Grundlagen der Funkübertragung und Satellitentechnik

Die Wellenform in der Funkübertragung

Die Wellenform für die gesamte Funkübertragung besteht aus dem elektrischen und dem magnetischen Feld. Ihre Darstellung zeichnet sich durch mehrere Teile aus. Eine sinusförmige Wellenform wird durchlaufen, wenn ein Sinuswert von 0 auf den positiven Spitzenwert steigt, zurück auf 0 sinkt, den negativen Gipfel erreicht und wieder zum Nullpunkt des Zyklus ansteigt. Dies entspricht einem Halbzyklus (Semiciclo).

Die Periodendauer entspricht einem Zyklus (s). In der Darstellung der Wellenlänge ist die Halbwelle das Maß für die Hälfte dieser Strecke. Die Grundfrequenz eines Signals gibt an, wie oft sich der Zyklus pro Zeiteinheit (Hz) wiederholt.

Elektromagnetische Wellen im Raum

Elektromagnetische Wellen verbreiten TV- und Radiosignale durch den Raum mit einer Geschwindigkeit von v = 300.000.000 m/s. Sie bestehen aus einem elektrischen und einem magnetischen Feld, die senkrecht zueinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle stehen.

Das Radiospektrum

Das Radiospektrum umfasst alle Störaussendungen zwischen 3.000 Hz und 3.000 GHz. Innerhalb dieses Spektrums befinden sich AM-Sender, FM-Radio, Satellitenübertragungen, terrestrische TV-Programme und weitere Dienste.

Ausbreitung elektromagnetischer Wellen

Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen erfolgt immer von einem Sender zu einem oder mehreren Empfängern. Diese Emissionen können im Falle von Satelliten durch den Weltraum oder über terrestrische Repeater beim terrestrischen Fernsehen übertragen werden.

Terrestrische Ausbreitung

Bei der terrestrischen Ausbreitung ergibt sich ab dem Zeitpunkt der Emission eine gerade Linie der Wellenausbreitung. Hierbei begrenzt die Erdkrümmung die Sichtweite zwischen den Antennen. Um den Empfang zu optimieren, werden Sende- und Empfangsantennen so hoch wie möglich montiert.

Die Antenne als Schlüsselelement

Die Antenne ist der Schlüssel zur Übertragung elektromagnetischer Wellen. Sie wird sowohl beim Empfänger als auch beim Sender eingesetzt, wobei ihre technischen Merkmale oft ähnlich sind. Die Basis einer Antenne ist ein Draht oder Metallstab.

• Sender: Ein oszillierender Strom im Kabel erzeugt ein elektromagnetisches Feld zur Emission.
• Empfänger: Die Welle wird vom Draht eingefangen und induziert einen elektrischen Strom, der die Ladung zum Empfänger leitet.

Ein Dipol wird über ein Koaxialkabel gespeist. Dieses Kabel besteht aus zwei verschiedenen Leitern. Wenn ein Leiter mit einem horizontalen Stab und der andere mit der Erde verbunden wird, spricht man von einer Langantenne. Wird die Antenne halbiert und jedes Element mit einem Leiter des Koaxialkabels verbunden, nennt man dies einen Halbwellendipol. Ein Gefalteter Dipol besteht aus einem Stab in T-Form.

Reflektoren und Direktoren

Dies sind Metallelemente, die in die Antenne integriert werden, um die Richtwirkung zu erhöhen. Direktoren werden vor dem Dipol in Richtung der Sendeantenne platziert, um das Polardiagramm zu verfeinern. Je mehr Direktoren vorhanden sind, desto höher ist die Richtwirkung.

Reflektoren werden an der Rückseite des Dipols positioniert, um den Empfang unerwünschter Signale aus anderen Richtungen zu verhindern und die Antenne diskriminierend zu machen.

Wichtige Antennenparameter

Antennen dienen dem Senden und Empfangen, daher sind viele Eigenschaften für beide Fälle identisch:

• Richtwirkung: Gibt die Konzentrationsfähigkeit der Antenne an.
• Vor-Rück-Verhältnis: Bezieht sich auf die vorderen und hinteren Lappen des Polardiagramms.
• ROE (Stehwellenverhältnis): Parameter für den Grad der Übereinstimmung zwischen Antenne und Schaltungsimpedanz.
• Polarisation: Antennen arbeiten mit elektrischen und magnetischen Feldern. Je nach Ausrichtung empfängt die Antenne Signale in horizontaler oder vertikaler Polarisation. TV-Antennen arbeiten meist horizontal.
• Satelliten-Polarisation: FSS-Satelliten nutzen oft horizontale/vertikale Polarisation, während DBS-Satelliten zirkulare Polarisation (RHCP und LHCP) verwenden.

Das Koaxialkabel zur Signalverteilung

Das Koaxialkabel ist das Medium für die Signalverteilung in Gemeinschafts- und Einzelanlagen. Es zeichnet sich durch geringe Verluste und eine konzentrische Struktur aus. Es besteht aus zwei Leitern: dem Innenleiter (Seele) und einem Geflecht (Schirmung), die durch ein Dielektrikum getrennt sind.

Zusammensetzung eines Gemeinschaftssystems

Ein System für den TV-Empfang besteht aus dem Aufnahmesystem, der Kopfstelle (Header) und der Verteilung. In der Kopfstelle befinden sich Endstufen, welche die Radio- und TV-Signale verstärken. Man unterscheidet zwischen Breitbandverstärkern und Monokanal-Verstärkern.

Realisierung einer Installation

Bei der Berechnung der Verteilung kann eine serielle Installation oder eine Struktur mit Abzweigern (Derivadores) gewählt werden. Abzweiger bieten eine bessere technische Unabhängigkeit für die einzelnen Wohnungen. Bei der Berechnung müssen alle Verluste (Kabel, Abzweiger, Dosen) anhand von Katalogdaten summiert werden, um ein akzeptables Signal an der Anschlussdose zu gewährleisten.

Satellitenempfang und Technik

Satelliten für Radio und TV befinden sich in 36.000 km Höhe in einer geostationären Position über dem Äquator (Clarke-Belt). Sie bewegen sich synchron mit der Erde.

EIRP und Parabolantennen

Die EIRP definiert die Strahlungsleistung einer Antenne. Eine Parabolantenne strahlt nicht direkt vom Dipol ab, sondern nutzt den Reflektor, um die Signale in einem Brennpunkt (Fokus) zu konzentrieren.

Arten von Parabolspiegeln:

• Prime-Focus: Der Dipol sitzt direkt im Brennpunkt in der Mitte.
• Offset-Antenne: Der Brennpunkt ist versetzt, wodurch kein Schatten auf die Fläche fällt, was zu einem hohen Wirkungsgrad führt.
• Cassegrain-Antenne: Nutzt einen zweiten Reflektor (Subreflektor). Diese werden oft in der Radioastronomie mit Durchmessern über 30 m eingesetzt.

Der LNB-Konverter

Der LNB (Low Noise Block) ist die elektronische Schaltung am Brennpunkt, welche die Frequenz für die Installation anpasst und verstärkt. Er besteht aus einem LNA (Verstärker) und einem LNC (Konverter). Die Stromversorgung erfolgt über das Koaxialkabel vom Receiver (12-14V für vertikale Signale, 15-20V für horizontale Signale).

Orientierung des Satelliten

Zur Ausrichtung müssen zwei Werte bekannt sein: Azimut (Ost-West-Richtung) und Elevation (Höhenwinkel zur Erdoberfläche). In der nördlichen Hemisphäre orientiert man sich Richtung Süden.

Installation und Wahl der Komponenten

Die Wahl der Größe der Parabolantenne erfolgt über die EIRP-Werte der Ausleuchtzone (Footprint). Die Wahl des LNB-Konverters hängt vom gewünschten Frequenzbereich und dem Antennentyp ab. Die Inneneinheit (Receiver) übernimmt die Signalaufbereitung der Zwischenfrequenz (FI) für den Nutzer.