Grundlagen der TV-Signalübertragung: Wellen, Bänder & Kabeltechnik

Elektromagnetische TV-Wellen: Grundlagen

TV-Wellen sind elektromagnetische Wellen, die Signale mit Lichtgeschwindigkeit (ca. 300.000 km/s) übertragen. Diese Wellen entstehen durch die Ausbreitung eines elektromagnetischen Feldes im Vakuum. Das elektrische Feld und das magnetische Feld sind orthogonal zueinander und bilden einen Winkel von 90 Grad.

Eigenschaften von TV-Wellen

• Können sich im Vakuum ausbreiten.
• Die Geschwindigkeit ist abhängig vom physikalischen Medium.
• Bestehen aus einem elektrischen Feld und einem Magnetfeld (orthogonale Vektoren).
• Gekennzeichnet durch Amplitude, Frequenz, Wellenlänge und Ausbreitungsgeschwindigkeit.
• Die Ausbreitungsrichtung (Trajektorie) hängt vom Vektor des elektrischen Feldes ab.
• Anfällig für Störungen und Rauschen.

Polarisation elektromagnetischer Wellen

Die Polarisation beschreibt die Flugbahn des elektrischen Feldvektors während der Ausbreitung, wobei die Orthogonalität zum Magnetfeld stets erhalten bleibt.

Frequenzbänder und TV-Kanäle (Analog)

• BI (VHF): Kanäle 2–4 (47–68 MHz)
• BIII (VHF): Kanäle 5–12 (174–230 MHz)
• BIV (UHF): Kanäle 21–37 (470–606 MHz)
• BV (UHF): Kanäle 38–69 (606–862 MHz)

Verbreitung des TV-Signals

Die Ausstrahlung erfolgt in Form konzentrischer Kreise von der Sendeantenne. Die Intensität nimmt mit der Entfernung von der Sendeantenne ab.

Ausbreitungssysteme

Die Verbreitung des TV-Signals erfolgt über die Luft/den Raum oder über Leiter (Kabel).

Ausbreitung elektromagnetischer Wellen über die Erde (Bodenwellen)

Die Ausbreitung erfolgt entlang der Erdoberfläche. Beim Überwinden von Hindernissen nimmt die Intensität der Welle ab, je weiter sie sich von der Sendeantenne entfernt. Die Dämpfung ist bei hochfrequenten Wellen stärker ausgeprägt.

Ausbreitung im Raum (Raumwellen)

Die Ausbreitung erfolgt in den Weltraum oder in die Atmosphärenschichten. Auf dem Weg kommt es durch Hindernisse zu Richtungsänderungen, wodurch einige Wellen zur Erdoberfläche zurückkehren und der Signalempfang über den direkten optischen Horizont hinaus ermöglicht wird.

Direkte Bodenwellen und reflektierte Wellen

• Direkte Bodenwellen: Werden ohne Hindernis zwischen Sende- und Empfangsantenne wahrgenommen.
• Reflektierte Bodenwellen: Wenn das direkte Signal ausfällt, wird das Signal empfangen, das von einem Gebäude, Berg oder der Landoberfläche reflektiert wurde. Wenn die Antenne beide Signale empfängt, entsteht ein Doppelbild (Geisterbild), wobei das schwächere reflektierte Signal wie ein Schatten des empfangenen Bildes wirkt.

Reichweitengrenze elektromagnetischer Wellen auf der Erde

Die Reichweite ist durch den tangential zur Erdoberfläche verlaufenden Strahl begrenzt. Dies ist die Sichtbarkeitsgrenze zwischen Sende- und Empfangsantenne. Wenn der Abstand diese maximale Sichtweite überschreitet, sollte theoretisch kein Signal mehr empfangen werden. Jedoch führen Beugung und Reflexionen in den Wolken zu einer Erhöhung der maximalen Reichweite.

Wichtige Phänomene der Ausbreitung

• Beugung: Phänomen, bei dem ein Signal, das über ein Hindernis oder durch eine Öffnung (klein im Verhältnis zur Wellenlänge) streicht, von der geraden Linie abgelenkt wird und sich in verschiedene Richtungen ausbreitet.
• Troposphäre: Luftschicht in 10 bis 12 km Höhe über dem Boden, die bestimmte Arten elektromagnetischer Wellen beeinflusst.

Raumwellen: Troposphärische und Ionosphärische Ausbreitung

Troposphärische Wellen (Scatter-Vermehrung)

In diesem Bereich entstehen Wolken, die die Bahn der Wellen ändern und sie zur Erde reflektieren können. Die Ausbreitung weist viele Unregelmäßigkeiten auf. Unterschiede in Feuchtigkeit und Temperatur führen zu einer Streuung der Wellen (sogenannte Scatter-Vermehrung). Diese Methode wird genutzt, um große geografische Gebiete oder Meeresoberflächen abzudecken, oft unter Verwendung von Richtantennen und hoher Leistung.

Ionosphärische Wellen

Die Ionosphäre ist der Bereich zwischen 35 und 400 km über dem Meeresspiegel. Dies ist eine hoch ionisierte Schicht (mit positiven elektrischen Ladungen/Ionen), gesättigt durch Sonnenstrahlen, die nicht von der Ozonschicht absorbiert wurden. Sie kann in drei Schichten unterteilt werden, die Wellen unterschiedlich beeinflussen:

Die Schichten der Ionosphäre

1. Schicht 1 (bis 70 km): Sehr geringe Ionisation. Ermöglicht die Reflexion von Langwellen (ca. 0,15 bis 0,285 MHz).
2. Schicht 2 (80 bis 140 km): Höhere Ionisation. Ermöglicht Reflexionen über Entfernungen von bis zu 2.000 km (Mittelwelle: 0,57 bis 1,605 MHz).
3. Schicht 3 (150 bis 500 km): Große Auswirkung auf die Ausbreitung. Wird für die Übertragung von Fern-Kurzwellen (2,30 bis 26,1 MHz) genutzt.

Zur Bestimmung der maximalen Reichweite einer elektromagnetischen Welle müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden: Jahreszeit, Wellenfrequenz, Sonnenaktivität, Tageszeit und Einfallswinkel.

Übertragung elektromagnetischer Wellen über Kabel

Der Leiter ist typischerweise ein Koaxialkabel. Die elektrischen Ströme weisen deutlich niedrigere Spannungs- und Stromwerte auf als in Stromleitungen, jedoch mit viel höheren Frequenzen. Die Übertragung wird nicht durch äußere Signale, Wände, Metallmassen oder andere elektrische Leitungen beeinflusst.

Wichtige Kenngrößen der Kabelübertragung

• Impedanz (Z) der Übertragungsleitung: Der Wert, der am Ende der Leitung gemessen würde, wenn diese unendlich lang wäre. Der ideale Wert beträgt 75 Ohm.
• Widerstand: Der Widerstand, der den elektromagnetischen Wellen entgegengesetzt wird, führt zu einer Abnahme der Signalstärke (Spannung und Strom). Beeinflusst durch: Widerstand der Leiter, verwendete Isolatoren, Größe der Leiter und deren Abstand.
• Dämpfung: Verursacht eine Abnahme der Intensitätswerte von Strom und Spannung aufgrund der Leitungsimpedanz.

Klassifizierung der Kabel nach Dämpfung:

• High Quality Kabel: Weniger als 0,25 dB/m.
• Normale Kabel: 0,25 bis 0,35 dB/m.

Aufbau und Eigenschaften von Koaxialkabeln

Ein Koaxialkabel besteht aus einem zentralen Leiter (Seele), der von einem isolierenden Material (Dielektrikum) umgeben ist. Das Dielektrikum muss den gleichen Abstand zwischen dem Innenleiter und dem äußeren Geflecht (Schirmung) gewährleisten. Das Geflecht ist wiederum mit einer Schutzschicht aus isolierendem Material ummantelt.

Eigenschaften von Koaxialkabeln

• Betriebsfrequenzbereich: Der Frequenzbereich, in dem das Kabel seine Eigenschaften beibehält (typischerweise zwischen 0–3 GHz).
• Impedanz (Z): Schlüsselparameter für die Energieübertragung. Die Energieübertragung ist maximal, wenn die Impedanz der Signalquelle, der Last und der Leitung gleich sind. Wenn Spannung und Strom in Phase sind, ist Z rein ohmsch.

Stehwellenverhältnis (SWV/ROE)

Das Stehwellenverhältnis (SWV/ROE) misst die Abweichung zwischen der idealen Impedanz (75 Ohm) und der tatsächlichen Impedanz. Es ist definiert als das Verhältnis zwischen den maximalen und minimalen Werten von Spannung oder Strom.

Das Merkmal einer stehenden Welle ist die Amplitude. Die maximalen Amplitudenpunkte werden Bäuche genannt, die minimalen Knoten. Das SWV ist ein Parameter für die effiziente Energieübertragung, elektromagnetische Interferenzen und das Auftreten reflektierter Wellen. Diese Phänomene entstehen durch eine Impedanzfehlanpassung zwischen Generator, Übertragungsleitung und Last.

Das SWV (in dB) definiert die Fehlanpassung im System. Bei adaptiven Antennen gilt ein SWV von weniger als 10 dB als akzeptabel. In der Praxis liegt das SWV oft zwischen 6 und 25 dB. Das SWV gibt das Verhältnis des zur Quelle reflektierten Signals zur Last an.

Reflexionskoeffizient und Impedanzanpassung

Der Reflexionskoeffizient ist das Verhältnis zwischen der Spannung der reflektierten Welle und dem Wert der einfallenden Welle an einem bestimmten Punkt der Leitung.

Impedanzanpassung liegt vor, wenn die Impedanz der Antenne gleich der Eingangsimpedanz der Leitung und die Ausgangsimpedanz der Leitung gleich der Eingangsimpedanz des Empfängers ist. Unter diesen Bedingungen ist die Leistungsübertragung maximal.

Je größer die Differenz zwischen der Ausgangsimpedanz und der Eingangsimpedanz der Leitung, desto größer ist die reflektierte Signalleistung und desto geringer die übertragene Leistung. Eine Impedanzfehlanpassung führt zu einer schlechten Nutzung der von der Antenne empfangenen Energie. Ein Teil dieser Energie wird zur Antenne zurückreflektiert, kann von dort erneut abgestrahlt werden und Störungen bei anderen Empfängern verursachen (Geisterbilder).

Wenn der Reflexionskoeffizient 0 ist, liegt eine perfekte Impedanzanpassung vor. Bei einer Fehlanpassung sind Anpassungsgeräte (Impedanzadapter) erforderlich. Das Gerät, das zur Verbindung der Antenne mit der Leitung verwendet wird, wird als Anpassungsgerät bezeichnet.

Weitere Kabelparameter

• Schirmung: Bestimmt, wie gut das Kabel während der Übertragung strahlt oder wie immun es gegen äußere elektromagnetische Wellen ist. Hängt vom Aufbau des äußeren Geflechts ab.
• Gleichstromwiderstand (Aderwiderstand): Bestimmt den Spannungsabfall, falls das Kabel zur Stromversorgung von Geräten genutzt wird.
• Ausbreitungsgeschwindigkeit: Bestimmt durch Art und Aufbau des Dielektrikums. Sie wird als Verhältnis zur Ausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum gemessen.

TV-Empfangsanlagen: Typen und Merkmale

Eine terrestrische TV-Empfangsanlage besteht aus Elementen, die elektromagnetische Wellen empfangen, verarbeiten und für die Darstellung im Fernsehen aufbereiten. Seit 1966 gibt es Vorschriften, die Gebäude dazu verpflichten, eine kollektive Antennenanlage für alle Wohneinheiten bereitzustellen. Dies gilt heute auch für Parabolantennen. Es gibt zwei Haupttypen von Empfangs- und Verteilungssystemen: individuelle und kollektive Anlagen.

Individuelle Empfangsanlagen

Individuelle Installationen dienen einer einzigen Wohnung. Das Signal wird über eine Leitung von weniger als 40 Metern verteilt. Diese Anlagen nutzen in der Regel Mischsysteme, wenn Wellen aus verschiedenen Bändern (UHF und VHF) empfangen werden. Bei niedrigem Signalpegel muss das Signal verstärkt werden. Wenn die Signalpegel verschiedener Kanäle stark variieren, müssen sie durch Verstärker oder Dämpfungsglieder ausgeglichen werden. Bei mehreren Steckdosen müssen die geltenden Vorschriften (IKT) eingehalten werden.

Kollektive Empfangsanlagen

Kollektive Anlagen vermeiden Störphänomene, die zwischen individuellen Antennen auftreten könnten, und verhindern, dass Störungen von einem Haus auf ein anderes übertragen werden. In Gebäuden mit mehr als 10 Wohneinheiten muss die Antennenanlage kollektiv sein.

Anforderungen an kollektive Anlagen:

• Die Signalpegel (Qualität und Intensität) müssen zwischen den Endpunkten innerhalb der gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte liegen.
• Die korrekte Impedanz für den TV-Eingang muss 75 Ohm betragen.