DARC
Berg. Universitšt Wuppertal
Arbeitsgemeinschaft Amateurfunkfernsehen e.V.

Digital  Amateur  TeleVision
 

Zweiter Teil einer Serie, geschrieben von Prof. Uwe Kraus, DJ8DW


HAM RADIO 2000
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Während der diesjährigen HAM RADIO wurde erstmals DATV live vorgeführt. Was die DATV-Arbeitsgruppe aufgebaut hat und welche die bisherigen und die weiteren, geplanten Entwicklungen sind, beschreibt dieser Beitrag.

Gesendet wurde ganztägig mit einer Kamera in Halle 9 vom Stand der Distrikte mit 10 mW in eine 11 Element-Yagi auf 434 MHz bei 2 MHz Bandbreite. Hermann, DF2DS, Rudolf, DJ3DY, und Willi, DC5QC, betreuten die Sendeeinrichtung und beantworteten die Fragen der zahlreichen Interessenten. Die Empfangsstation befand sich ebenfalls in Halle 9 am Stand der Arbeitsgemeinschaft Amateurfunkfernsehen (AGAF) in etwa 20 m Entfernung vom Sendeort. Besucher und Apparatur wurden von Hans-Jürgen, DJ8VR, Volker, DJ1CU, Klaus, DL4KCK, Heinz, DC6MR, und Uwe, DJ8DW, betreut. Auf zwei Farbmonitoren konnte hier das Geschehen vor der Kamera in Echtzeit verfolgt werden. Neben vielen deutschen Amateuren zeigten auch OMs aus dem europäischen und außereuropäischen Ausland großes Interesse. Ein Höhepunkt der Vorführung war sicher gleich am ersten Tag der Besuch des DARC-Vorstandes in Begleitung äußerst interessierter, prominenter Gäste.
 

Derzeitige DATV-Technik

Die Sende- und Empfangsapparatur der zweiten Generation ist im vereinfachten Blockschaltbild dargestellt. Sendeseitig liefert der Camcorder ein PAL-Signal direkt von der Kameraeinheit oder vom eingebauten SVHS-Recorder. Im anschließenden PAL/MPEG-Umsetzer wird daraus ein MPEG-2-Signal mit einer Transportstrom-Datenrate von 2 MBit/s erzeugt; dies ist die maximal übertragene Datenrate, sie schließt die anschließende Fehlerschutzcodierung (FEC) mit ein. Die Nutzdatenrate ist variabel und auf einen mittleren Wert von ca. 1,2 MBit/s eingestellt. Die Differenz bilden die FEC und adaptiv zugefügte Nullpakete. Dieser Betrieb ist unbefriedigend, aber der verwendete Einchip-MPEG-Encoder erlaubt ohne erheblichen
zusätzlichen Aufwand keine bessere Lösung. Das IC selbst erzeugt lediglich den Elementarstrom mit variabler Datenrate und unterstützt den MPEG-2-Standard nicht vollständig (keine B-Bilder). Die nächsten (schon eingeleiteten) Entwicklungsschritte können also nur zu einer besseren Bildqualität bei gleicher Gesamtdatenrate führen.

Der GMSK-Coder besteht aus einem digitalen Teil, der die abhängig vom Eingangsbitstrom aus Tabellen abgelesenen I- und Q-Signale bereitstellt und einem sich anschließenden noch analog arbeitenden I/Q-Modulator, der das fertige GMSK-Signal auf einer Zwischenfrequenz von 36,2 MHz abgibt. Diese ZF wurde gewählt, um im sich anschließenden Bandpassverstärker käufliche Oberflächenwellenfilter (SAW) von 2 MHz Bandbreite einsetzen zu können, die bei DAB (Digital Audio Broadcasting) Verwendung finden. Zur Verbesserung der Flankensteilheit und der Weitabselektion sind zwei Filter mit Trennverstärker kaskadiert. Der Aufwärtsmischer ist mit einem SBL1X bestückt und setzt das ZF-Signal mit Hilfe des 470,2-MHz-Oszillatorsignals auf 434 MHz um. Der sich anschließende Helical-Filter-Bandpassverstärker liefert 10 mW an 50 Ohm; ein 30 dB-Power-Modul erzeugt 10 W, eine Leistung, mit der sich schon Übertragungsversuche über mittlere Entfernungen anstellen lassen oder mit der stärkere Endstufen angesteuert werden
können.

Der Empfänger verwendet einen Lambda/4-Rohrkreis-Konverter; ein Rohrkreis befindet sich im Eingang und ein zweistufiges Rohrkreis-Bandfilter zwischen Vorverstärker und Mischer (SBL1X). Im ZF-Verstärker werden zwei kaskadierte Begrenzerverstärker mit eingebautem FM-Demodulator eingesetzt. Ein Oberflächenwellenfilter befindet sich am Eingang, ein zweites zwischen den Verstärker-ICs. Aus dem demodulierten Signal werden in einem Komparator (Slicer) der serielle Datenstrom und daraus mit einer 16-MHz-Quarz-PLL und Teiler das zugehörige 2-MHz-Clock-Signal zurückgewonnen. Zur Fehlerkorrektur, der MPEG-Decodierung und der Aufbereitung der analogen RGB-Signale und eines PAL-Signals wird eine handelsübliche Set-Top-Box, die nach dem digitalen Satellitenstandard (DVB-S) arbeitet, eingesetzt. Dazu wird der empfangene, bitserielle MPEG-2-Transportstrom im Re-Modulator einem 1152 MHz-Träger in Form einer schmalbandigen QPSK-Modulation aufmoduliert. Die Box selbst muss auf eine Symbolrate von 1 Megasymbols eingestellt werden. Manche Boxen haben Schwierigkeiten mit dieser geringen Symbolrate, weil sich das Phasenrauschen des internen Oszillators bei schmalbandigen Eingangssignalen sehr störend bemerkbar macht; andere Boxen erlauben nur eine minimal einstellbare Symbolrate von 2 Megasymbolen/s. Sender und Empfänger sind modular auf gedruckten Schaltungen im Europa-Format aufgebaut. Die digitale Signalverarbeitung ist im wesentlichen in programmierbaren Logikschaltungen untergebracht.
 

 Dritte Generation DATV

Die dritte Generation DATV zeichnet sich zur Zeit zumindest im Senderteil klar ab. Hier wird das modulare Konzept zu Gunsten einer kompakten, preisgünstigeren und für den Nachbau besser geeigneten Bauweise aufgegeben. Angestrebt wird eine Euro-Karte, in die man den MPEG-2-Transportstrom einspeist und die am anderen Ende 10 mW HF auf 434 MHz abgibt. Diskussionen am Rande der HAM RADIO insbesondere mit Peter, DJ30I, haben gezeigt, dass ein eingebauter Testbildgenerator für Dauerversuche wünschenswert ist. Nach einer ersten Analyse erscheint es durchaus möglich, auf der Senderkarte noch einen programmierbaren Festwertspeicher unterzubringen, der bewegte MPEG-2-Sequenzen mit Stationskennung und Ton von etwa 10 s Dauer speichern und beliebig lange zyklisch wiedergeben kann. Die kompakte Bauweise mit funktionaler Erweiterung wird erreicht durch größere programmierbare ICs, durch einen digitalen I/Q-Modulator und durch digitale Filterung zur Formung des GMSK Spektrums, wodurch voraussichtlich die SAW-Filter und deren Treiber entfallen können. Der PAL/MPEG-Transcoder wird völlig neu konzipiert. Er wird ein Encoder-IC verwenden, das im Gegensatz zu dem der zweiten Generation auch den Ton codiert, B-Bilder erzeugt, MPEG 1 und MPEG 2 unterstützt und schließlich den kompletten Transportstrom liefert.

Der Empfänger der dritten Generation wird seinen modularen Aufbau vorläufig behalten. Der Konverter wird etwas längere Rohrkreise erhalten, und der Mischoszillator wird kristallgesteuert mit Frequenzvielfachung arbeiten (kein Synthesizer mehr) und mit dem Konverter eine kompakte Einheit bilden. ZF-Verstärker, Slicer und Clockregeneration bleiben vorerst unverändert; zwischen ZF und Slicer ist eine noch zu optimierende Schaltung zur Kanalentzerrung vorgesehen. Die aus der Not geborene und auf den ersten Blick elegant erscheinende MPEG-Decodierung mit Set-Top-Box und QPSK Re-Modulator erscheint bei näherem Hinsehen doch problematisch als uneingeschränkte Zukunftslösung. Zwar werden die Boxen immer billiger, aber die billigen Boxen können die niedrige Datenrate nicht oder nur unzuverlässig verarbeiten. Ein verbessernder Eingriff in die Box ist wegen i.a. nicht verfügbarer Unterlagen wohl wenig erfolgversprechend. Eine Möglichkeit bestünde darin, dass man den empfangenen Transportstrom vor der Re-Modulation durch Nullpakete künstlich "aufbläst", so dass eine breitbandigere und für die Box besser verträgliche QPSK entsteht. Dazu müsste allerdings der Transportstrom zuerst in aufwändiger Weise fehlerschutzdecodiert und nach dem" Aufblasen" wieder mit einem normgerechten Fehlerschutz, ohne den die Box nicht läuft, versehen werden. Möglicherweise, und dies wird zur Zeit untersucht, ist der Eigenbau eines MPEG-Decoders auf längere Sicht doch vorteilhafter. Das Kernstück kann ein MPEG-Decoder-IC neueren Datums sein, das den Transportstrom verarbeitet und RGB oder auch schon PAL/NTSC direkt liefert. Solche Decoder-ICs haben größere Speicher an Bord, wodurch sich der Schaltaufwand insgesamt verringert. Vor der MPEG-Decodierung muss allerdings die Fehlerschutzdecodierung erfolgen; da man sich jetzt nicht mehr an eine Norm halten muss, könnte man den gesamten Fehlerschutz vereinfachen, so dass sich ein geringerer Decodieraufwand ergibt.
 

Höhere Bänder und Datenraten

Höhere Amateurbänder erlauben die Übertragung einer erhöhten Datenrate resultierend in einer besseren Bildqualität. Eine Nutzdatenrate von ca. 5...6 Mbit/s ergibt die vom digitalen Satelliten-Fernsehen oder vom digitalen Kabel-Fernsehen her bekannte exzellente Qualität. Eine Gesamtdatenrate von ca. 7 MBit/s entspricht bei GMSK einer Frequenzbandbreite von etwa 8 MHz. Entsprechend der technischen Entwicklung könnte auf den höheren Bändern die FM von der digitalen Übertragung abgelöst werden, wobei man sich eine Übergangszeit mit beiden Modulationsarten vorstellen kann. Die digitale Übertragung wird dann am Ende im gleichen für ATV vorgesehenen Frequenzbereich eine höhere Anzahl paralleler Kanäle, auch für Duplex, erlauben. Die Apparatur der zweiten und der dritten Generation ist im Prinzip für höhere Datenraten geeignet. Im GMSK-Coder kann die Clockfrequenz entsprechend erhöht werden; die Filter im Aufwärtsmischer und Verstärker sind breit genug, ebenso die des Empfangskonverters. Es müssen lediglich die jetzigen SAW-Filter gegen 8 MHz breite Filter mit ca. 36-MHz-Mittenfrequenz ausgetauscht werden. Das auf 70 cm breitbandig erzeugte GMSK- Signal wird anschließend auf die höheren Bänder umgesetzt. Beim Empfang dient der 70 cm- Empfänger als breitbandiger Nachsetzer.

Als weitere Modulationsart kommt auch die QPSK in Frage. Auf 23 cm wäre dann ein direkter Empfang mit einer Set-Top-Box möglich, wenn man ein entsprechend normgerechtes Signal abstrahlt. Ferner kommen die beim digitalen Kabel-Fernsehen verwendete QAM in Frage und insbesondere die für das digitale terrestrische Fernsehen vorgesehene OFDM, da hiermit Probleme durch Reflexionen innerhalb gewisser Grenzen zuverlässig gelöst werden. Letztere Modulationsarten erlauben die Übertragung einer Datenrate von mehreren MBit/s in 2 MHz Bandbreite je nach Codierung, erfordern dafür aber lineare Verstärker und höhere Störabstände auf der Empfangsseite.

Wenig genutzte Frequenzbereiche wecken Begehrlichkeiten. Für moderne digitale Breitbandbetriebsarten wie DATV sind entsprechende Teilfrequenzbereiche in allen Amateurbändern von 70 cm-Wellenlänge und kürzer sehr wichtig. Dieses Thema wurde auch in Friedrichshafen diskutiert; dazu war ein Poster vorbereitet, das basierend auf dem gegenwärtig gültigen Frequenzplan die ATV-Bereiche auf den Bändern von 70 cm bis 3 cm in Form eines Balkendiagramms darstellt. Diese Übersicht ist als ein erster Ansatz und als Diskussionsgrundlage zu verstehen. Es wäre gut, wenn ein europaweiter Konsens über DATV-Bereiche auf den einzelnen Bändern erreicht werden könnte. Die OMs, die unsere Interessen auf Frequenzkonferenzen vertreten, hätten es dann etwas leichter. Erfreulicherweise greift doch die Erkenntnis um sich, dass digitale
Breitbandbetriebsarten wesentliche Arbeitsfelder im zukünftigen Amateurfunk sein werden. Diese sind besonders geeignet, junge Leute für die moderne Kommunikations- und Multimediatechnik zu begeistern und ihre Interessen auf entsprechende Ingenieurberufe zu lenken.


Anfang und Feldversuche

Die ersten Überlegungen und experimentellen Vorarbeiten zu DATV liegen etwa fünf Jahre zurück. Die wichtigste Frage damals war die nach der zumindest zum Einstieg geeigneten Modulationsart. Die Wahl fiel schließlich auf die Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) Modulation. GMSK hat sich im Mobilfunk (GSM) bestens bewährt, sie besitzt ein kompaktes Frequenzspektrum und eine auch nach Bandpassfilterung konstante Amplitude; eine Leistungsverstärkung ist wie bei FM sehr effektiv mit einem Klasse C-Verstärker möglich.

Die Demodulation im Empfänger gelingt vergleichsweise einfach mit einem auf die Bandbreite ausgelegten FM-Demodulator; eine aufwändigere kohärente Demodulation bringt eine Verbesserung von fast 3 dB. Ein Nachteil der GMSK ist in dem relativ geringen übertragbaren Datenstrom von etwas weniger als 1 Bit/s pro Hertz Bandbreite gegeben. Bisher wurde ausschließlich im 70-cm-Band (433... 435 MHz) experimentiert. 70 cm lässt interessante Ausbreitungsversuche erwarten (große Reichweiten ohne Repeater), mit Antennen lassen sich bei moderaten Abmessungen schon gute Gewinne erzielen, die Kabelverluste sind vergleichsweise gering, und es lassen sich mittlere HF Leistungen einfach erzeugen. 2 MHz Bandbreite für DATV lässt im 70 cm-Band genügend Raum für ein störungsfreies Nebeneinander mit anderen Betriebsarten. Alle Betriebsarten sind grundsätzlich gleichwertig und werden nur entsprechend der persönlichen Neigung und den Möglichkeiten des einzelnen Amateurs angewendet. Analog-ATV, bei dem mit einem Signal das Band im wesentlichen belegt ist, hat daher keine Zukunft mehr.

Als Datenkompressionsverfahren wurde MPEG 1 bzw. MPEG 2 gewählt. Hierfür sprechen die weltweite Standardisierung und weite Verbreitung sowie die Erwartung, dass die ICs für die Codierung und Decodierung preiswert zur Verfügung stehen werden (Anwendung in der Konsumelektronik). Aufgrund dieser Vorüberlegungen wurde die erste Generation DATV entwickelt, wobei der Schwerpunkt zunächst nicht die Live-Übertragung, sondern die Untersuchung der digitalen Modulation und der Ausbreitungsverhältnisse waren. MPEG-1-Datenfiles wurden über eine speziell entwickelte PC-Einsteckkarte von einer Video-CD in den digitalen Modulator eingespeist und auf der Empfangsseite über eine gleichartige Einsteckkarte auf der Festplatte eines PCs gespeichert und dann über einen MPEG-1-Software-Decoder auf dem PC-Monitor betrachtet. Diese Anlage wurde auf der HAM RADIO 1999 vorgeführt und in einem Vortrag erläutert. Die ersten erfolgreichen  Übertragungsversuche fanden zunächst im Nahbereich statt, dann über 50 km und schließlich über 100 km (von J031NF mit 80 W in eine 2 x 19-Element-Yagi nach J021UJ mit 4 x 19-Element-Yagi). Die Entwicklungsarbeiten erfuhren ein wesentliche Beschleunigung durch die zielgerichtete Unterstützung seitens des DARC, der AGAF, der Distrikte G, L, O und R und einiger privater Sponsoren sowie durch Straffung der Aktivitäten durch die Gründung der DATV-Arbeitsgruppe im Dezember 1998. Es sollten binnen Jahresfrist vier DATV-Stationen gebaut und den beteiligten Distrikten für Versuche zur Verfügung gestellt werden; die Stationen konnten im Dezember 1999 fristgerecht geliefert werden. Über erste Erfahrungen der Feldversuche im Distrikt 0 berichtete Hermann, DF2DS, in seinem Vortrag auf der HAM RADIO 2000.
 

Nicht nur Erfolg, auch Verpflichtung

Allen, die an den Vorbereitungen und der Betreuung der DATV-Live-Vorführung beteiligt waren, sei es unmittelbar oder feinfühlig aus dem Hintergrund steuernd, herzlichen Dank für ihren Einsatz und Beitrag für die kameradschaftliche Stimmung. Die gelungene Vorführung ist aber nicht nur als ein Erfolg, sondern auch als Verpflichtung anzusehen, die aufgezeigten nächsten Entwicklungsschritte zügig in Angriff zu nehmen, schließlich wird es ja auch eine HAM RADIO 2001 geben.

Literatur:
(1) Projektgruppen DATV gegründet: Uwe Kraus, DJ8DW, CQ DL 2/99, S. 92
(2) Modulares DATV-Konzept läuft: Uwe Kraus, DJ8DW, CQ DL 11/99, S. 904

(aus TV-AMATEUR 117 and CQ DL 9/2000)