DARC
Berg. Universitšt Wuppertal
Arbeitsgemeinschaft Amateurfunkfernsehen e.V.

Digital  Amateur  TeleVision

Heutiger Stand und künftige Entwicklung

Erster Teil einer Serie, geschrieben von Prof. Uwe Kraus, DJ8DW
(Vortrag bei der 8. VHF/UHF/SHF-Tagung in Essen am 18.4.1998)


1. Einleitung

Vielen Amateuren ist die HF-Übertragung digitaler Datensignale und die Kombination von PC und Funkgerät seit längerem bestens vertraut, man denke nur an die Betriebsarten RTTY und Packet Radio. Die von der jeweiligen Maschine erzeugten zweipegeligen, impulsförmigen Datensignale modulieren den HF-Träger in der Amplitude, der Frequenz oder in der Phase oder auch in mehreren dieser Parameter gleichzeitig. Das Ergebnis dieser Modulation ist eine Trägerschwingung, deren jeweilige Parameter nur wenige diskrete Zustände annehmen.

Das demodulierte Signal im Empfänger weist entsprechende diskrete Amplitudenzustände auf. Wegen der notwendigen Bandbreitenbegrenzung des Übertragungskanals geht das Signal nicht sprunghaft von einem diskreten Zustand in den nächsten über, sondern zeigt einen langsameren, kontinuierlichen Verlauf. Die diskreten stückweise nahezu konstanten Signalanteile stellen die gültige Information dar, die Übergangsbereiche enthalten keine Information. Die Rekonstruktion der Datensignale im Empfänger erfolgt nun durch Abtastung der gültigen Signalanteile und durch Überprüfung, ob das abgetastete Signal oberhalb oder unterhalb einer oder mehrere Schwellen liegt; hierbei kommt es nicht darauf an, wie weit das Signal von der jeweiligen Schwelle entfernt liegt. Störanteile (z.B. Rauschspitzen), die gerade noch nicht zu einem fehlerhaften Über- oder Unterschreiten der Schwelle führen, werden unterdrückt; die Datensignale werden vollständig regeneriert. Abtastung und Schwellbewertung im Empfänger sind Kriterien für die Robustheit der digitalen Übertragung.

Im Gegensatz dazu können bei einer analogen Übertragung die Störungen des Kanals prinzipiell nicht entfernt werden, da der Empfänger Nutzsignal und Störsignal nicht unterscheiden kann. Die Vorzüge der digitalen Übertragungstechnik können auch für reine Analogsignale, wie Bild- und Tonsignale, genutzt werden. Auf der Sendeseite erfolgt zunächst eine Analog/Digital-Wandlung, dann die digitale Modulation des HF-Trägers, und auf der Empfangsseite nach Rekonstruktion der digitalen Signale eine Digital/Analog-Wandlung und die Wiedergabe über Bildschirm und Lautsprecher.

Digitale Übertragungstechniken für Tonsignale sind seit geraumer Zeit im Mobilfunk Stand der Technik; im öffentlichen Rundfunk befindet sich DAB (Digital Audio Broadcasting) in der Erprobungsphase. Im Fernsehrundfunk sind weltweit digitale Übertragungen über Satellit und im Kabel eingeführt, digitale Verfahren für die terrestrische Übertragung, die mittelfristig die heutige Analogtechnik ablösen sollen, befinden sich ebenfalls in der Erprobungsphase. Nach der erfolgreichen Verbreitung von Packet Radio ist die Beschäftigung mit  Digitalem Amateurfunkfernsehen (DATV) die nächste größere Herausforderung. Diese Betriebsart ist natürlich für alle diejenigen interessant, die bislang Analog-ATV betrieben haben, wesentlich aber auch für die, die schon Erfahrungen mit Packet Radio, mit PC's und Multimedia Systemen haben oder in diese modernen und zukunftsträchtigen Techniken einsteigen wollen. DATV eröffnet ein weites Betätigungsfeld für den selbstbauenden und experimentierfreudigen OM. Diese Artikelreihe versucht dann auch, zunächst eine Einführung in die neue Technik zu geben und dann zu konkreten Schaltungsvorschlägen zu gelangen.

Der Verfasser arbeitet mit einigen Mitstreitern seit mehr als drei Jahren an DATV; im Herbst 1995 wurden die ersten stillstehenden Computerbilder im 70 cm-Band mit 1,5 Mbit/s über 50 km übertragen. Vor wenigen Wochen gelang die Übertragung von digitalen Messsignalen mit 2 Mbit/s im 70 cm-Band mit 15 W HF-Leistung und 15 dB Antennengewinn über 100 km. Die Qualität der regenerierten Datensignale lässt den Schluss zu, dass auch digitalisierte Fernsehsignale übertragen werden können.
 

2. Übersicht der Einzelthemen der Artikelreihe

- Analoge ATV-Übertragung
- DATV: Zielvorstellungen und neue Schlüsseltechniken
- Digitale Modulationsverfahren: Darstellung und Auswahlkriterien für DATV
- Aufbereitung der digitalen Fernseh-Datensignale
- GMSK-Versuchsapparatur
- 70 cm-Sende- und Empfangsapparatur: Gesamtkonzept und Teilschaltungen
- Erste Übertragungsversuche
- Eignung der Amateurbänder im UHF/SHF-Bereich
- Weitere Entwicklungsschritte
 

3. Analoge ATV-Übertragung

Im 70 cm-Band wird die Restseitenband-Amplitudenmodulation verwendet mit einer gesamten HF-Bandbreite von ca. 7 MHz, d.h. mit einer ATV-Station ist das Band nahezu voll. Da aber auch noch andere, völlig gleichberechtigte Betriebsarten im 70 cm-Band angesiedelt sind, hat eine Betriebsart mit einer solch immensen Bandbreite keine Zukunft mehr. Im 23 cm-Band  und auf noch höheren Bändern wird Frequenzmodulation mit einer HF-Bandbreite von ca. 20 MHz verwendet; es gelten ähnliche Überlegungen wie für 70 cm.

Die Vorteile von Analog-ATV liegen in der eingeführten vertrauten und bislang bewährten Technik; ferner ist ein leichter Einstieg möglich. Die Nachteile liegen in der erwähnten im Hinblick auf andere Betriebsarten zu großen HF-Bandbreite, es ist ein hoher HF-Signalstörabstand erforderlich, das Signal ist insbesondere bei geringen Feldstärken störempfindlich, und die gestörten Signale sind nicht regenerierbar. Bei Mehrfachaussendungen (z.B. Relaisbetrieb) summieren sich die Einzelstörungen.
 

4. DATV

Vor der intensiven Beschäftigung mit einer neuen Technik ist es ratsam, sich über die angestrebten Ziele im Klaren zu sein und auch über mögliche Schwierigkeiten, die in Kauf zu nehmen sind.

Zielvorstellungen für DATV:
- Deutlich geringere HF-Bandbreite
- Höhere Reichweite bei gleicher Sendeleistung und gleicher Bildqualität
- robuster gegenüber Kanalstörungen
- Formung des Sendespektrums für minimale Interferenz mit anderen Betriebsarten
- Kombination mit anderen digitalen Betriebsarten (z.B. Paket Radio mit hoher Datenrate)
- Kombination mit modernen Multimedia-Techniken

Neue Schlüsseltechniken

- Datenreduktion von Bild- und Tonsignalen
Die Digitalisierung von Bild- und Tonsignalen liefert Datensignale, deren unmittelbare Übertragung eine wesentlich höhere Kanalbandbreite erfordern würde als für die Übertragung der analogen Signale. Moderne Datenreduktionsverfahren erlauben eine Reduktion der digitalen Daten in einem solchen Maße, dass die nötige Übertragungsbandbreite deutlich geringer ist als die ursprüngliche Bandbreite der Analogsignale, und dies bei gleicher oder noch besserer Bildqualität. Sehr hohe Reduktionsfaktoren haben natürlich Einbußen bei der Bildqualität zur Folge. Weltweit standardisiert sind die Reduktionsverfahren MPEG 1 und MPEG 2 für Bewegtbilder. MPEG 1 ergibt die bekannte Video-CD-Qualität bei einem Datenstrom von ca. 1,5 Mbit/s, für DATV völlig ausreichend, jedenfalls für den Anfang. MPEG 2 wird für hochwertige Fernsehrundfunk-Darbietungen verwendet. Für die Echtzeit-Datenreduktion entsprechend MPEG 1 gibt es Module, die auf das Parallelport des PC gesteckt werden und die PAL-Signale eines üblichen analogen Bildgebers verarbeiten können. Für die Zukunft ist natürlich eine Lösung wünschenswert, die ohne PC auskommt.

- Fehlerschutzkodierung
Wird im Empfänger die Entscheiderschwelle durch ein Störsignal fälschlicherweise überschritten, so tritt eine Fehlentscheidung ein. Die Anzahl Fehlentscheidungen im Vergleich zu der Gesamtzahl der Entscheidungen, die Fehlerrate, hängt natürlich vom Störabstand ab und beeinträchtigt die Empfangsqualität. Die Digitaltechnik ermöglicht eine Fehlerschutzcodierung, die in der Analogtechnik nicht möglich ist. Dem zu sendenden Nutzdatenstrom werden weitere, aus den Nutzdaten abgeleitete Daten hinzugefügt, die zwar die Gesamtdatenrate und die erforderliche HF-Bandbreite erhöhen, es dem Empfänger aber möglich machen, Fehler zu erkennen und größtenteils zu korrigieren. Man unterscheidet zwischen
Blockkodierung und Faltungscodierung, vielfach werden beide Verfahren ineinandergeschachtelt verwendet.

- Digitale Modulation des HF-Trägers
Hierzu gibt es verschiedene Verfahren, die später im einzelnen erläutert und auf ihre Brauchbarkeit für DATV hin untersucht werden.

- Kanalentzerrung
Mehrwegeempfang verursacht, durch Reflexionen an Bergen und Gebäuden, führt an der Empfangsantenne zur Überlagerung mehrerer aufgrund der unterschiedlichen Weglängen zeitlich versetzter Signale. Bei analoger Übertragung erscheinen auf dem Bildschirm Doppelkanten (Geisterbild), bei der digitalen Übertragung ist das empfangene Summensignal ohne Korrekturmaßnahmen unbrauchbar. Die Schaltung zur Kanalentzerrung enthält ein Digitalfilter, dessen Übertragungscharakteristik sich automatisch optimal einstellt und die Signalverzerrungen rückgängig macht. Vielfach werden dem Sendesignal sogenannte Trainingssequenzen beigefügt, die dem Empfänger bekannt sind. Durch Vergleich der empfangenen verzerrten Sequenz mit der Sollsequenz kann der Empfänger das Korrekturfilter bestmöglich einstellen und somit auch auf sich ändernde Ausbreitungsbedingungen reagieren.

- Digitale Schaltungstechnik, PC-Technik (Hardware und Software)
Bild 1 zeigt ein mögliches Gesamtkonzept einer DATV-Strecke, in dem die bisher erläuterten Prinzipien und Schlüsseltechniken in den einzelnen Funktionsblöcken erkennbar sind. Im nächsten Hauptabschnitt sollen die verschiedenen digitalen Modulationsverfahren in ihrer Funktion und mit ihren für DATV wichtigen Eigenschaften behandelt werden.

(Wird fortgesetzt)


Teil 2 der Einführung in Digital ATV