white space

Schotels en Satellieten

1 Inleiding

Tegenwoordig kunnen we op verschillende manieren informatie van punt A naar punt B transporteren. We maken veel gebruik van kabels maar ook wordt er steeds meer gebruik gemaakt van antennes en schotels. Hierbij komen verschillende frequenties voor en hierdoor krijg je ook verschillende elektromagnetische voordplantingen.
We onderscheiden drie verschillende golven: de grondgolf, de ruimtegolf en de directe golf. De grondgolf ontstaat bij een frequentie van 3 kHz tot 3000 kHz (VLF – MF), deze buigt met de aarde af. (zie figuur 1). De ruimtegolf ontstaat bij een frequentie van 3 MHz tot 30 MHz (HF) en deze gaat de atmosfeer in, maar wordt de ionosfeer teruggekaatst naar de aarde. De directe golf krijgen we bij een frequentie van 30 MHz tot 300 GHz (VHF – EHF), de golfen planten zich rechtlijnig voort en gaan dwars door de ionosfeer. We gebruiken de directe golf voor satellietcommunicatie. Hier is de wetenschap druk mee bezig en wordt de laatste tijd veel geld ingestoken. We kunnen hiermee enorme afstanden overbruggen en zelfs grote delen van het aardoppervlak bestrijken.

De satelliettechnologie begon op 4 oktober 1957, toen de eerste aardsatelliet in een baan om de aarde gebracht werd. Het was de Russische Spoetnik I.
Vandaag aan de dag gebruiken we de satellieten voor wetenschappelijk onderzoek van de ruimte en de aarde waaronder: meteorologische waarnemingen, navigatiedoeleinden, militaire toepassingen en overdracht van radio/ tv en datasignalen.

Er zijn een groot aantal satellieten die in een baan om de aarde zweven, omdat de baanhoogten verschillend zijn, hebben de satellieten ook verschillende snelheden. Hierdoor hebben we verschillende soorten satellieten, die ik in het eerste hoofdstuk ga bespreken.


Figuur 1: Soorten golven

2 Satellieten

In de inleiding heb ik verteld dat er verschillende soorten satellieten bestaan, we onderscheiden de Geostationary Earth Orbit (GEO), Medium Earth Orbit (MEO), en de Low Earth Orbit (LEO).

2.1 Geostationary Earth Orbit

De GEO satelliet heeft dezelfde snelheid als de aarde en hangt op een hoogte van ± 36000 km. De baan waar hij in hangt ligt recht boven de evenaar, deze baan wordt ook wel Clarke Belt genoemd (zie figuur 2). Het voordeel hiervan is dat hij dus t.o.v de aarde stilstaat. Maar omdat de maan en andere hemellichamen ook aantrekkingskracht hebben zal de satelliet soms toch nog bijgestuurd worden m.b.v kleine raketjes.
De GEO wordt veel gebruikt voor communicatie (radio/tv), de Astra- satelliet is hier een voorbeeld van. We kunnen namelijk nauwkeurig op deze satelliet richten omdat deze “stil” staat.

Een nadeel is dat de satelliet erg hoog hangt en voor het zenden naar de aarde grote paraboolantennes en zonnepanelen nodig heeft, dit brengt hoge kosten met zich mee. En de signaalvertraging is vrij groot (0,25 sec).


Figuur 2: Aarde met Clarke Belt

2.2 Medium Earth Orbit

De MEO satelliet hangt op een hoogte van ± 12.000 km. De satelliet mag niet veel van deze baan afwijken, omdat men rekening moet houden met de Van Allan-stralingsgordel. Deze gordel strekt zich uit van 2000 km tot 20.000 km, met een minimale straling op ongeveer 12.000 km. Hier bevindt zich dan ook de MEO satelliet.

De satelliet bevindt zich binnen de Clarke Belt en heeft daarom een groter snelheid dan de aarde, binnen 6 uur is hij rondom de aarde. Het voordeel van deze satelliet is dat hij goedkoper is dan de GEO, omdat hij minder ver weg hangt. Nog een voordeel is dat de signaalvertraging ook kleiner is (± 0,1 sec), bij telefonie is dit een groot voordeel.

2.3 Low Earth Orbit

De LEO satellieten bevinden zich op een hoogte van 500 tot 2000 km.
Omdat hij een zeer grote snelheid heeft, ligt zijn omlooptijd tussen de 1 ½ en 2 uur. Een nadeel van deze satelliet is dat hij hierdoor veel atmosferische wrijving krijgt en zijn levensduur hierdoor beperkt is. Een voordeel is dat de signaalvertraging nog kleiner is dan de GEO en de MEO (0,01 – 0,02 sec).

3 De opbouw van een satellietverbinding

In de het vorige hoofdstuk heb ik de verschillende satellieten behandeld en in dit hoofdstuk ga ik uitleggen hoe nu we nu signalen van een satelliet ontvangen. Eerst is het belangrijk om te weten dat een satelliet zelf geen signalen kan uitzenden, je kunt het vergelijken met een ingewikkelde spiegel. Vanaf de aarde wordt een signaal via een zendantenne richting de satelliet gestraald, dit noemen we de uplink (zie figuur 3).


Figuur 3: Principe verbinding met satelliet

De frequentie die hierbij gebruikt wordt is ± 14 GHz (14.000.000.000 Hz). Als de satelliet dit signaal ontvangt zal hij het omzetten naar een lagere frequentie, ongeveer 12 GHz en terugstralen naar de aarde. Dit terugzenden noemen we dan downlink. De functie van de satelliet is dus een repeater of transponder. We ontvangen het signaal dan op aarde met een ontvangstantenne. Het is belangrijk dat de frequentie van de uplink groter is dan de downlink, dit kan niet andersom omdat de satelliet dan veel energie nodig heeft op het signaal in frequentie te verhogen.
Op de aarde wordt dus het signaal ontvangen, omdat de satelliet het signaal in een gerichte bundel terugstuurt. Het ontvangstgebied waar dit signaal ontvangen kan worden is als het ware de voetafdruk van de satelliet, we noemen het daarom ook de footprint (zie figuur 4).


Figuur 4: Ontstaan van een Footprint van een satelliet

Eén satelliet kan verschillende gebieden van de aarde bestrijken. Het signaal komt natuurlijk het sterkst door in het hart van de footprint en hoe verder we aan de rand komen, des te groter moet de schotel (antenne) worden waarmee we willen ontvangen (zie figuur 5).


Figuur 5: Footprint van de ASTRA die Europa 'bestraalt

4 De ontvangstinstallatie

Als een signaal van de satelliet komt wordt hij op aarde ontvangen, met de ontvangstinstallatie. Zo’n ontvangstinstallatie bestaat uit verschillende onderdelen. We kunnen het onderverdelen in drie dingen; de antenne, de satelliettuner of –ontvanger en het televisietoestel (zie figuur 6).

Figuur 6: Overzicht van de dingen die je nodig bent voor het ontvangst van een satelliet

5 Antennes

Om het signaal van de satelliet te ontvangen maken we gebruik van ontvangstantennes. Om de frequenties van een satelliet te ontvangen (12 GHz) hebben we speciale antennes nodig, ook wel schotels genoemd.
De schotel bestaat uit een reflector, een kop (LNB) en een antennevoet / muurbeugel.
Schotels zijn er in alle soorten en maten en ze kunnen gemaakt zijn van kunststof, geplastificeerd ijzer, aluminium en zelfs van glas. Je kunt draaibare schotels krijgen, die je op verschillende satellieten kunt afstellen.
Belangrijk is dat er in de schotel wel een reflecterend materiaal zoals een ijzer vlechtwerk of folie is verwerkt om de signalen goed te weerkaatsen.
Het principe is dat de schotel de signalen bundelt en weerkaatst in één centraal punt, waar zich de kop (ontvanger) bevindt.
Deze kop wordt ook wel LNB (Low-Noise Blockconverter) of outdoor-unit genoemd. In de LNB zit een heel klein antennetje van ongeveer 1 cm. Dit komt omdat de frequentie zeer groot is en dus de golflengte heel klein ( λ = c/f). De lengte van de antenne is altijd een ¼ λ dus de antenne in de kop is heel klein.
De kop ontvangt het microsignaal en zet deze om in een elektrische stroom en hij versterkt het extreem zwakke signaal met een factor die kan oplopen tot 100.000 x. Hierna wordt ontvangen frequentie van 12 GHz omgezet naar een lagere frequentie, zo’n 950 – 1750 MHz. Dit wordt gedaan omdat de je de frequentie van 12 Ghz niet door een coaxkabel kunt sturen, er ontstaat dan namelijk teveel verlies.
Tevens kan de satelliettuner deze hoge frequentie niet aan.
De LNB werkt op een spanning tussen de 6 en 18 V, deze gelijkspanning wordt via de coaxkabel geleverd waar ook het signaal over gaat.
De antennevoet of muur beugel is ervoor om de schotel te bevestigen en hem af te richten op de satelliet.

Bij dit africhten moet gelet worden op:

  • de elevatie, dit is de hoek in het verticale vlak
  • de azimut, de hoek in het horizontale vlak.

Hier zal ik later in het verslag nog wel op terug komen

We kunnen de parabool antennes in drie soorten verdelen:

  • primair-focus schotel
  • offsetschotel
  • vlakkeschotels

5.1 Primair Focus schotel

Dit is veruit de bekendste schotel, hij heeft het ontvangstgedeelte (de LNB) voor het geometrische brandpunt van de spiegel gemonteerd (zie figuur 7).


Figuur 7: Prima focus schotel

De inkomende stralen worden gespiegeld en gebundeld, hierna komen ze in het brandpunt bij de ontvanger terecht. Dit wordt ook wel indirecte voeding genoemd.
Een variant hierop is de Cassegrain-schotel, hierbij wordt in de paraboolspiegel een kleinere hyperbolische spiegel gemonteerd. De eigenlijke ontvanger is nu in een opening in het midden van de parabolische spiegel geplaatst. De bundel komt nu binnen en wordt via de parabolische spiegel gereflecteerd naar het bolle vlak van de hyperbool. De hyperbool kaatst de stralen terug naar het centrum van de parabool waar de ontvanger (LNB) zit (figuur 8).
Het voordeel hiervan is dat de diepte van de schotel nu kleiner is geworden en de constructie is sterker en het rendement is hoger geworden. Voor gewoon televisie ontvangst is deze dure uitvoering niet nodig.


Figuur 8 : Cassegrain-schotel

5.2 Offsetschotel

Deze schotel is meestal ovaal en veel platter dan een primair focus schotel. Een offset schotel staat ook rechter op en de LNB hangt duidelijk uit het midden van de schotel.
Een Offsetschotel wordt gevormd uit een stuk van een veel grotere primair focus schotel (zie figuur 9).


Figuur 9: Opbouw van een Offsetschotel

Het voordeel van deze schotel is dat de LNB niet in de weg zit zodat er geen schaduw op de schotel komt. Een ander voordeel is dat de bijna verticale positie plat tegen de muur gemonteerd kan worden. Zo kan er ook geen sneeuw of bladeren in blijven liggen.
De offset schotel wordt bijna altijd gebruikt voor televisie ontvangst.
Ook is deze schotel weer in de uitvoering van Cassegrain te krijgen.

5.3 Vlakke schotels

De techniek staat niet stil en tegenwoordig heeft met ook al de platte schotel ontwikkeld. Hierbij worden de microgolfstralen door collectoren opgevangen en doorgegeven (figuur 10).
De grote van de schotels zijn ongeveer 30 bij 40 cm en de dikte is 3 á 4 cm. Binnen in de antenne bevinden zich zeer kleine dipoolantennetjes, die via filters en versterkersystemen parallel aan elkaar gekoppeld zijn.
We gebruiken dus geen LNB en de stralen worden niet gereflecteerd.
De schotels worden gebruikt op jachten, campers en caravans, verder wordt het niet erg veel toegepast omdat de kwaliteit niet te vergelijken is met een paraboolantenne. Waarschijnlijk zullen ze deze ook nooit vervangen.


Figuur 10: Een vlakke schotel die zichzelf kan uitrichten

6 De satelliettuner

De satelliettuner of ook wel ontvanger of indoor-unit genoemd is de verbindende schakel tussen de schotel en de televisie (figuur 11).


Figuur 11: Uitvoering van de satelliettuner

De ontvanger verwerkt het signaal dat van de LNB komt tot een audio- en videosignaal. Deze signalen zien en horen we dan weer via een televisietoestel. Je kunt de satelliettuner wel vergelijken met de FM-tuner van de radio. Je ontvangt alle signalen en hiermee selecteer je het gewenste kanaal dat je wilt luisteren/ bekijken. Aan de uitgang van de tuner zijn dan AM gemoduleerde signalen beschikbaar met een bandbreedte van 7 – 8 MHz.
Een paar jaar geleden werd voor het ontvangst met de schotel gebruik gemaakt van een analoge decoder (tuner). Hiermee kon het nog wel eens voorkomen dat je beeld iets minder goed werd. We kunnen deze decoder nog wel gebruiken maar kunnen dan veel zenders niet meer ontvangen. Tegenwoordig gebruiken we een digitale decoder, hiervoor moest je ook een andere LNB plaatsen, maar je kunt nu wel via de Astra satelliet heel veel zenders ontvangen.
Het voordeel is dat je nu heel goed beeld hebt en het kan niet gaan storen, het is goed beeld of geen beeld (0 of 1).
Ook wordt er extra informatie meegezonden over de programma’s.
Met behulp van een smartcard (soort telefoonkaart, zie volgende pagina) die je erin schuift, kun je de zenders bekijken. Met bijbetaling kun je meer zenders krijgen en dit wordt dan weer geregistreerd op je smartcard.
In de toekomst krijg je er nog een tweede pas bij en hiermee kun je via de telefoonlijn de gewenste zender bekijken en hier betaal je dan gewoon voor. Kijk je niet, dan betaal je ook niet. Tevens is er de mogelijkheid om de decoder op de computer aan te sluiten en zo de zenders te bekijken.

In figuur 12 wordt nog een oude afbeelding van een smartcard getoond, deze is inmiddels vervangen door een nieuwere versie. Dit was nodig omdat er te veel mensen waren die de smartcards zelf konden programmeren wat er voor zorgde dat ze konden kijken naar programma’s waar je normaal voor zou moeten betalen bijvoorbeeld Canal+.


Figuur 12: Smartcard

7 EIRP

Een schotel ontvangt veel meer energie dan een antenne en ook bij het verzenden van energie is hij beter. Dit komt omdat een antenne in alle richtingen zijn energie verspreid en zo een groot deel dus niet wordt gebruikt. Bij het zenden met een schotel is dit anders, we richten de schotel op een bepaald punt en de bundel energie gaat die kant op.
Met behulp van de EIRP, Effective Isotropic Radiated Power kunnen we de energie berekenen die we in een antenne moeten stoppen om op een bepaalde afstand dezelfde energie te meten dat uit een schotel komt (zie figuur 13).
Het zal duidelijk zijn dat je minder energie in een schotel hoeft te stoppen om hetzelfde eruit te krijgen.
We berekenen dit met de formule EIRP = 10 log (Po x GdB), hier is Po het vermogen van de zender en GdB de antenneversterking.
Als referentie nemen we 1 W voor EIRP dB of 1 mW voor EIRP dBm.


Figuur 13: Principe EIRP

8 De signaal / ruisverhouding

In het begin heb ik verteld dat satellieten op enorme hoogtes in de ruimte hangen. Bij het verzenden van signalen zal er niet alleen vertraging in het heen en teruggaande signaal ontstaat, maar ook signaalverlies.
Als je bijvoorbeeld 100 % energie de ruimte instuurt naar de satelliet dan zal deze bijvoorbeeld maar 70 % terugzenden.
We kunnen het ruimteverlies berekenen met de volgende formule:

Hierbij is:
Rv = ruimteverlies [dB]
λ = golflengte [m]
d = afstand in de ruimte [m]

Behalve met signaalverlies hebben we ook te maken met ruis. De ruis is afhankelijk van de temperaturen van de verschillende onderdelen, zoals de antenne, de ontvangers en de voedingslijn. Ook speelt de bandbreedte een rol in het ruisvermogen. We kunnen dit ruisvermogen berekenen met de volgende formule:

Hierbij is:
k = constante van Boltzman (13.8 * 10-24 J/K)
Tt = totale temperatuur [K]
B = bandbreedte [Hz.]

9 Uitrichten van een schotel

Bij het uitrichten van een schotel moet je op een paar dingen letten. Het belangrijkste is dat je de elevatie en de azimut goed hebt. De elevatie een instelling verticaal en de azimut is een instelling horizontaal. Zie afbeelding 14:


Figuur 14: Overzicht mogelijkheden Azimt en Elevatie

Zo kun je dus heel precies je schotel instellen. Dit is ook wel nodig want het komt behoorlijk precies. Maar dat kan ook haast niet anders want als je er hier op aarde 1 cm naast zit, zit je daar in de ruimte er natuurlijk nog veel verder naast. Om dit zo goed mogelijk te kunnen doen maken we bij EP:Hans Brinkhuis gebruik van een schotel meter. Dit is een hulpstuk voor het uitrichten van een schotel. De elevatie is hier het makkelijkst om eerst uit te richten. Die is hier in deze omgeving zo rond de 30 graden. De azimut is wel wat meer zoeken vaak kun je al wel zien aan de schotels die er in de buurt hangen hoe hij ongeveer zou moeten hangen. Dat is erg makkelijk want de schotelmeter kun je eigenlijk pas gebruiken op het moment dat je de satelliet al hebt gevonden maar nog niet ideaal hebt afgestemd.

10 Toepassing binnen het bedrijf

Ik heb bij EP: Hans Brinkhuis al een aantal schotel klussen gehad het wil nog al eens voorkomen dat bijv. door harde wind een schotel verwaait. En dan heb je natuurlijk geen beeld meer, dan moeten wij er na toe om de schotel weer goed uit te richten. Met de schotel meter is dit echt heel makkelijk en het duurt dan vaak ook niet zo lang. Ik heb laatst ook samen met Erik (een collega uit de buitendienst) een schotel bij mensen thuis geïnstalleerd. Erik deed het me eerst een keer voor en vervolgens moest ik het zelf goed doen. Als je de schotel meter snapt is het echt heel eenvoudig.

11 Conclusie

Schotel tv komt steeds meer. Voor plekken waar geen kabel is, is dit al een tijdje zo maar je ziet ook steeds meer schotels op plekken waar de kabel ook is. Dit komt denk ik vooral omdat de beeld kwaliteit van de schotel een heel stuk beter is. En op die mooie grote tv’s van tegenwoordig zie je het steeds beter het kwaliteit’s verschil tussen de kabel en schotel.

Ook ben ik er achter gekomen in dit verslag hoe het nou allemaal precies werkt. Een groot gedeelte wist ik ook al wel maar er zaten toch ook een aantal dingen bij die ik nog niet wist.

Bronnen

Boeken:
Werkboek: telematica systemen TMA
2e en 3e jaars telematica boek.

Internet:
Ik heb internet gebruikt voor de plaatjes.

Geschreven door Roy Katoele