Phase 3-D AMSAT-DL Journal


Frank Sperber, DL6DBN

Phase 3-D Bodenstationen

Eine der Zielsetzungen des AMSAT-Phase 3-D Satellitenprojekts ist die Verbesserung der Kommunikationsstrecken im Uplink und Downlink um bis zu 10 dB. Dies hat Auswirkungen auf den technischen Aufwand, der bei den Bodenstationen zum Satellitenbetrieb erforderlich ist. Außerdem sind bei P3-D sieben Uplinkfrequenzbereiche und fünf Downlinkbänder nutzbar. Die Vielzahl der damit über die ZF-Matrix schaltbaren Modes wird den praktischen Betrieb sicher stark beeinflussen. Und im Bereich der digitalen Kommunikation über das RUDAK-Modul ergeben sich, dank digitaler Signalverarbeitung, ebenfalls neue Möglichkeiten.

Über die ZF-Matrix (Bild 1) lassen sich die verschiedenen Empfänger, auch mehrere zugleich, mit den Sendern flexibel verbinden. Sofern es die Leistungsbilanz des Satelliten zuläßt, lassen sich zudem zwei Sender parallel betrieben. Da alle Empfänger und Sender die gleiche Zwischenfrequenz nutzen, sind interessante Verbindungen möglich, in denen beide Funkstationen völlig unterschiedliche Frequenzbereiche nutzen. Bild 2 zeigt die Überdeckung der verschiedenen Passbänder für den analogen Bereich der Transponder.

ZF-Matrix (6.0 kB)

Bild 1:Die ZF-Matrix von Phase 3-D, Knotenpunkte markieren die möglichen Transponderkombinationen.


Die MODES

Für die zukünftige Kurzbezeichnung der Modes wurde ein zweibuchstabiges System vorgeschlagen, das sich inzwischen durchgesetzt hat. Danach wird die Modebezeichnung aus den Kennbuchstaben des Uplinks und des Downlinks zusammengesetzt. Der bisherige Mode-B (70 cm Uplink, 2 m Downlink) wäre auf P3-D mit Mode-UV zu bezeichnen (UHF/VHF). Ab dem 23 cm Band werden die international üblichen Bandbezeichnungen verwendet (L, S, C, X, K), so daß die Kombination 23 cm Uplink, 13 cm Downlink dann als Mode-LS bezeichnet würde.

Transponderbereiche (13.6 kB)

Bild 2: Die Durchlaßbereiche des Lineartransponders in den einzelnen Bändern

Tabelle 1: Die Modes im Überblick
Downlink 145 MHz 435 MHZ 2401 MHz 10450 MHz 24048 MHz
Uplink Bandkürzel V U S X Ka
21 MHz T TV TU TS TX TK
24 MHz H HV  HU HS  HX HK 
145 MHz V - VU VS VX VK
435 MHz U UV - US UX UK
1270 MHz L LV LU LS LX LK
2400 MHz S SV SU - SX SK
5650 MHz C CV CU CS CX CK

Es werden später in der Praxis sicher nicht alle der technisch möglichen Modes in Betrieb genommen. So ist beispielsweise der 21 MHz-Empfänger mit seiner Dipolantenne nur für das Perigäum geeignet, während die X- und Ka-Band Sender mit ihren Richtantennen nur in Apogäumsnähe einsetzbar sind. Der Mode-HX ist also recht unrealistisch.

Denkbar und sinnvoll für den europäischen Raum sind dagegen:

Der Uplink

Die gewünschten Verbesserungen der Linkstrecken wirken sich im Uplink auf die bereitzustellende Sendeleistung und die Antennengröße aus. In der nachfolgenden Tabelle 2 sind die entsprechenden Ergebnisse für die Berechnung des Linkbudgets und einige Beispieldaten für entsprechende Bodenstationen zu sehen. Die Berechnungen beziehen sich dabei zunächst auf eine SSB-Verbindung.

Tabelle 2:

Uplink

146 MHz 435 MHz 1260 MHz 2400 MHz 5650 MHz
Rauschtemp. 1000 K 500 K 300 K 300 K 300 K
Rauschleistung -165 dBW -168 dBW -170 dBW -170 dBW -170 dBW
RX-Signalleistung
bei 23 dB S/N SSB
-142 dBW -145 dBW -147 dBW -147 dBW -147 dBW
Antennengewinn
Sat
8 dBi 13 dBi 18 dBi 20 dBi 20 dBi
Dämpfung 170 dB 179 dB 188 dB 194 dB 201 dB
Boden-PEP 20 dBWi 21 dBWi 23 dBWi 27 dBWi 34 dBWi
z.B. 10 W in 7 Ele
50 W in GP
10 W in 10 Ele
50 W in Dip./Refl.
10 W in 8 Turn Helix
5W in 60 cm Dish
50 W in Dip./Refl. -2dB
5 W in 60 cm Dish
1W in 1,8 m Dish
10 W in 60 cm Dish

Ausgangspunkt der Berechnungen ist die Rauschtemperatur, die der Satellit aus Richtung Erde "sieht". Da auf den höheren Bändern fast nur die Erde in der Antennenkeule ist, trägt zur gesamten, empfangenen Rauschleistung außer dem Systemrauschen der Satellitkomponenten primär das thermische Rauschen der Erde bei (0°C = 273 K). Auf den tieferen Bändern kommt zusätzlich eine gewisse HF-Verschmutzung hinzu. Außerdem sehen die Antennen dort zusätzlich etwas vom "kalten" Himmel, der bei jenen Frequenzen gar nicht so kalt ist. Im Satellite Experimenter's Handbook von M. Davidoff zeigt ein Diagramm auf Seite 9-1 die Rauschtemperaturen des Himmels über die Frequenz. Diese Rauschtemperatur läßt sich in eine äquivalente Rauschleistung umrechnen. Das Nutzsignal von der Erde muß dieses Rauschen übertreffen.

Ein Teil der Linkverbesserungen von Phase 3-D gegenüber AMSAT-OSCAR 13 geht in die Erhöhung des Signal/Rauschverhältnisses ein. Das macht die Signale leichter verständlich und hilft, Gehörschäden durch übermäßiges Rauschen zu reduzieren. Bei den digitalen Betriebsarten verringert sich durch das bessere S/N-Verhältnis die Häufigkeit von Bitfehlern. Wurden bei AO-13 noch 17 dB S/N angenommen, so sollten es bei Phase 3-D schon 23 dB sein. Das korrespondiert, wie unten zu sehen sein wird, mit den im Downlink erreichbaren Verhältnissen.

Aus der Rauschleistung und dem S/N-Verhältnis errechnet sich die Signalstärke, die am Empfängereingang des Satelliten vorliegen muß. Das von den Antennen aufgenommene Signal kann hingegen um den Antennengewinn kleiner sein. Addiert man nun die Ausbreitungsverluste oder Streckendämpfung zwischen Satellit und Bodenstation, so ergibt sich die am Boden notwendige Uplinkstrahlungsleistung (Boden-PEP). Die Tabelle zeigt einige Muster für eine entsprechende Antenne und Senderausgangsleistung am Boden. Dabei wird immer Zirkularpolarisation vorausgesetzt.

Wie man sieht, werden die Anlagen gegenüber AO-13 merklich kleiner und das trotz des besseren Signal/Rauschverhältnisses. Hier erreicht P3-D das gesteckte Ziel.

Eine weitere Verbesserung gegenüber dem Betrieb über OSCAR-13 wird durch LEILA (LEIstungs-Limit-Anzeige) erzielt. Das Problem der Herabsetzung der Empfängerempfindlichkeit durch überstarke Stationen (Krokodile) wird durch LEILA aktiv erkannt. Entsprechende Stationen werden zunächst durch ein sirenenähnliches Signal auf ihre überhöhte Sendeleistung hingewiesen und zur Reduzierung aufgefordert. Bleibt die Leistung zu hoch, wird das Signal durch ein Notchfilter ausgeblendet, dessen Kerbtiefe bei 20 dB liegt. Um sich also wieder Gehör zu verschaffen, müßte die betroffene Station ihre Leistung um den Faktor 10-100 erhöhen. Auf jeden Fall erreicht so die Empfängerempfindlichkeit immer ihr Optimum.
 
 

Der Downlink

Der Strecke Satellit-Erde kommt auch bei Phase 3-D eine besondere Bedeutung zu. Denn nur was man hört, kann man auch arbeiten. Tabelle 3 zeigt die Berechnungen des Linkbudgets und beispielhaft zwei Musterstationen.

Tabelle 3:

Downlink

146 MHz 435 MHz 2400 MHz 10450 MHz 24048 MHz
PEP Xpndr 100 W 150 W 50 W 50 W 1 W
Antennengewinn
Sat
8 dBi 13 dBi 20 dBi 20 dBi 23 dBi
PEP Sat 28 dBWi 34 dBWi 37 dBWi 37 dBWi 23 dBWi
PEP je QSO
rund -13 dB
15 dBWi 21 dBWi 24 dBWi 24 dBWi 17 dBWi
nur 2-4 QSOs
Dämpfung 170 dB 179 dB 194 dB 207 dB 214 dB
Boden-PEP -150 dBWi -158 dBWi -170 dBWi -183 dBWi -194 dBWi
Boden-Ant 1 10 dBi
7 Ele
13 dBi
10 Ele
20 dBi
60 cm Spiegel
33 dBi
60 cm Spiegel
40 dBi
60 cm Spiegel
Signalleistung
je QSO in SSB
-145 dBWi -145 dBWi -150 dBWi -150 dBWi -154 dBWi
Rauschtemp.
=
1000 K
3 dB NF
500 K
3 dB NF
150 K
1,5 dB NF
150 K
1,5 dB NF
300 K
2,5 dB NF
Rauschleistung
in SSB
-165 dBW -168 dBW -173 dBW -173 dBW -170 dBW
S/N 20 dB 23 dB 23 dB 23 dB 16 dB
Boden-Ant 2 5 dBi
Dipol vor Refl.
5 dBi
Dipol vor Refl.
13 dBi
8 Turn Helix
27 dBi
30 cm Spiegel
 
Signalleistung
je QSO in SSB
-150 dBWi -153 dBWi -156 dBWi -156 dBWi  
Rauschtemp.
=
1000 K
3 dB NF
300 K
2 dB NF
100 K
0,9 dB NF
150 K
1,5 dB NF
 
Rauschleistung
in SSB
-165 dBW -170 dBW -174 dBW -173 dBW  
S/N 15 dB 17 dB 17 dB 17 dB  

Entscheidende Faktoren für die auf der Erde ankommende Signalleistung sind die Sendeleistung des Satelliten und dessen Antennengewinne. Beide zusammen ergeben zunächst die gesamte PEP-Strahlungsleistung des Satelliten. Diese Leistung verteilt sich jedoch auf viele Nutzsignale des Lineartransponders und die Baken inklusive RUDAK. Jeder einzelnen Verbindung steht daher nur ein Teil der Spitzenleistung zur Verfügung. Nach einer AMSAT-DL Modellrechnung liegt die Leistung je QSO etwa 10-13 dB unter der Gesamtleistung. Unter Einbeziehung der Streckenverluste ergibt sich die Signalleistung für den Empfang der Bodenstation (Boden-PEP).

Für das erzielte Signal/Rauschverhältnis am Boden sind zusätzlich die Rauschleistung, die Signalbandbreite und der Antennengewinn entscheidend. In der Tabelle sind die Ergebnisse zweier Musterrechnungen dargestellt, die für eine stationäre Ausrüstung und für eine portable Anlage stehen können. Im Gegensatz zum Uplink sind nun die Rauschtemperaturen des Himmels auf den hochfrequenten Bändern niedriger, da überwiegend der kalte Himmel in der Satellitenkeule liegt. Das ist natürlich am Tage anders, wenn der Satellit sich in Richtung zur Sonne befindet. Die Sonne liefert eventuell einen deutlichen Rauschanstieg, was zu einem schlechteren S/N führt.

Auch auf den Downlinkstrecken wird P3-D durch gesteigerte Sendeleistungen und Antennengewinne die in ihn gesteckten Erwartungen erfüllen können. Im Vergleich zu OSCAR-13 werden bei gleichem S/N-Verhältnis die Antennen deutlich kleiner, ja teilweise sogar für den Mobilbetrieb tauglich. Andererseits lassen sich deutlich bessere Signale erzielen obwohl auch stationäre Antennen bei P3-D nicht so groß zu sein brauchen wie noch bei AO-10 oder AO-13.

Bandbreitenphänomene

Die bisherigen Betrachtungen bezogen sich immer auf Verbindungen mit einer üblichen SSB-Bandbreite von 2,5 bis 3 kHz. Die Bandbreite geht aber über die Gleichung

Wn [mW] = k x Te x B

mit der Bolzmann-Konstanten k = 1,38 x 10-20, der Systemtemperatur Te in Kelvin und der Bandbreite B in Hz in die empfangene Rauschleistung ein. Je kleiner die Bandbreite, desto höher das S/N-Verhältnis bzw. bei gleichem S/N verringert sich der Aufwand. Die folgende Tabelle zeigt die Unterschiede zur SSB-Bandbreite für einige andere Bandbreiten.

Tabelle 4: Leistungsunterschiede für unterschiedliche Signalbandbreiten
B/kHz Mode dB
0,5 CW +7
2,5 SSB/PSK 0
20,0 FM/FSK -9

Wie man sieht, hat dies besonders für die höheren Bandbreiten der digitalen Betriebsarten (z.B. 9600 bps FSK) negative Auswirkungen. Kann im Downlink das Satellitensignal zum Ausgleich noch etwas angehoben werden, so muß die erforderliche Sendeleistung beim Uplink durch die Bodenstation erbracht werden, womit man in etwa wieder beim heutigen Aufwand für AO-13 wäre.

Abstriche beim S/N-Verhältnis können für die digitalen Modes kaum gemacht werden, erhöhen sich doch die Fehlerhäufigkeit und damit die unnötigen Mehrfachaussendungen gleicher Daten. Bei niedrigeren Übertragungsraten, wie z.B. für das 1200 bps PSK Verfahren, kommt man hingegen mit dem Aufwand für SSB-Verbindungen aus, was diese Datenrate besonders für den kurzen Nachrichtenaustausch im Portabelbetrieb wieder attraktiv erscheinen läßt.

Geräte

Auf einige Besonderheiten bei den Geräten wurde bereits im Artikel "Die Phase 3-D Transponderkombinationen aus Benutzersicht" auf Seite 22 im AMSAT-DL Journal 2/95 eingegangen. Als Fazit daraus kann festgehalten werden, daß spätestens ab dem 13 cm Band die Mikrowellenfrequenzen in Antennennähe mit Konvertern auf eine niedrigere Frequenz umgesetzt werden müssen bzw. in Antennennähe für den Sendefall erzeugt werden müssen. Nur so lassen sich die Kabeldämpfungen gering halten. Je nach Basisgerät (2-Band oder 3-Band inkl. 23 cm) lassen sich die folgenden Modekombinationen mit heutigen Umsetzern abdecken.

Tabelle 5: Modeabdeckung bei 2-Band und 3-Band Geräten
 
 

Up | V  U  S  X - Down      Up | V  U  S  X - Down
----------------            ----------------
 V | -  x  .  x              V | -  x  .  x
   |                           |
 U | x  -  x  .              U | x  -  x  .
   |                           |
 L | .  x  .  x              L | x  x  x  x
   |                           |
 S | .  x  -  x              S | .  x  -  x
   |                           |
 C | .  x  .  x              C | x  x  x  x

2-Band Gerät           3-Band Gerät

- kein Transponderangebot
. Transpondermöglichkeit, nicht abgedeckt
x Transpondermöglichkeit, abgedeckt
Für alle mit einem Transverter oder Konverter abzudeckenden Bänder gibt es bereits heute kommerzielle Komponenten oder Bausätze. Lediglich bei der Sender-endstufe für das C-Band fehlt ein entsprechendes Gerät z. Zt. auf dem Amateurfunkmarkt. Baubeschreibungen sind aber schon mehrfach in der UKW-Fachpresse veröffentlicht worden (cq-DL, UKW-Berichte, DUBUS). Da dieses Band anfangs sicher nur von einer experimentierfreudigen Minderheit genutzt werden wird, läßt sich dieser Mangel für Ottonormalanwender sicher noch verschmerzen. Mit zunehmender Attraktivität des Satelliten werden aber sicher auch mehr Komponenten verfügbar werden.

Ein klassisches Experimentierfeld - die Antennen - eröffnet sich mit Phase 3-D wieder besonders den Satellitenamateuren. Schließlich gilt es, die Vielzahl von Bändern mit einem Minimum an Antennen abzudecken. Erste Lösungen und weitere Ansätze dazu gibt es bereits (Einfache Parabolantenne für Satellitenkommunikation selbst gebaut, ON6UG in AMSAT-DL Journal 4/89, Seite 10). Wenn man die Musterberechnungen der obigen Tabellen als Grundlage nimmt, so könnte ein 60cm Parabolspiegel mit Mehrbanderreger gepaart mit je einer kurzen Yagi für 145 und 435 MHz ein Standardsystem für die meisten Anwendungen werden.

Digitales

Aus der obigen Bandbreitenbetrachtung ergibt sich bereits, daß für die meisten der zukünftigen Phase 3-D Nutzer und Nutzerinnen bei den digitalen Modulationsverfahren bei 9600 bps FSK das Ende der Fahnenstange erreicht sein wird. Höhere Datenraten, die angesichts der freien Programmierbarkeit von RUDAK möglich sind, werden sich zunächst nur einer kleineren Nutzergruppe erschließen. Die Technologie für 9600 bps FSK ist inzwischen weit verbreitet und dank einfacher TNCs und zusätzlicher Modems in unterschiedlichen Ausführungen ohne Schwierigkeiten verfügbar. Da auf P3-D mehrere festverdrahtete Modems nach diesem Verfahren arbeiten werden, wird ein Einstieg sicher recht bald nach dem Start möglich sein. Für die digitalen Modems an Bord des Satelliten muß hingegen erst noch Software geschrieben werden. Sinnvoll wäre für die einfachen Satellitenanwender sicher das 1200 bps PSK Verfahren, wie es von den Fujis und MicroSats her bekannt ist. Es wäre für Stationen mit kleinen Antennen und wenig Leistung günstig. Leider gibt es z. Zt. hierfür nur noch teure DSP-Lösungen auf dem Markt. Bausätze oder Platinen für einfache Modems sind in Europa augenblicklich nicht zu bekommen.

Eine universelle und flexible Lösung für alle Modulationsverfahren, die Phase 3-D je bieten kann, wäre ein zum Satelliten baugleiches DSP/DDS/DDC-Modem (Bild 3). Sobald eine neue Modemsoftware für den Satelliten existiert, könnte sie vom Anwender ohne große Änderungen über einen zusätzlichen Daten- und Adressbus in das terrestrische Modem geladen werden. Einziger Haken: die DSP-Signalzüge auf P3-D arbeiten direkt auf der ZF-Ebene bei 10,7 MHz. Man müßte also in vorhandenen Transceivern an die Zwischenfrequenz ankoppeln. Aber das Wesen des Amateurfunks ist ja das Experimentieren.

Bild 3: Das Phase 3-D DSP-Modem
(Zeichnung Peter Gülzow, DB2OS)

P3-D DSP-Modem (7.2 kB)

Direkt nach dem Start

Bekanntlich wird P3-D etwa ein Jahr brauchen, um nach mehreren Bahnmanövern seinen endgültigen Orbit zu erreichen. Die Betrachtungen oben gelten für das Apogäum in diesem Orbit. In der Zeit bis dahin ist alles ein wenig anders. Zunächst wird es einen Übergangsorbit mit einer Apogäumshöhe von 60.000 bis 70.000 km geben, was zu zusätzlichen rund 2 dB Verlusten führt, die auf der Erde kompensiert werden müssen. Dann können die Transponder, solange die Solarpanels nicht entfaltet sind, nur mit reduzierter Leistung arbeiten. Da nur ein Drittel der Energie zur Verfügung steht könne noch einmal grob 5 dB veranschlagt werden. Und in der ersten Zeit werden die High-Gain-Antennen nicht zur Erde zeigen, also werden auf 2m, 70cm und 23cm die Rundstrahler eingesetzt, was je nach Band zu Abstrichen von bis zu 8, 13 oder gar 18 dB führen kann. Bis zur endgültigen Betriebsaufnahme ist damit sowohl sende- wie empfangsseitig ein höherer Aufwand nötig. Die Anschaffung einer dicken und teuren Endstufe rechtfertig diese Übergangszeit, in der die Transponder vermutlich nur vier Monate betrieben werden können, aber nicht.

Fazit

AMSAT-Phase 3-D bietet den engagierten Satellitenamateuren ungeahnte Kommunikations- und Experimentiermöglichkeiten, die wieder einmal das hohe technische Niveau im Amateurfunkdienst aufzeigen. Hoffen wir, daß P3-D seine geplante Umlaufbahn erreicht, funktioniert und seine Möglichkeiten intensiv und verantwortungsvoll genutzt werden. 
© AMSAT-DL/DL6DBN, Stand 11/2000
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