mini|LNB einer Parabolantenne Ein rauscharmer Signalumsetzer (vom englischen low-noise block converter [], kurz LNB; auch Low Noise Converter, kurz LNC oder low-noise downconverter, kurz LND) ist die erste, im Brennpunkt einer Parabolantenne oder in der Signalauskopplung einer Panelantenne befindliche elektronische Baugruppe einer Satellitenempfangsanlage.
Die Baugruppe setzt die empfangene Satellitenfrequenz von 10,7–11,7 oder 11,7–12,75 GHz auf den Bereich 950–2150 MHz um und ermöglicht dadurch den Empfang mit einem Satellitenreceiver. Die Signalübertragung erfolgt gewöhnlich durch Koaxialkabel und kann auch mit Lichtwellenleitern ab LNB erfolgen.
Der LNB ist somit das Gegenstück zum Aufwärtswandler. Ältere LNBs für Analog-TV konnten lediglich Signale im Frequenzbereich 10,7 bis 11,7 GHz verarbeiten, da nur auf diesen Frequenzen gesendet wurde. Bei Einführung des digitalen Satellitenfernsehens (engl. Digital Video Broadcast Satellite, DVB-S) wurden die DVB-S-Signale zunächst nur im oberen Frequenzbereich ab 11,7 GHz gesendet. Ein „digitaltauglicher“ Universal-LNB muss den vollen Frequenzbereich von 10,7 bis 12,75 GHz umsetzen können. Angesichts der Analog-TV-Abschaltung sind inzwischen fast alle Satelliten-Transponder ab 10,7 GHz aufwärts mit Digital-TV-Signalen belegt.
Ein LNB besteht aus der Kombination eines rauscharmen Verstärkers (LNA) mit einem Block-Umsetzer (siehe unten). Ist noch ein Feedhorn (vom englischen feed horn für „Einspeisungshorn“) angebaut, wird es auch als LNBF (Low Noise Block Feed) oder LNF (Low Noise Feed) bezeichnet.
Aufbau und Funktion mini|LNB ohne Abdeckung: In der runden Öffnung sind zwei Stifte erkennbar. Mit ihrer Hilfe werden die vertikal und die horizontal polarisierten Komponenten des empfangenen Signals aus dem Feedhorn in die elektronische Schaltung eingekoppelt. Unten sind zwei Anschlüsse für Koaxialkabel erkennbar. Die empfangenen, verstärkten und herunter-gemischten Signale werden darüber weitergeleitet. mini|Blockdiagramm eines Universal-LNB mini|Historisches TV-SAT-LNB mit HF-Filter, Polarisation links- und rechtsdrehend Nachdem die hochfrequenten Mikrowellen eines geostationären Telekommunikationssatelliten durch einen Parabolspiegel oder eine Panelantenne gebündelt wurden, erfüllt der LNB beim Satellitenempfang folgende weitere Aufgaben:
Das bei Parabolantennen verwendete Feedhorn (auch: Hörnchen) besteht aus einem metallischen Zylinder oder Konus mit genau zum Empfangs-Frequenzbereich passenden Abmessungen. Es dient der Impedanzanpassung und erfüllt als Hohlleiterstruktur auch eine Filterfunktion gegen Fremdeinstrahlung. Das zum Parabolspiegel zeigende Ende ist offen und lässt die elektromagnetischen Wellen eintreten, eine Schutzkappe aus Kunststoff verhindert, dass Staub oder Wasser eindringen. Am anderen Ende befinden sich die Erreger der Antennenkonstruktion, d. h. der Übergang vom Hohlleiter auf Streifenleiter. Die LNBs müssen die Polarisationsmodi der einfallenden Wellen trennen (horizontale, vertikale oder zirkulare Polarisation). Während das in der Anfangszeit des Satellitenempfangs durch mechanische Drehvorrichtungen oder Polarizer erreicht wurde, gibt es dafür seit den 1990er Jahren meist getrennte Signalpfade mit passend angeordneten Dipolantennen. Diese beiden Empfangsantennen, die von links und von oben in den Hohlleiter der Rillenhornantenne ragen, sind im nebenstehenden Bild deutlich zu sehen. Sie leiten die Empfangsenergie auf kurzem Weg zu den nachgeschalteten Verstärkertransistoren. Er verstärkt die aufgefangenen Signale und setzt die Frequenz nach dem Prinzip des Überlagerungsempfängers auf die Zwischenfrequenz (ZF) herab. Das ist notwendig, um das empfangene Signal mit normalem Koaxialkabel verlustarm an einen Satellitenreceiver weiterleiten zu können. Die Umsetzung wird erreicht, indem das Empfangssignal mit einer lokalen Oszillatorfrequenz (LOF) multiplikativ gemischt wird (typisch: 9,75 GHz bei Lowband- und 10,6 GHz bei Highband-Empfang). Durch ferngesteuerte Umschaltung dieser Frequenz können beim sogenannten Universal-LNB verschiedene Satelliten-Frequenzbänder auf den gleichen ZF-Bereich abgebildet und so zwischen dem Lowband (früher überwiegend analoge Programme) und dem Highband (früher überwiegend digitale Programme) gewechselt werden.
Die Stromversorgung des LNB erfolgt mittels Fernspeisung über das Antennenkabel. Der seit Ende der 1980er Jahre etablierte Marconi-Standard ermöglicht eine Auswahl der Polarisationsebene über die Höhe der Versorgungsspannung (14 Volt vertikal, 18 Volt horizontal). Die Schaltschwelle liegt bei 15 V und erlaubt Spannungsabfälle an bis zu drei Dioden in vorgeschalteten DiSEqC-Schaltern sowie im Zuleitungskabel selbst. Beim Universal-LNB (10,7–12,75 GHz) kann mit einer überlagerten permanenten Schaltfrequenz (22 kHz ±20 %) alternativ das später hinzugekommene Highband ab 11,7 GHz ausgewählt werden. Um mehr als zwei Schaltkriterien bedienen zu können, wurde bereits Anfang der 1990er Jahre gemeinsam vom Satellitenbetreiber Eutelsat und der Firma Philips der digitale Steuerbus DiSEqC – später mit Rückkanal – entwickelt. Dieser ermöglicht mit einer modulierten 22 kHz-Frequenz die Steuerung von bis zu 256 verschiedenen Komponenten einer Satellitenempfangsanlage. DiSEqC-Komponenten können mit einer reduzierten Betriebsspannung von 12 Volt arbeiten, um die Verlustleistung zu reduzieren.
Quattro-LNBs und Breitband-LNBs beinhalten keine Signalisierung über die Fernspeisespannung. Diese können üblicherweise zur Energieeinsparung mit einer Fernspeisespannung von 9 V betrieben werden. So wird es auch in den „Technical Recommendations“ von SES vorgegeben.
Die gesamte Funktionseinheit wird normalerweise in ein gemeinsames Wetterschutzgehäuse – bei Panelantennen in diese – integriert. Neben dem Schutz vor Feuchtigkeit, Staub und Temperatureinflüssen muss es gewährleisten, dass im Bereich des Welleneintrittsfensters auch außen möglichst keine Verunreinigungen oder Wasser (gegebenenfalls auch als Schnee oder Eis) anhaften können. Der Hals hat (im üblicherweise empfangenen Ku-Band) einen Durchmesser von 40 mm, mit dem der LNB an einer Schelle (Feedhalter) der Parabolantenne befestigt wird. Für Multifeedanlagen gibt es LNBs mit 23 mm Halsdurchmesser. Spannung Schaltfrequenz Oszillatorfrequenz Polarisation Empfangsfrequenzbereich Zwischenfrequenzbereich 13 V 0 kHz 9,75 GHz vertikal unteres Band (10,70–11,70 GHz) 950–1950 MHz 18 V 0 kHz 9,75 GHz horizontal unteres Band (10,70–11,70 GHz) 950–1950 MHz 13 V 22 kHz 10,60 GHz vertikal oberes Band (11,70–12,75 GHz) 1100–2150 MHz 18 V 22 kHz 10,60 GHz horizontal oberes Band (11,70–12,75 GHz) 1100–2150 MHz
Frequenzband
Je nach Anwendung werden verschiedene Frequenzbänder benutzt. Für jedes Frequenzband gibt es eigene LNB, wobei es im Handel aber auch LNBs gibt, die für mehr als ein Frequenzband einsetzbar sind. Das am meisten verbreitete Frequenzband ist das Ku-Band. Es arbeitet im Downlink von 10,7 bis 12,75 GHz. Darüber wird fast das gesamte Satellitenfernsehen geführt. Bekannte Frequenzbänder sind auch noch das Ka-Band (17,7 bis 21,2 GHz) und das C-Band (3,4 bis 4,2 GHz). Darüber hinaus gibt es noch das P-, L-, S-, C- und X-Band, welche aber im Endbenutzerbereich nicht genutzt werden.
Problemfelder des Satellitenempfangs Betrachtet man die Sendekeule eines Satelliten, also seine Ausleuchtungszone auf der Erdoberfläche (englisch footprint genannt), wird verständlich, dass die Signalleistungsdichte am Boden nur gering sein kann. Damit sich das Nutzsignal aus dem thermischen Grundrauschen der kosmischen Hintergrundstrahlung auf das gesamte Basisband bezogen überhaupt heraushebt, werden hoch bündelnde Antennen (Parabolspiegel, Panelantenne) verwendet. Diese leiten bei korrekter Ausrichtung auf den geostationären Satelliten ausreichend viel Nutzsignal und nur wenig Störungen in den „Feed“ des LNB. Bei zu geringem Rauschabstand (SNR, englisch Signal-to-noise ratio genannt), zu dem es durch eine zu kleine oder falsch ausgerichtete Antenne, durch Dämpfung des Signals (Schneefall, Regen) oder durch Einspeisung weiterer Rauschquellen (Reflexionen) kommen kann, ist kein Empfang mehr möglich.
Da die Rauschleistung des thermischen Rauschens von der Basisbandbreite abhängt, wird dies umso problematischer, je größer der genutzte Frequenzbereich ist.
Bei einem Universal-LNB wird zwischen zwei verschiedenen Frequenzbereichen umgeschaltet, um den gesamten Empfangsbereich von 10,7–12,75 GHz abzudecken, da die Frequenzbandbreite zwischen oberer und unterer Grenzfrequenz (2,05 GHz) nicht in den Empfangsbereich des Satellitenreceivers von 950–2150 MHz passt.
Da jeder Verstärker rauscht und dieses Eigenrauschen dem Signal hinzufügt, kann der Rauschabstand in einer Signalkette nie besser, sondern immer nur schlechter werden. Ein LNB benötigt deshalb einen im gesamten Basisband besonders rauscharmen Verstärker, um auch bei schlechten Empfangsverhältnissen noch einen Empfang zu ermöglichen. Typisch für Universal-LNBs ist seit 2004 ein Eigenrauschen (verwandte Begriffe: Rauschmaß, Rauschzahl, engl. noise figure, noise floor) von etwa 0,6 dB (0,6–0,7 dB bei 21 °C gelten als sehr gut). Niedrigere Rauschmaße von 0,2 und 0,3 dB sind im Privatbereich nicht möglich, da in der ersten Stufe des LNAs laut den Datenblättern der Hersteller bereits der Verstärkungs-Transistor unter optimalen Bedingungen ein Eigenrauschen von ca. 0,3 dB aufweist. Dies bedeutet, dass das Gesamtrauschmaß nur größer sein kann, wenn mehrere Verstärkerstufen (mit rauscharmen sogenannten HEMTs) hintereinandergeschaltet werden. Dabei spielt auch die Verstärkung der einzelnen Stufen eine entscheidende Rolle.
Die Link-Budgets der DTH-Satellitensysteme sind für LNBs mit einem Rauschmaß von 1,3 dB ausgelegt. Insbesondere bei kleinen Antennenreflektoren hat das Hintergrundrauschen einen wesentlich größeren Einfluss auf die Signalqualität, als das Rauschen des LNBs. Neben der allgemeinen Luftverschmutzung können auch Schnee und Eis sowie Vogelkot (Empfangsseite Feedhorn) das Signal dämpfen.
Bezeichnungsursprung
Ein niedriges Eigenrauschen ist zwar ein wichtiges Qualitätsmerkmal dieses Bauteils, „Low Noise“ als Namensbestandteil ist aber doch recht eigentümlich und nur durch die historische Entwicklung zu erklären.
In den Anfangszeiten des Satellitenempfangs (und für Spezialanwendungen auch noch heute) wurde das Hochfrequenzsignal vom Satelliten nur verstärkt und ohne Umsetzung auf eine Zwischenfrequenz zum Empfänger geleitet. Dabei war ein geringes Rauschen besonders wichtig und die entsprechenden damals sehr aufwändigen Hochfrequenzverstärker wurden Low Noise Amplifier (LNA) genannt. Bei dieser Konstruktion sind nur kurze, dämpfungsarme Kabelverbindungen zwischen Antenne und Empfänger möglich.
Um Satellitenempfang auch für Privatanwender zu ermöglichen, wurde in den 1980er Jahren der LNC (low noise converter) eingeführt. Hier erfolgt neben der Verstärkung auch eine Umsetzung auf eine niedrigere Zwischenfrequenz (ZF), was die Verbindung zum Empfänger vereinfacht. Empfangsfrequenzbereich eines LNC war normalerweise 10,95–11,7 GHz; für die TV-SAT- und TDF-Satelliten gab es LNCs mit dem Empfangsfrequenzbereich von 11,7–12,5 GHz. Zum Empfang mehrerer Polarisationsebenen war entweder ein in einem LNC vorgeschalteter Polarisator oder eine im Hohlleiter angeordnete Polarisationsweiche mit eigenem LNC für jede Polarisation notwendig. Für den Empfang zwei verschiedener Satelliten-Frequenzbänder, wie vom Deutschen Fernmeldesatelliten DFS-Kopernikus erstmals im Rundfunk-Direktempfang verwendet, waren LNCs notwendig, die zwei Frequenzbänder empfangen können. DFS-Kopernikus sendete im Frequenzbereich von 10,95–11,7 und 12,5–12,75 GHz.