fürs Highband, nur muß man hier mit einer Oszilatorfrequenz von 10,6GHz rechnen. Somit wird der Frequenzbereich von 10.7GHz bis 11,7GHz in einen Bereich von 950MHz bis 1950MHz konvertiert. Dementsprechend dann der Bereich von 11.7GHz bis 12,75GHz in den Bereich von 1100MHz bis 2150MHZ. Unser Receiver muß vom Tuner her diese Frequenzen verarbeiten können. Damit haben wir alle Vorrausetztungen erfüllt um das Satellitensignal verarbeiten zu können. Nicht ganz! Weiter oben hatte ich erwähnt das die Satellitenbetzreiber die Signale auf zwei Polarisationsebenen ausstrahlen. Momentan können wir so nur eine Ebene von vier empfangen! Bleiben noch drei übrig. Auch hier hat man vorgesorgt! Damit das LNB arbeiten kann benötigt es Spannung. Was spricht dagen eine andere höhere Spannung zu nehmen um auf eine andere Ebene um zu schalten? Nichts, also hat man sich darauf geeinigt das wenn die Spannung auf über 15V ansteigt das das LNB dann auf die horizontale Ebene umschaltet. Somit haben wir die Möglichkeit zwischen zwei Ebenen hin und her schalten zu können. Da es diese zwei Ebenen schon seit Beginn des Satellitenfernsehen gibt mußte man die Umschaltung auf die neuen zwei Ebenen im Highband noch ermöglichen. Die Spannung fürs LNB konnte nicht weiter erhöht werden. Eine gute Möglichkeit war eine Siganlfrequenz zum LNB zu schicken welches diese erkannt und dann auf die geforderte Ebene umschaltet. Als Frequenz dazu benutzt man einen Pilotton von 22kHz. Damit hat man zwei Kriterien die zusammen 4 mögliche Zustände ergeben. 4 ist genau die Zahl die wir doch benötigten! Also es ergibt sich:
Mit diesen 4 Zuständen des LNBs können wir das gesammte Spektrum eines Satelliten empfangen. Mmm jetzt haben wir einen von vielen Satelliten den wir empfangen können! Es gibt ja doch aber noch mehr Satelliten. Um
mehr wie einen Satelliten mit einem Receiver empfangen zu können mußte man tiefer in die Trickkiste greifen. Spannungen
hatte man schon verändert, einen Pilotton benutzte man auch schon. Mehr ist nicht drin, dachten sich auch die Techniker von
Eutelsat und Phillips und entwickelten Anfang der 90’er ein System wie man mit dem Pilotton von 22kHz mehrere Satelliten empfangen könnte, unabhängig von Rotor- oder Multifeedanlagen. Das System heißt DiSEqC (Di
gital Satellite Equipment Control) und benutzt einen veränderten Pilotton von 22kHz um Geräte in Empfangssystemen ansprechen zu können. Mit der
Verwendung von DiSEqC mußten Multischalter in der Lage sein nicht nur die 22kHz zu empfangen sondern auch noch
Befehle die im modulierten 22kHz Signal geschickt werden auswerten zu können. Je nach geschickten Befehl vom Receiver
muß nun der Multischalter auf den entsprechenden Eingang umschalten um die gewünschte Satebene an den Receiver liefern zu können. Von Eutelsat gibt es ein gutes PDF Dokument (1430kB!) was die Sachlage verdeutlicht. Auch sind die
verschiedenen DiSEqC-Versionen die es gibt im Werk erklärt. So viel brauche hier nicht schreiben. Beziehungsweise will ich mir die Arbeit nicht doppelt machen weil Grundlegendes und mehr findet man in einem PDF was original von ELV stammt In diesem PDF werden die wichtigsten Grundlagen erklärt. (Die alten Hasen werden natürlich wissen wer oder was ELV ist, die die es nicht wissen einfach mal vorbei surfen.) Wer noch nie mit SMD zu tun hatte und sich aber trotzdem an dieverse Bauteile der Box wagen will den empfehle ich sich erst eine alte Platine zum Üben zu nehmen. Ganz brauchbar für so etwas sind alte Motherboards oder PCI/ISA Karten.
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