DE19531309A1 - Teiladaptives Empfangssystem für den Satellitenrundfunk mit elektronischer Beeinflussung der Richtcharakteristik und der Polarisation - Google Patents

Teiladaptives Empfangssystem für den Satellitenrundfunk mit elektronischer Beeinflussung der Richtcharakteristik und der Polarisation

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Description

Stand der Technik mit Fundstellen
Die zur Zeit für den Satellitenrundfunk eingesetzten Empfangssysteme bestehen aus einem Empfänger und einem Parabolspiegel oder einer Flachantenne. Dabei muß die Antenne exakt auf den gewünschten Satelliten ausgerichtet werden. Sollen mehrere Satelliten empfangen werden können, ist eine mechanische Verstellung der Antenne mit einem Zweiachsenmotor oder einer Polarmounthalterung mit Schubstange notwendig [TechniSat Produktkatalog].
Aufgrund der Abmessungen der eingesetzten Antennen, stehen diese bei einem seitlichen Einfall relativ zur Hauswand sehr weit von der Wand ab, was sich bei einer Vielzahl von Antennen an einer Hauswand, wie z. B. bei Hochhäusern, sehr negativ auf das Erscheinungsbild des Gebäudes auswirkt. Der bei Reflektorantennen notwendige Empfangskonverter (LNG), der im Abstand der Focuslänge vor dem Reflektor befestigt werden muß, entfällt bei Flachantennen. Übliche Flachantennen müssen aber da ihre Hauptempfangsrichtung mit der Flächennormalen übereinstimmt, für ASTRA- und EUTELSAT/HotBird-Anlagen um ca. 30° geneigt werden [TechniSat Produktkatalog].
Um die mechanische Ausrichtung von Antennen zu umgehen, wurden Antennen entwickelt, deren Hauptkeule durch Phasengewichtung der Einzelelementsignale elektronisch geschwenkt werden kann [Properties of phased arrays, Proceedings IRE, Vol 48, Oct. 1960, pp 1715-727] [Theory and Analysis of Phased Array Antennas, Wiley-Interscience, Bell Telephone Laboratories, Inc., and Victor Galindo]. Hierzu wurde auch an der Universität Paderborn ein phasengesteuerte Antenne für den Empfang des Digitalen Hörrundfunks (DSR) vom Satelliten W-Sat2 entwickelt und aufgebaut [A Mobile Antennna for the Digital Satellite Radio (DSR), 21. European Microwave Conference, Conference Proceedings, pp 392-397, Stuttgart, Germany 1991]. Diese Antenne besitzt Phasenschieber zur Steuerung der Azimut- und der Elevationscharakteristik. Als Gütekriterium für die Adaption wird die Empfangsleistung verwendet. Es kann aber nur eine feste Polarisation empfangen werden.
Die am Markt erhältlichen Flachantennen weisen pro Polarisation eine eigene Antennenebene auf, die übereinander angebracht sind. Damit können zwei feste Polarisationen gleichzeitig empfangen werden.
Reflektorantennen für Drehanlagen benutzen zur Einstellung der Polarisation einen Polarizer durch den eine einfallende linear polarisierte Welle um 90° räumlich gedreht und eine zirkular polarisierte Welle in eine linear polarisierte umgewandelt werden kann. Eine Erweiterung der herkömmlichen Antennen für den gleichzeitigen Empfang von Satelliten auf verschiedenen Orbitpositionen ist aber nur bei Reflektorantennen möglich. Liegen die gewünschten Satelliten dicht nebeneinander, kann ein zusätzlicher LNC neben dem zentralen LNG angebracht werden. Diese Lösung wird auch als Schiellösung mit Multifeed-Halterung bezeichnet. Sie ermöglicht über einen Matrix-Verteiler den gleichzeitigen Empfang jeweils der beiden Polarisationsebenen pro verwendetem LNC. Diese Art Antennen mit Multifeedhalterung sind für den Gemeinschaftsempfang und für TWIN-Receiver geeignet [Eutelsat info news, Feb. 95].
Problem
Zentralgespeiste Reflektorantennen und Flachantennen müssen mechanisch in der Elevation und dem Azimut ausgerichtet werden, so daß sie sich nicht flach an einer Hauswand befestigen lassen und sich auch nicht in diese integrieren lassen.
Beim Einsatz von Polarizern für Reflektorantennen kann keine optimale Polarisationsanpassung erfolgen. Es ist nicht möglich, eine einfallende linear polarisierte Welle um einen beliebigen Winkel zu drehen. Nachteilig wirkt sich dies zum Beispiel beim Empfang der französischen TELECOM-Satelliten aus, deren horizontale Polarisation um ca. 20° gegenüber der Äquatorebene gedreht ist [W. Thuri, A. Ilsanker, Antennen für den Satellitenempfang, Franzis Verlag, München 1993]. Hier ist durch Variation des Polarizerstroms keine gute Polarisationsanpassung und damit keine ausreichende Kreuzpolarisationsentkopplung möglich. Dies führt zu Störungen des empfangenen Fernsehbildes durch orthogonal polarisierte Wellen gleicher Frequenz. Es treten weiße und schwarze Flecken auf, die von den Bild- und Zeilensynchronimpulsen des Nachbartransponders stammen, da sich ihre Spektren aufgrund der Verkämmung überlappen und nur durch die Polarisation der ausgesendeten Wellen unterscheiden.
Bei den zur Zeit bekannten adaptiven Antennen ist nur eine Beeinflussung der Richtcharakteristik und ein Umschalten zwischen zwei orthogonalen Polarisationen möglich, nicht aber eine Anpassung der Polarisation. Entweder kann auch nur zwischen zwei orthogonal linearen oder zwischen zwei orthogonal zirkularen Polarisationen umgeschaltet werden. Damit kann keine Anpassung an lineare Polarisationen mit beliebiger Richtung des Polarisationsvektors erfolgen. Es muß zwangsläufig eine Abnahme der Kreuzpolarisationsentkopplung hingenommen werden.
Zusätzlich besteht bei fest ausgerichteten Antennen oder Drehanlagen das Problem, daß die Ausrichtung der Antenne nicht kontinuierlich überprüft wird. Ist durch starke Windeinwirkung oder durch mangelnde Positioniergenauigkeit einer Drehanlage die Hauptkeule nicht optimal ausgerichtet, ergeben sich aufgrund der Abnahme des Empfangspegels weiße und schwarze Flecken im gesamten Fernsehbild. Dies erfordert eine Neuausrichtung der Antenne. Drehanlagen verwenden ein Verfahren bei der automatischen Ausrichtung, bei dem die Grenzwinkel gesucht werden, bei denen die Synchronisierung des Vertikaloszillators ausfällt [System TechniFocus, TechniSat Produktkatalog]. Die optimale Richtung wird dann in der Mitte zwischen den beiden Grenzwinkeln angenommen. Eine solche Ausrichtung liefert nicht immer das beste Ergebnis, so daß oft durch eine manuelle Ausrichtung eine höhere Bildqualität erzielt werden kann. Bei einer regelmäßigen automatischen Auslösung einer Überprüfung der Ausrichtung entsprechend diesem Verfahren, würden regelmäßig Bildausfälle entstehen, die vom Rundfunkteilnehmer als sehr störend empfunden würden. Eine andere Alternative besteht darin die Ausrichtung der Antenne nach dem Gütekriterium Empfangsleistung vorzunehmen. Dies erweist sich aber in praktischen Versuchen als sehr ungenau, da das Maximum als Funktion des Drehwinkels sehr flach verläuft und aufgrund der Modulation kein eindeutiges Maximum als Funktion des Drehwinkels detektiert werden kann.
Eine adaptive Antenne mit Gütekriterium "Leistung" würde bei gleich starken Satellitensignalen mehrere Hauptkeulen ausbilden [Reaktionen adaptiver Antennen auf typische Signalsituationen des mobilen Satellitenempfangs, lTG-Fachbericht 111, VDE-Verlag GmbH, Berlin 1990]. Damit wäre der gezielte Empfang eines bestimmten gewünschten Satelliten nicht möglich.
Lösung
Das Problem der Neigung von Flachantennen kann durch eine Vorprägung der Elevationscharakteristik der verwendeten Spaltenelemente umgangen werden. Es ist dann, wenn die Antenne in Azimutrichtung elektronisch geschwenkt werden kann (Fig. 2), möglich, die Antenne flach an der Wand zu montieren (Fig. 1). Eine mögliche Ausgestaltung besteht darin, getaperte Rampart-Line-Elemente zu verwenden, deren Schwenkwinkel sich durch Stauchung oder Streckung einstellen läßt. Die benötigte Bandbreite kann durch das Größenverhältnis zwischen kleinster und größter Einheitszelle eingestellt werden [J. R. James, P. S. Hall, Handbook of Microstrip antennas, Vol. 1+2, Peter Peregrinus Ltd., London 1989]. Gleichzeitig wird hierbei die Hauptkeulenbreite in Elevationsrichtung vergrößert.
Das Problem der Anpassung an beliebige Polarisationen kann durch die Überlagerung der Felder orthogonal polarisierter Elemente behoben werden. Beim Einsatz von nur zwei Elementen wäre neben der Phasengewichtung noch eine Amplitudengewichtung notwendig. Die schaltungstechnisch aufwendige Amplitudengewichtung wird aber durch den Einsatz einer großen Anzahl von Elementen umgangen. Es ist nur noch eine Phasengewichtung notwendig. Hierdurch ergibt sich allerdings eine Quantisierung aller möglichen Polarisationen. Simulationen zeigen, daß sich die Kreupolarisationentkopplung unter idealen Bedingungen aufgrund der Quantisierung auf Werte besser 40 dB einstellen läßt. Eine Kreuzpolarisationsentkopplung von nur ca. 20 dB wird aber üblicherweise als vollkommen ausreichend angesehen, so daß die Quantisierung praktisch irrelevant ist.
Werden zum Beispiel zwei orthogonal zirkular polarisierte Spaltenelemente nach Fig. 7 und 9 mit Dy=0 verwendet, ist im Sendefall diese zweielementige Gruppe in der Richtung senkrecht zur Antennenfläche vertikal polarisiert. Wird nun die Phasenlage eines der beiden Elemente verändert, dreht sich der Polarisationsvektor räumlich um die Hälfte der Phasendifferenz zwischen der Anregung des einen und des anderen Elementes. Ist also die Phasendifferenz 180°, dreht sich die Polarisation um 90°.
Das Problem des Bildausfalls bei einer Überprüfung der Ausrichtung der Antenne wird dadurch umgangen, daß als Gütekriterium "Anzahl der weißen und schwarzen Flecken pro Halbbild" verwendet wird. Sie ergeben sich als Unter- bzw. Überschreitungen des zulässigen Videopegelbereiches (Fig. 5) und werden als solche auch vom Fensterdiskriminator nach (Fig. 6) detektiert und mit einem 16-bit-Zähler gezählt. Die Rücksetzung des Zählers erfolgt im Takt der Vertikalsynchronisierung. Die Störungen werden häufig auch als "Fische" bezeichnet und werden auch bei gelegentlichem Auftreten vom Betrachter als sehr störend empfunden. Die Schaltung nach (Fig. 6) kann aufgrund ihres 16-bit-Zählers bis 2¹⁶ zählen. Tatsächlich fällt aber die Vertikalsynchronisation typischerweise bei ca. 5000 Flecken pro Halbbild aus. Aufgrund des Wertebereichs von 0 bis ca. 5000 erhält man eine sehr hohe Auflösung des wertediskreten Gütekriteriums, die ja aufgrund der vielen Freiheitsgrade bei der Optimierung der Phasenschieber auch benötigt wird. Ein große Anzahl an Flecken wird aber nicht nur durch einen schwachen Signalpegel sonder auch gerade durch kreuzpolare Störungen und Nebenkeulen, die auf andere Satelliten ausgerichtet sind, hervorgerufen. Diese Störungen führen im Gegensatz zu einem schwachen Empfangspegel nicht zu Flecken auf dem gesamten Bildschirm sondern meist zu gestörten Zonen. Diese Zonen werden von der Zeilen- und Bildsynchronisation oder stark gesättigten Farben der Nachbartransponder hervorgerufen und wandern aufgrund geringer Frequenzdifferenzen zwischen den verschiedenen Zeilen- und Bildfrequenzen langsam durch das Bild durch. Daher ist es auch notwendig, die Flecken nicht nur über eine Zeile sondern mindestens über ein Halbbild zu zählen. Das Gütesignal "Anzahl der weißen und schwarzen Flecken pro Halbbild" stellt somit ein Maß für das Verhältnis zwischen Nutzsignalleistung und Rausch- plus Störleistung S/(N+1) dar. Voraussetzung für die schaltungstechnische Bestimmung des S-zu-(N+1)-Verhältnisse mit einer Schaltung nach Fig. 6 ist aber, daß das der Schaltung bereitgestellte Videosignal "geklemmt" ist. Das heißt der Pegel der hinteren Schwarzschulter (Fig. 5) muß einen definierten Pegel besitzen. Voraussetzung hierfür wiederum ist, das der Horizontaloszillator, der für die "Klemmung" benötigt wird, eingerastet ist [Fernsehtechnik ohne Ballast, O. Limann und H. Pelka, 14 Auflage, 1983]. Daher sind zu Beginn der Optimierung Schätzwerte für die Phasenschieber zu berechnen, oder es ist ein Absuchvorgang mit Hilfe des Gütekriteriums "Empfangsleistung" durchzuführen. Erst wenn der Vertikaloszillator eingerastet (synchronisiert) ist (Fig. 2), kann vom Gütekriterium "Empfangsleistung" auf das Gütekriterium Anzahl der weißen und schwarzen Flecken pro Halbbild" umgeschaltet werden. Somit stellt auch die Information "Vertikaloszillator eingerastet/nicht eingerastet" ein Gütekriterium dar, anhand dessen auch ein einfallendes Signal als Fernsehsignal oder nicht Fernsehsignal erkannt werden kann.
Das Empfangssystem versucht also beim Fernsehempfang aufgrund des Gütekriteriums "Anzahl der weißen und schwarzen Flecken pro Halbbild" genau das zu optimieren, was den Betrachter stört. Der Unterschied zu bisherigen adaptiven Systemen besteht darin, daß das Gütekriterium sehr weit hinten in der Empfangsstruktur abgegriffen wird. Das oft verwendete Gütekriterium "Signalleistung" stünde am Eingang des Empfängers schon zur Verfügung, ist aber für diesen Anwendungsfall ungeeignet, da sich ja wie oben erwähnt, mehrere Hauptkeulen ausbilden würden.
Beim Digitalen Hörrundfunk nach dem ASTRA-Digital-Radio-Standard (ADR) [Produktinformation zum ADR-Receiver ASTRASTAR AX-1, TechniSat] kann als Maß für den Signal-zu-Rausch-plus-Störabstand die Bitfehlerkorrekturhäufigkeit verwendet werden. Hierdurch wird das Problem der Ausbildung mehrerer Hauptkeulen beim Gütekriterium "Empfangsleistung" gezielt umgangen. Es müssen aber, wie beim Fernsehempfang auch, zunächst Schätzwerte für die Phasenschieberkoeffizienten berechnet werden, damit eine genügende Empfangsleistung zum Einschwingen des im Gerät enthaltenen Viterbi-Decoders vorliegt.
Alle diese Gütekriterien führen dazu, daß die Antenne nicht mehr losgelöst vom Empfänger und dem verwendeten Modulationsverfahren betrachtet werden kann. Aufgrund der Rückwirkung des demodulierten Signals auf die Eigenschaften der Antenne, kann nicht wie bisher allein von einer adaptiven Antenne gesprochen werden, sondern es muß das Empfangssystem als Ganzes betrachtet werden. Die adaptive Antenne wird ein systembestimmendes Element des Empfangssystems.
Erreichte Vorteile
Die Vorteile des Empfangsystems bestehen darin, daß die Antenne flach an einer Hauswand montiert werden kann (Fig. 1), nicht mechanisch ausgerichtet werden muß und ständig durch Variation der Phasenschieber die Form und richtungsabhängige Polarisation der Antenne anhand eines Gütekriterium, das mit einer Schaltung nach Fig. 6 ermittelt wird, optimiert (Fig. 2) und somit eine möglichst optimale Bildqualität erzielt. Es kann eine Welle beliebiger Polarisation, insbesondere auch beliebig elliptisch polarisierte Wellen, empfangen werden. Durch das Empfangssystem erfolgt eine optimale Einstellung der Phasenschieber hinsichtlich der Bildqualität, die ja für den Verbraucher das wichtigste von ihm direkt wahrnehmbare Qualitätskriterium für die Empfangsanlage ist. Beim Empfang von ASTRA-Digital-Radio schaltet das Prozessorsystem vom Gütekriterium "Anzahl der weißen und schwarzen Flecken pro Halbbild" auf das Gütekriterium "Bitfehlerkorrekturhäufigkeit" um. Hierdurch ist gewährleistet, daß der ADR-Receiver möglichst wenig Übertragungsfehler korrigieren oder sogar verschleiern muß.
Weitere Ausgestaltung der Erfindung
Die Antenne kann entsprechend Fig. 3 um ein Doppelsummationsnetzwerk nach Patentanspruch Nr. 17 erweitert werden. Hierdurch ist der gleichzeitige Empfang zweier orthogonaler Polarisationen gemäß Patentanspruch Nr. 18 möglich. Für den Satelliten ASTRA wird zum Beispiel die vertikale und horizontale Polarisation gleichzeitig benötigt um den Betrieb von TWIN-Receivern oder Gemeinschaftsanlagen zu ermöglichen.
Eine darüber hinausgehende Erweiterung der Antenne gemäß Patentanspruch Nr. 19 ermöglicht den Empfang jeweils beider orthogonaler Polarisationen von Satelliten unterschiedlicher Orbitpositionen, wobei die genaue Lage der horizontalen Polarisation relativ zur Äquatorebene für die beiden Satelliten verschiedenen sein kann. Dies ist zum Beispiel bei den Satelliten ASTRA und Eutelsat der Fall, wo die Richtung der horizontalen Polarisation einmal um +7° und einmal um -11° gegenüber der Äquatoreben verdreht ist [W. Thurl, A. Ilsanker, Antennen für den Satellitenempfang, Franzis Verlag, München 1993].
Um den Bedienungskomfort der Antenne zu steigern, kann in die Antennensteuerung ein ASK-Demodulator für die Frequenz 7,2 kHz untergebracht und ein Satellitenreceiver gemäß dem TechniFocus-System verwendet werden (Fig. 2). Wird am Satellitenreiver das Programm gewechselt, berechnet die Antennensteuerung automatisch aus den übermittelten Daten einen neue Schätzwerte für die Phasenschieber. Die geschätzten Phasenschieberkoeffizienten werden dann anschließend anhand der oben erwähnten Gütekriterien optimiert.
Beschreibung eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele
Eine mögliche Ausführung der Antennenfläche gemäß Patentanspruch 4 mit getaperten Rampart-Line-Elementen zeigt Fig. 9. Die kontinuierliche Vergrößerung der Einheitszellen bewirkt eine Zunahme der Bandbreite. Am linken Ende der Leitung erfolgt die Durchkontaktierung zum Verstärker. Am rechten Ende ist ein geätzter Kondensator und anschließend ein Lötpunkt für den Abschlußwiderstand zu sehen.
Ein Ausführungsbeispiel für die baugleichen Module bestehend aus Vorverstärker, Phasenschieber und Digital-Analog-Teil, der die Adreßdekodierung und die Arbeitspunktstabilisierung enthält, zeigen
Fig. 13, 14 und 15.
Eine mögliche Realisierung der Prozessorsteuerung zeigt Fig. 11 und 12.
Die Ausführung des Summationsnetzwerkes aus Sektor- anstelle der sonst üblichen T- Teilern zeigt Fig. 16 und 17.

Claims (20)

1. Empfangssystem mit phasengesteuerter Planarantenne für den Empfang von Rundfunksatelliten, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne flach an einer grob zu den Satelliten ausgerichteten Hauswand befestigt wird (Fig. 1 und keinerlei mechanischer Schwenkung bedarf.
2. Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elevationswinkel E₀ der Hauptkeule (Fig. 1) fest eingestellt wird.
3. Empfangssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Spaltenelemente mit einer in der Elevation vorgeprägten Richtcharakteristik verwendet werden.
4. Empfangssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß getaperte Rampart-Line-Elemente als Spaltenelemente verwendet werden.
5. Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Azimutwinkel A₀ der Hauptkeule (Fig. 1) mindestens in einem Bereich von ± 49,1° durch Phasengewichtung der Einzelelementsignale geschwenkt werden kann (Fig. 2).
6. Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd zueinander orthogonal polarisierte Strahlerelemente auf der Antennenfläche angebracht sind (Fig. 3).
7. Empfangssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd zwei orthogonal linear polarisierte Strahlerelemente verwendet werden.
8. Empfangssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd zwei orthogonal zirkular polarisierte Strahlerelemente verwendet werden.
9. Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zueinander orthogonal polarisierte Elemente in verschiedenen Schichten übereinander angeordnet sind und jeweils mit einem eigenen Phasenschieber versehen sind.
10. Empfangssystem nach Anspruch 6, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anpassung der Polarisation in Hauptstrahlrichtung an beliebig polarisierte Wellen (elliptisch, zirkular, linear) möglich ist.
11. Empfangssystem nach Anspruch 6,7, 8; 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Phasenschieber der Antenne (Fig. 2) gleichzeitig die Richtcharakteristik und die richtungsabhängige Polarisation verändert wird.
12. Empfangssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennensteuerung durch Variation der Phasenschieber gleichzeitig die Form der Richtcharakteristik und die Polarisation der Richtcharakteristik in der Hauptempfangsrichtung optimiert.
13. Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Fernseh- oder Radiounterträgerempfang die Bildqualität durch eine Gütesignalschaltung nach Fig. 6 beurteilt wird.
14. Empfangssystem nach Anspruch 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildqualität als Gütekriterium für die Optimierung der Phasenschieber benutzt wird.
15. Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Empfang von ASTRA-Digital-Radio (ADR) die Bitfehlerkorrekturhäufigkeit des Decoders als Gütekriterium für die Optimierung der Phasenschieber benutzt wird.
16. Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antenne gleichzeitig mehrere Optimierungskriterien zur Verfügung gestellt werden, wenigstens aber die zwei Gütekriterien "Empfangsleistung" und "Bildqualität" bei Fernseh- und Analog-Radio-Empfang oder "Bitfehlerkorrekturhäufigkeit" bei Digital- Radio-Empfang.
17. Empfangssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem üblichen Summationsnetzwerk ein zweites Summationsnetzwerk mit 180°-Umwegleitungen in jeder zweiten Spalte vorhanden ist (Doppelsummationsnetzwerk nach Fig. 3).
18. Empfangssystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig zwei zueinander orthogonale polarisierte Wellen empfangen werden können.
19. Empfangssystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen zweiten Satz Phasenschieber und ein zweites Doppelsummationsnetzwerk von zwei Satelliten auf verschiedenen Orbitpositionen jeweils beide Polarisationsebenen gleichzeitig empfangen werden können.
20. Empfangssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß keine Wechselspannungskopplung zwischen dem Gate der ersten Stufe des rauscharmen Vorverstärkers (Fig. 1) und dem Rampart-Line-Element erfolgt, sondern nur entweder zwischen dem Ende des Rampart-Line-Elementes und dem Abschlußwiderstand oder nur zwischen dem Abschlußwiderstand und der Masse.
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