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Nach einem Vortrag bei der VHF/UHF-Tagung 1986 in München.
Amateurfunkfernsehen (ATV) wurde noch vor wenigen Jahren ausschließlich auf dem 70-cm-Band betrieben. Dort war neben den Schmalbandmodi CW und SSB ausreichend Platz für ein amplitudenmoduliertes Farbfernsehsignal mit Ton nach kommerzieller Norm.
Mit der wachsenden Belegung des 70-cm-Bands durch FM-Umsetzer, FM-Direktfunk, Satellitenfunk und kommerzielle Raumsicherungsanlagen wurde ATV immer mehr gestört. Da dieser mißliche Zustand nicht mehr geändert werden kann, gingen etliche ATV-Amateure auf die GHz-Bereiche und verwendeten die Modulationsart FM.
Der Vorteil von FM wird anhand eines Vergleiches mit der bisher verwendeten Modulationsart AM dargestellt. Dabei kommen neueste Bauteile aus der Satellitentechnik zum Einsatz. Der Bericht ist eine Zusammenfassung bisheriger Veröffentlichungen in der Amateurfunk-Literatur und eigener Erfahrungen über ATV mit Frequenzmodulation. In späteren UKW-Berichten werden verschiedene Autoren Sende- und Empfangsbaugruppen für FM-ATV auf den GHz-Bereichen beschreiben. Ein Teil der Baugruppen ist auch für den Empfang des kommerziellen Satelliten-Fernsehens geeignet.
1. ATV in Amplitudemodulation
Bisher bot sich für ATV die Modulationsart AM an, da diese vom komerziellen Fernsehen im VHF und UHF-Bereich ebenfalls angewandt wird.
1.1. Sender und Empfänger für AM-ATV
ATV-Sender sind in (1) und (2) beschrieben. Im einfachsten Fall wird in der ZF-Ebene (38,9 MHz) ein Quarzoszillator in seiner Amplitude mit dem Video-Signal moduliert (Bild 1).
Bild 1: Prinzip-Bild eines AM-TV-Senders.
Nach dem Passieren eines Restseitenbandfilters und dem Zufügen des Tonträgers beträgt die Bandbreite 6,75 MHz (Bild 2).
Bild 2: Bandbreitenbedarf bei Fernsehen in AM.
Zum Empfang von amplitutenmodulierten ATV-Signalen ist jeder Fernsehempfänger mit einem Frequenzkonverter geeignet. Der AN-Bereich wird dabei auf einen Kanal im VHF- oder UHF-Bereich umgesetzt. Da die Bildinformation in den Amplitudenschwankungen des Trägers enthalten ist, müssen alle Stufen im Sender äußest linear arbeiten. Jede Amplitudenstauchung bewirkt eine Bildstörung in Form von Zeilenverschiebungen ("Bauchtänze"), Bilddurchlauf, Kontrastverfälschungen und Farbverfälschungen. Am-Fernsehsender können daher nur mit ca. 20 % ihrer möglichen Spitzenleistung betrieben werden. Im Empfänger wird das Linearitätsproblem durch Tuner und ZF-Verstärker mit automatischer Verstärkungsregelung gelöst.
1.2. Signal/Rausch-Abstand
Bei Am-Übertragung ist das Rauschspannungsspektrum nach einem idealen Demodulator (ohne eigene Verzerrungen) konstant (Bild 3).
Bild 3: Rauschspannungs-Spektrum nach dem Demodulator bei AM.
Der videofrequente Rauschabstand S/N ist gleich dem hochfrequenten Rauschabstand C/N. Eine Bildverbesserung kann nur durch eine Vergrößerung des hochfrequenten Signal/Rausch-Abstands (Erhöhen der Sendeleistung, bessere Antennen, dämpfungsärmere Koaxkabel etc.) erreicht werden, und verläuft ungefähr in den in Bild 4 dargestellten Stufen:
Wer z. B. mit 10 Watt Sendeleistung beim Partner ein grob verrauschtes Bild erzielt, müßte auf ca. 10000 Watt aufstocken, um rauschfrei zu werden.
Bild 4: Verschiedene Rausch-Abstände bei AM-TV.
1.3. Hochfrequente Störungen bei ATV im 70cm-Band und Ausweg aus diesem Ärgernis
Die Mehrfachbelegung des 70-cm-Bandes wirkt sich auf ATV-Sendungen vom leichten Moire bis zum totalen Bild- und Ton-Ausfall aus. Für ungestörte ATV-Sendungen bleibt nur der Weg in einen der GHz-Bereiche. Hier stellen sich leider mehrere Hindernisse in den Weg:
- Die Streckendämpfung Ao (dB) = 32,5 + 20 log (d (km) × f (MHz)). Allein die Freiraumbeschaffung Ao steigt vom 70cm-Band zum 23-cm-Band um ca. 9 dB und vom 23-cm-Band zum 13-cm-Band um weitere rund 5 dB. Die Zusatzdämpfung durch Geländehindernisse steigt ebenfalls erheblich.
- Die Kabeldämpfung. Auch die Kabeldämpfung steigt erheblich. Beispielsweise beim bekannten RG-213 sind es vom 70-cm-Band zum 23-cm-Band ca. 14 dB und vom 23-cm-Band zum 13-cm-Band weitere rund 23 dB pro 100m Kabellänge.
Diese Verluste können durch höhere Sendeleistungen nicht ausgeglichen werden, da sie in den GHz-Bereichen von Amateuren nicht realisiert werden können.
Es muß also eine Übertragungsart angewandt werden, die aller Verluste ausgleicht - nämlich FM.
2. ATV in Frequenzmodulation
Die Modulationsart FM wird bereits erfolgreich im TV-Richtfunk, im transkontinentalen TV-Funk und bei TV-Direktempfangs-Satelliten eingesetzt. Die Technik ist so einfach, daß sie auch von Amateuren beherrscht werden kann.
2.1. Sender und Empfänger für FM-ATV
Die Bildmodulation wird auf einfache Weise in einem Oszillatorkreis mit einer Kapazitätsdiode erzeugt. Der Ton wird einem Unterträger (z. B. 5,5 MHz) in FM aufmoduliert und dann über eine weitere Kapazitätsdiode dem Oszillator aufgeprägt (Bild 5). Wegen des großen Frequenz-hubs des Bildsignals scheiden frequenzmodulierte Quarzoszillatoren aus. Man verwendet ausreichend stabile freischwingende Oszillatoren im niederen HF-Bereich (z. B. bei 123 MHz) und gelangt durch Mischen oder Vervielfachen auf die Endfrequenz.
Bild 5: HF-Schaltbild eines Oszillators mit Ton-Unterträger und Bild-Modulation.
Ein geeigneter Steuersender wurde in (3) veröffentlicht.
Zur Zeit wird bei FM-ATV ein Oszillatorbereich für die Bild- und Ton-Aufbereitung von ca. 123 MHz bevorzugt, um vorhandene GHz-Mischer- und Verstärker verwenden zu können. Solche Transverter sind für die Umsetzung eines CW/SSB/FM-Signals vom 2-m-Band in ein GHz-Band konzipiert. Sie können in der Regel auch breitbandige ATV-Signale verarbeiten. Man geht mit dem FMATV-Signal etwas unter 144 MHz, um im Nahfeld den 2-m-Empfang für eventuelle Sprechfunk-Querverbindungen nicht zu beeinträchtigen. Senderschaltungen mit PLL-IS, die ohne Mischung direkt in den GHz-Bereichen arbeiten, sind in Vorbereitung.(8)
Bei Winkelmodulation (Frequenz- oder Phasenmodulation) entstehen symmetrisch zur Trägerfrequenz unendlich viele Seitenbandfrequenzen im Abstand von Vielfachen der Signalsfrequenz (Bild und Ton). Sie sind abhängig von der momentanen Signalfrequenz fs, dem Hub MT und - als Verknüpfung von beiden - vom Modulations-index M.
In der Praxis sind jedoch nur Seitenschwingungen von Bedeutung, deren Amplitude mindestens 10 % der Amplitude der unmodulierten Trägerschwingung beträgt. Bild 6 zeigt die Bandbreite eines frequenzmodulierten Senders bei verschiedenen Modulationsindizes.
Bild 6: Spektrum einer frequenzmodulierten Schwingung für den Modulations-Index 1 und 5.
Die Bandbreite einer FM-Aussendung beträgt B = 2 (ΔfT + fs).
An und sich kann jeder beliebige Modulations-index gewählt werden. Im Abschnitt 3 wird die Abhängigkeit des FM-Gewinns vom Modulationsindex dargelegt. Die Signalfrequenz fs beträgt beim AN-Betrieb maximal 5,5 MHz (Frequenz des Ton-Unterträgers). Der Modulationsindex ist
Üblicherweise wird im ATV-Betrieb ein Modulationsindex von 0,5 bis 1 verwendet. Damit beträgt die Bandbreite ca. 16 bis 22 MHz. Das ist aus frequenzökonomischen Gründen in den bisher kaum belegten GHz-Amateurfunkbereichen gerade noch zu verantworten.
Der Empfänger für FM-Fernsehen ist wesentlich aufwendiger als der Sender. Hier genügt nicht mehr ein einfacher Frequenzkonverter. Der hoch-und zwischenfrequente Teil des Empfängers muß auf die große Bandbreite des FM-TV-Signals zugeschnitten sein. Zur Demodulation ist ein FM-Demodulator erforderlich, der die große Bandbreite verarbeiten kann.
Zunächst wurden für den Zwischenfrequenzverstärker und den FM-Demodulator Schaltungen aus der Satellitentechnik im Bereich von 70 MHz verwendet. Die Eingangsfrequenz (z. B. 1,3; 2,3; 10 GHz) wird durch einen Konverter auf die ZF umgesetzt. In (4) und (5) wurden geeignete ZFVerstärker beschrieben. Abwandlungen der Version (5) sind in Folgeheften des "TV-Amateur" veröffentlicht. Der ZF-Bereich von 70 MHz hat den Nachteil, daß die Spiegelfrequenz nahe am Empfangssignal liegt. Zum Ausschalten des unerwünschten Rauschbeitrages der Spiegelfrequenz muß in der HF-Ebene ein aufwendiges Bandpaßfilter verwendet werden. Im ZF-Bereich wurde bisher die Selektion durch ein selbstgefertigtes LC-Filter erreicht (Bild 7).
Bild 7: LC-Bandpaß-Filter für den 70-MHz-Bereich Spulendurchmesser: 5 mm; Kern-Kennzeichnung: weiß.
Die Flankensteilheit ist mäßig (Bild 8), so daß benachbarte Aussendungen auf den Bereichen für Schmalbandmodi (CW, SSB, FM-Sprechfunk) den Empfang von FM-ATV-Aussendungen beeinträchtigen.
Bild 8: Durchlaßkurve eines 70-MHz-Verstärkers mit LC-Filter.
Zum Abgleich ist ein wobbelbarer Meßsender erforderlich. Von Texscan gibt es vorabgeglichene LC-Bandpaßfilter mit einer Mittenfrequenz von 70 MHz und verschiedenen Bandbreiten von 16 bis 30 MHz (Typenbezeichnung z. B. XBM70/25-1). Bei ihrer Verwendung erübrigt sich ein Ab-gleich am Wobbel-Meßplatz.
Inzwischen sind auch für den 70-MHz-Bereich Oberflächenwellenfilter erhältlich. Sie zeichnen sich durch große Flankensteilheit aus. Die Sperrdämpfung außerhalb des Durchlaßbereiches beträgt über 40 dB.
Die hervorragende Durchlaßcharakteristik (Bild 9) muß leider durch eine hohe Durchgangsdämpfung erkauft werden, nämlich ca. 27 dB. Der ZF-Verstärker nach (5) besitzt jedoch genügend Verstärkungsreserven, um diese unangenehme Eigenschaft auszugleichen.
Bild 9: Durchlaßkurve des 70-MHz-OFW-Filters SW 503 von Signal Technology.
Inzwischen rückte die Industrie bei Satelliten-Empfangsanlagen - wohl wegen der Spiegelfrequenzprobleme - von der 70-MHz-ZF-Technik ab. Die ZF beträgt in diesen Anlagen neuerdings 479,5 MHz. Hierfür gibt es Oberflächenwellen-filter mit derselben Charakteristik wie im 70-MHz-Bereich, wie z.B. Y6950 von Siemens, SW504 von Signal Technology. Auch bei FM-ATV sollte diese neue ZF verwendet werden, da in Bälde komplette ZF-Verstärker für diesen Bereich erhältlich sein werden.
In Anbetracht des hohen Preises und der schwierigen Beschaffung von 479,5-MHz-Bauelementen ist zur Zeit der Einsatz der 70-MHzZF-Technik noch gerechtfertigt.
Besondere Aufmerksamkeit muß dem FM-Demodulator gewidmet werden. Er ist für eine verzerrungsfreie Wiedergabe der FM-TV-Übertragung wesentlich verantwortlich.
Anfangs wurde mit einem Diodendiskriminator experimentiert. In (6) ist ein derartiger Demodulator beschrieben.
Die in Bild 10 gezeigte Schaltung benötigt jedoch einen sehr hohen ZF-Pegel. Außerdem ist es schwierig, beim Diskriminatorkreis die erforderliche Bandbreite zu erreichen.
Bild 10: Diodendiskriminator für FM-TV mit Demodulator für den Ton-Unterträger.
Bessere Ergebnisse wurden mit dem integrierten PLL-Demodulator des Typs NE564 erzielt (Bild 11). Er brachte bei schwachen Signalen einen um ca. 5 dB besseren Signal/Rausch-Abstand.
Bild 11: Ein PLL-Demodulator mit der IS NE564.
Trotz der hervorragenden Eigenschaften des NE564 müssen auch hier Mängel in Kauf genommen werden. Die garantierte Einsatzfrequenz beträgt nämlich nur 50 MHz. Einige Exemplare arbeiten deshalb bei 70 MHz unstabil. Außerdem kann diese IS nur eine Bandbreite von ca. 22 MHz verarbeiten. Breitere TV-Signale bewirken ein Ausreißen von Kantenübergängen im Bild. Der interne Signal/Rausch-Abstand in der Video-Ebene beträgt nur 40 dB. Auch bei stärksten Signalen ist ein leichtes Bildrauschen sichtbar. Für kommerzielle Ansprüche beträgt die Forderung ca. 60 dB. Schließlich kann der NE564 trotz eines internen Begrenzers leicht übersteuert werden. Erst eine externe Begrenzerstufe (z. B. MC10116) schafft hier Abhilfe.
Für die neue ZF-Technik bei 479,5 MHz ist bereits eine bessere Demodulator-IS erhältlich: der Quadraturdemodulator SL1452 von Plessey (Bild 12).
Bild 12: Die einfache Beschaltung der Demodulator-IS SL 1452.
Die Bandbreite kann extern durch Andern des Bedämpfungswiderstands am Parallelschwingkreis den Erfordernissen angepaßt werden. Der videofrequente Signal/Rausch-Abstand beträgt 70 dB. Damit werden sogar kommerzielle Anforderungen überboten.
Über den 479,5-MHz-PLL-Demodulator µPG1477C von NEC liegen beim Verfasser noch keine Erfahrungen vor.
Am Ausgang des FM-Empfängers stehen das FBAS-Signal und das Ton-Signal zur Verfügung. Der TV-Empfänger muß also einen Monitor-Eingang besitzen. Altere TV-Empfänger können meist problemlos mit einem Direkteingang versehen werden. Ersatzweise, aber qualitätsmindernd, können Bild und Ton auch über einen UHF-Modulator im TV-Empfänger wiedergegeben werden. Hierfür eignet sich z. B. die IS TDA5660P von Siemens.(9)
2.2. Maßnahmen zur Verbesserung des videofrequenten Signal/Rausch-Abstands bei FM-TV
Bei der Demodulation von FM zeigt sich eine mißliche Erscheinung: während das Rauschspannungsspektrum nach einem idealen Demodulator bei AM konstant ist (Bild 3), steigt die Rauschspannung bei FM zu höheren Videofrequenzen hin an (Bild 13).
Bild 13: Rauschspannungsspektrum nach dem Demodulator bei FM.
Da die Amplituden des Spektrums einer Videoquelle (z. B. Kamera) zu höheren Frequenzen hin abfallen, wird ein störendes Bildrauschen sichtbar.
Wie schon beim UKW-Rundfunk praktiziert, kann diese Erscheinung auch beim FM-Fernsehen kompensiert werden, indem im EmpfängerVideo-Teil das hochfrequente Bildrauschen durch ein Deemphasis-Glied stark geschwächt wird. Im Sender muß diese empfängerseitige AbSenkung höherer Frequenzen durch einen genau gegenläufigen Verstärkungsverlauf in der Video-Ebene ausgeglichen werden (Preemphasis).
Nach der CCIR-Norm 405-1 haben diese Glieder den in Bild 14 gezeigten Dämpfungsgang.
Bild 14: Dämpfungsverlauf des Pre- und De-Emphasis-Gliedes.
Mit dieser Maßnahme wird eine lineare Übertragung des Videosignals erreicht, wobei der videofrequente Störabstand um 14 dB verbessert wird (Bild 15).
Bild 15: Videofrequentes Ergebnis von Pre- und De-Emphasis.
Diese Glieder lassen sich auf einfache Weise realisieren (Bild 16). Sie werden im Sender und Empfänger in die Videoleitung eingefügt.
Bild 16: Pre- und De-Emphasis-Filter.
Mit so wenig Aufwand läßt sich bei FM-TV der videofrequente Störabstand deutlich verbessern. Die Bilder 17 und 18 machen die Empfangsverbesserung durch den Einsatz des Pre- und Deemphasisfilters deutlich.
Bild 17: Verrauschtes Bild ohne Pre- und De-Emphasis.
Bild 18: Dasselbe Bild rauschfrei durch Pre- und De-Emphasis.
3. Vergleich zwischen AM- und FM-Fernsehen
Sowohl bei AM als auch bei FM muß am Empfängereingang ein Signal vorhanden sein. FM kann nicht das Wunder bewirken, Signale unter dem Rauschen sichtbar zu machen.
Bei FM ergibt sich mit Modulationsindizes über 0,5 ein steigender Systemgewinn gegenüber AM. Dies rührt daher, daß ein und dieselbe Information fs (Video und Ton) innerhalb der großen Übertragungsbandbreite mehrfach auftritt (Bild 6). Der FM-Demodulator addiert sozusagen die mehrfach übertragenen Informationen. Damit wird der videofrequente Signal/Rausch-Abstand S/N größer als der hochfrequente Rauschabstand C/N des empfangenen Signals.
Nach (7) beträgt der Systemgewinn von FM gegenüber AM
Bei AM muß ein Restträger vorhanden bleiben, sonst würden in Bildmodulationsspitzen der Ton und die Farbe aussetzen. Man geht daher von einem maximalen Modulationsgrad von m = 0,8 aus.
Bild 19 zeigt den Verlauf des Systemgewinns S in Abhängigkeit von Modulationsindex M.
Bild 19: Systemgewinn von FM gegenüber AM.
Bei einem Modulationsindex von M =1 (Bandbreite ca. 22 MHz) beträgt der FM-Gewinn 6,7 dB. Damit sollte man sich in den GHz-Amateurfunk-Bereichen zufrieden geben. Beim Satellitenfernsehen ist die Bandbreite nur unwesentlich größer, nämlich 27 MHz. Bei einem Modulations-index von M = 5 wäre der FM-Gewinn 20,6 dB, erkauft durch die große Bandbreite von ca. 66 MHz. Dies ist aus frequenzökonomischen Gründen nicht vertretbar. Außerdem kann dieses breite Signal mit Amateurmitteln nicht demoduliert werden.
Der Pre-/Deemphasis-Gewinn beträgt 14 dB. Je nach verwendetem Demodulator kann eine weitere Verbesserung des Signal/Rausch-Abstands um bis zu 5 dB erreicht werden.
Somit beträgt der Gewinn von FM gegenüber AM im videofrequenten Signal/Rausch-Abstand 20 bis 25 dB.
Bei einem Wechsel vom 70-cm-Band auf die GHz-Bänder bei 1,3 oder 2,3 GHz wird der höhere Streckenverlust mehr als ausgeglichen. Voraussetzung ist allerdings, daß keine Hindernisse wie Häuser, Hügel, Wälder zwischen den Funkpartnern liegen.
Die Theorie wird durch die Erfahrungen der Gruppe um den ATV-Umsetzer DB0DN auf dem Tegelberg belegt:
Die sogenannte FM-Schwelle liegt im 2,3-GHz-Umsetzer-Empfänger ca. 10 dB über dem Rauschen. Unterhalb dieser Schwelle sind die empfangenen Bilder verrauscht, jedoch ist immer Farbe vorhanden, sobald ein Bild sichtbar ist (Bild 20). Im Bereich der FM-Schwelle wechselt das Bild fast schlagartig von angerauscht zu rauschfrei (Bild 21).
Bild 20: FM-ATV-übertragung bei 2,3 GHz mit 150 mW: Empfang unter der FM-Schwelle, verrauscht, aber in Farbe.
Bild 21: wie Bild 20, aber mit 800 mW: Empfang an der FM-Schwelle, Übergang von leicht verrauscht zu rauschfrei; Farbe vorhanden.
Ab ca. 3 bis 6 dB über der FM-Schwelle kann das Bild durch Erhöhen der Sendeleistung nicht mehr verbessert werden, da es schon rauschfrei ist (Bild 22).
Bild 22: wie Bild 20, aber mit 1,5W: rauschfrei, Farbe.
Bild 23: AM-ATV-Übertragung im 70-cm-Band mit 1 W: C/N = 10 dB, grob verrauscht, keine Farbe.
Bild 24: wie Bild 23, aber mit 10 W: C/N 20 dB, angerauscht, Farbe vorhanden.
Bild 25: wie Bild 23, aber mit 70W: C/N = 30 dB, leicht verrauscht, Farbe.
Abschließend kann man also wie folgt zusammenfassen:
FM-ATV hat gegenüber AM-ATV folgende Vorteile:
- 20 bis 25 dB besserer Signal/RauschAbstand als bei gleichstarker AM-Übertragung oder gleichgute Bildqualität bei 20 bis 25 dB geringerer Sendeleistung.
- einfacherer Senderaufbau
- alle Stufen im Sender können mit ihrer Oberstrichleistung betrieben werden
Folgende Nachteile müssen in Kauf genommen werden:
- Aufbau eines speziellen Empfängers für FM-TV
- größere Bandbreite
Die Vorteile überwiegen die Nachteile bei weitem. Wer keinen Gefallen am gestörten ATV-Betrieb auf dem 70-cm-Band mehr hat, sollte FM-ATV in den GHz-Bereichen betreiben.
Die Bilder 20 bis 25 wurden bei 2,3 GHz in FM-ATV bzw. im 70-cm-Band in AM-ATV übertragen. Zum besseren Vergleich wurden unterschiedliche Kabeldämpfung und Antennengewinne herausgerechnet, so daß die Übertragungsqualität bei den angegebenen Sendeleistungen direkt miteinander verglichen werden kann.
4. Literaturhinweise
- G. Sattler, DJ4LB: Baugruppen für einen ATV-Sender nach dem ZF-Verfahren, UKW-Berichte 12 (1972) Hefte 3 und 4
- H. Venhaus, DC6MR: Ein ATV-Sender für das 70-cm-Band auf einer Platine, TV-Amateur 3 / 1974, Seite 9-29
- W. Rätz, DL6KA: Ein FM-ATV-Steuersender, TV-Amateur 50 / 1983 Seite 18 - 23
- K. Hirschelmann, DJ7OO: Eine Amateurfunkfernsehstation im 10-GHz-Band, N-Amateur 45 / 1982 Seite 20 - 29
- E. Zimmermann, DD9QP: Universeller ZF-Verstärker für FM-ATV-Anwendungen, TV-Amateur 54 / 1984 Seite 18 - 23
- H. Venhaus, DC6MR: FM-ATV, TV-Amateur 43 / 1981 Seite 14 - 21
- R. Mäusl, DL9YZ: Modulationsverfahren in der Nachrichtentechnik Hüthig-Verlag 1981
- G. Sattler, DJ4LB: SDA 3202 - Neue PLL-IS bis 1,5 GHz, UKW-Berichte 25 (1985), Heft 2 Seite 205 - 209
- Redaktion: Ein anpassungsfähiger Modulatorbaustein für Fernseh-, Bild- und Tonsignale (48 - 860 MHz), UKW-Berichte 24 (1984), Heft 4, Seite 246 - 248
- R. Polz, DC2CS: ZF-Verstärker und Demodulator für Breitband-FM, UKW-Berichte 26 (1986), Heft 1, Seite 2 - 7
DJ6PI, Josef Grimm.