Dämpfung durch Entfernung (Freiraum- oder Ausbreitungsdämpfung)

Aus der Optik ist bekannt, dass sich der Lichtstrom auf eine immer größer werdende Fläche verteilt, je größer der Abstand zu einer punktförmigen Lichtquelle ist. Die Beleuchtungsstärke nimmt deshalb quadratisch mit zunehmender Entfernung ab.

Dasselbe gilt auch bei Bündelung des Lichts durch beispielsweise einen Parabolspiegel (Taschenlampe), nur wird hierbei der Lichtstrom nicht mehr gleichmäßig um die Lichtquelle verteilt, sondern hauptsächlich in eine Richtung ausgestrahlt. Da das Licht sich nicht exakt gebündelt (parallel) ausbreitet, sondern in einem, wenn auch geringen Öffnungswinkel, muss sich der Lichtstrom auch hier entfernungsabhängig auf eine größere Fläche verteilen.

Das Beispiel aus der Optik lässt sich leicht auf die Verhältnisse des Satellitenempfangs übertragen. Die am Satellit angebrachten Antennen bündeln den Strahl (beam) sehr stark.

Als anschauliches Beispiel soll hier das Bild des TV-SAT dienen, der aufgrund eines technischen Mangels nach dem Start nicht so in Betrieb gehen konnte wie geplant. Die starke Bündelung des Strahls ist aber gut zu erkennen. In Hauptstrahlrichtung erhält man eine sehr große äquivalente Strahlungsleistung EIRP (Effective Isotropic Radiated Power). Eine auf der Erde befindliche Empfangsantenne "sieht" den Satellit so, als würde er mit der erhöhten Sendeleistung EIRP abstrahlen.

Auf dem langen Weg zur Erde (ca. 38 900 km nach Europa) weitet sich der Strahl und die Leistung verteilt sich auf eine Fläche wie z.B. Mitteleuropa. Die Dämpfung, die sich aus der Entfernung ergibt, lässt sich aus der Flächenzunahme einer Kugel mit wachsendem Radius berechnen:
Kugelfläche 

Auf der Erdoberfläche lässt sich eine Leistungsdichte feststellen, die sogenannte "Power Flux Density" PFD. Sie bestimmt unmittelbar die notwendige Größe der Satellitenempfangsantenne.
Beispielhaft soll nun die Dämpfung durch Entfernung für ein Signal mit 11GHz berechnet werden, mit linearen Faktoren und logarithmisch in dB-Angaben:

Wellenlänge des Signals
Tatsächliche Sendeleistung der Antenne	P = 100W
Gewinn der Antenne	G = 1000
EIRP
Querschnittsfläche des Feedhorns der Sendeantenne
Effektive Leistungsdichte am Ausgang des Feedhorns
Entfernung zur Erde	r2=38900 km = 38,9*106m
Fiktive Kugelfläche
Zunahme der Kugelfläche (= Dämpfung durch Entfernung)
Effektive Leistungsdichte auf der Erdoberfläche		oder

Dämpfung durch Klima und Wetter

Auf dem Weg zur Erde muss das Signal die Atmosphäre durchdringen. Wasserdampf- und andere Gasmoleküle entziehen dabei dem elektromagnetischen Signal einen Teil seiner Energie. Dieser Dämpfungseffekt macht sich v.a. ab 10 GHz bemerkbar, spielt also im Ku-Band noch keine große Rolle, wohl aber im Ka-Band, das in Zukunft an Bedeutung gewinnen wird.

In Erdbodennähe können zusätzlich sogenannte Hydrometeore wie Regen, Nebel, Schnee oder Hagel stören durch Absorption, Depolarisation oder Streuung. Diese Störungen machen sich bereits ab 1 GHz bemerkbar, deutlich stärker jedoch ab 10 GHz. Entscheidend dabei ist auch der
Elevationswinkel, weil bei einem kleinen Wert des Winkels wie z.B. in nördlichen Ländern, der Weg durch die Atmosphäre besonders groß wird.

Dass Wassermoleküle tatsächlich Energie absorbieren ist vom Mikrowellenherd bekannt: Hier ist die Absorption erwünscht. Die in den Nahrungsmitteln enthaltenen Wassermoleküle werden durch die elektromagnetische Welle in Eigenschwingung versetzt und die daraus resultierenden Reibungsverluste erhitzen die Nahrung.

Selbst die Größe von Regentropfen und Hagelkörnern beeinflusst den Empfang. Große Regentropfen beispielsweise absorbieren nicht nur viel Energie, sie reflektieren auch viel, nur meist in die falsche Richtung (Streuung).

Die Reflexion kann aber auch zu einer Drehung der Polarisationsebene führen (Depolarisation). Dies führt zu einer Verringerung der Polarisationsentkopplung (Cross-Polar-Discrimination XPD) von horizontal und vertikal polarisierten Signalen.

Bei der Systemauslegung sollten witterungsbedingte Einflüsse beachtet werden. Eine geforderte Signalverfügbarkeit von 99,9% bedeutet, dass die Satelliten-Fernseh-Übertragung für insgesamt 43 Minuten im ungüngstigsten Monat ausfällt.

Träger-Rausch-Abstand

Nach dem langen Weg vom Satelliten zur Empfangsantenne steht das Nutzsignal nur noch als extrem kleiner Wert zur Verfügung. Zur Bearbeitung muss es aber deutlich größer sein als die verschiedenen Rauschanteile, wie z.B. das Rauschen des Weltalls oder das Eigenrauschen des Empfängers. Zur Beurteilung wird das Verhältnis der Leistung des Trägers (Carrier C) zur Rauschleistung (Noise N) gebildet und in der Regel in Logarithmischer Form als Träger-Rausch-Abstand (Carrier to Noise) C/N angegeben. Wie in der Nachrichtentechnik häufig der Fall, wird C/N auch hier nicht nur für die logarithmische Angabe in dB (Dezibel) verwendet, sondern derselbe Begriff auch für die lineare Angabe als Quotient benutzt:

C/N = 10*lg(C/N)dB

Wie beim terrestrischen Empfang, so ist auch hier ein Mindestabstand (nach DIN VDE 0855/Teil11 und 12) für einwandfreie Signalqualität festgelegt. Er ist abhängig von der Bandbreite des Satelliten-Kanals und beträgt:

Footprints

Durch die Bündelung des Strahls wird auf der Erde nur ein kleiner Teil mit der Sendeleistung ausgeleuchtet. Dies hängt sehr stark von der Ausrichtung und der geometrischen Form der Sendeantenne ab. Bei vorgegebener Sendeleistung wird die Leistungsflussdichte umso geringer, je größer die Ausleuchtzone ist. Um die Leistungsflussdichte in den vorgesehenen Gebieten groß zu halten, wird die Ausleuchtzone begrenzt. Die einzelnen Transponder der verschiedenen Satelliten hinterlassen unterschiedliche "Fußabdrücke" (footprints) auf der Erde. Aus ihnen kann abgelesen werden, an welchem Ort das Signal mit welcher Leistungsflussdichte auftrifft.

Allerdings gibt es hierbei unterschiedliche Darstellungweisen:

Manche Satellitenbetreiber stellen Footprints zur Verfügung, aus denen die effektive Sendeleistung EIRP für die unterschiedlichen Empfangsgebiete ersichtlich ist. Das bedeutet dann, dass eine Empfängerantenne an dem jeweiligen Ort meint, die Sendeantenne im Orbit würde mit der entsprechenden EIRP senden.

Als Beispiel ist hier der Footprint des Eutelsat-Satelliten Hot-Bird1 abgebildet. Eine Übersicht über die Footprints der Eutelsat-Familie finden Sie unter: http://www2.eutelsat.de/about/footprints.html

Andere Satellitenbetreiber geben in ihren Footprints gleich an, welchen Durchmesser die Empfangsantenne an dem jeweiligen Empfangsort haben muss, um ein ausreichend gutes Signal zu erhalten. Als Beispiel sei hier ein Footprint eines horizontal abstrahlenden Transponders des Astra 1A abgebildet. Eine Übersicht über die Footprints der Astra-Flotte finden Sie unter: http://www.Astra.de/recept/footprint/index_d.htm

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Letzte Änderung: Montag, 04. Oktober 1999