DATV via QO-100

Erfahrungsbericht von LX1LW

Es war am 15.November 2018 dass der 5,3t schwere Satellit Es’hail-2 oder auch noch als QO-100 (Quatar-OSCAR 100) bekannt auf Orbit geschossen wurde. Er erreichte seine endgültige Position auf 26° Ost im Februar 2019. Von da an steht uns erstmalig in der Geschichte des Amateurfunk ein geostationärer Satellit zur Verfügung. Er hat neben Ku- und Ka-Band Transponder für Satellitenfernsehen auch S- und X-Band Transponder für den Amateurfunk an Bord. Der Footprint erstreckt sich von Brasilien über den Afrikanischen Kontinent bis nach Thailand hin.

„Footprint“ des QO-100

Der Uplink erfolgt im 13cm Band und der Downlink im 3cm Band und im Bandplan sind Narrowband wie CW, SSB, SSTV, … und Wideband Betriebsarten wie DATV vorgesehen.

Bandplan der Transponder

Nach reichlichem Recherchieren und Überlegen stand mein Konzept fest. Als Sender soll der Adalm Pluto von Analog Devices eingesetzt werden, als PA sollen zwei Spectrian 75W Module dienen und das Ganze sollte abgesetzt vom Shack, also Remote betrieben werden. Dazu soll alles in zwei getrennte 19 Zoll Gehäuse verbaut werden. Ich wollte keine Konverter, Externe Netzteile, usw. benutzen. Die PA soll separat noch für andere Anwendungen genutzt werden können und der Wechsel für NB Betrieb sollte mit ein paar Handgriffen möglich sein. Für RX dient mir der USB TVSat Empfänger TBS 5927 mit der Software DVB Dream oder der Satellitenreceiver SF4008 von Octagon.
Andere Lösungen wie der MiniTioune von F6DZP sind da wesentlich besser geeignet und lassen auch niedrige Symbolrates zu. Es reicht ein Standard Ku-Band LNB.

Der DVBS-2 Sender

Der Adalm Pluto ist im Prinzip ein SDR Empfänger der auch sendefähig ist. Seine Ausgangsleistung reicht aber nur zu Labormesszwecken. Seine TX Frequenz und Bandbreite ist mit der geeigneten Software programmierbar und reicht bis über 3 GHz. Er bietet mit einem USB-LAN Adapter darüber hinaus noch die Möglichkeit dass er über LAN Netzwerk betrieben werden kann, was in meinem Fall wichtig war. Gleich am Ausgang des Pluto kommt ein 40 dB HF Verstärker zum Einsatz. Da meine Spectrian PA mit etwa 5-6W angesteuert werden muss, habe ich eine weitere Verstärkerstufe nach schalten müssen.
Dazu hat sich die 12.5W PA von CT1FFU als ideal erwiesen. Versuche mit Chinesischen WLAN Verstärker liefen ins Leere. Sie waren schlicht und einfach zu schwach und unzuverlässig. Vorteil wäre gewesen dass diese keine PTT benötigt hätten sondern eine Art VOX PTT haben die automatisch tastet sobald Signal anliegt. Da alle Baugruppen unterschiedliche Spannungen benötigten und ich nur ein 12V/5A Schaltnetzteil vorgesehen habe, musste ein Step-down Konverter auf 5V für den Pluto verbaut werden und ein Step- up Konverter von 12V auf 28V für die PA von CT1FFU. Letzterer wird von CT1FFU gleich mitgeliefert. Ein Bandpass Filter soll unerwünschte Nebenausstrahlungen unterdrücken.
Eine LAN Buchse musste noch durch das 1HE 19 Zoll Gehäuse nach außen geführt werden, sowie eine Buchse für die PTT. Den RX Eingang des Pluto führte ich gleich mit nach außen, obwohl dieser hier nicht gebraucht wird. An der Frontseite befinden sich der Hauptschalter und eine LED die Auskunft gibt ob das Netzteil Spannung liefert.

An sich wäre diese Konfiguration schon geeignet um SSB, CW, ... Betrieb mit einer 60er Satschüssel zu machen, wäre da nicht der Oszillator des Pluto, der nicht ausreichend Frequenzstabil ist und das Signal dadurch driftet. Für DATV reicht seine Stabilität allerdings völlig aus. Ein geeigneter Oszillator für Schmalbandbetrieb ist bei Mouser electronics erhältlich. Andere Lösungen wie den Takt von außen zuzuführen sind nach einigen Umbauarbeiten auch möglich.

Der DVS-2 Sender

Der Adalm Pluto, HF- Vorverstärker, Bandpassfilter und die PA von CT1FFU

Jetzt begann ich ohne die 12W PA einige Tests durchzuführen. Dazu reicht es ein LAN Kabel anzuschließen das mit dem Heimnetzwerk verbunden ist wo auch der PC angeschlossen ist, von dem aus gesendet wird und eine kleine Antenne am TX Ausgang zB. die, die beim Adalm Pluto mit dabei ist. Am PC startet man die Software „Express DVB Transmitter“ und konfiguriert sie mit der IP des Pluto und allen weiteren Parameter die für DVB- S2 nötig sind sowie die Eingangsquelle für Video und Audio. Als TX Frequenz habe ich nun eine aus dem ZF Bereich eines TV Satellitenempfängers gewählt, also zwischen 950 -2150 MHz. Als Empfänger nahm ich den Octagon SF4008 und startete einen manuellen Suchlauf auf der gewählten ZF. Der Octagon zeigt aber nur die Empfangsfrequenz des LNB an also muss man 9750 MHz dazurechnen, nämlich die des LO des LNB. Die Einstellungen für die Polarisation sind hier irrelevant. Eine kleine Antenne am Eingang des Sat Empfängers reicht ebenfalls aus wenn die zu Übertragene Distanz einige cm nicht überschreitet. Es ist darauf zu achten dass diese keinen DC Kurzschluss aufweist da am Eingang des Sat Tuners im Normalfall die Speisespannung für den LNB anliegt. Das Resultat des Tests war schon mal vielversprechend als mein gesendetes Testbild zu sehen war.

Erster DVB-S2 Sendeversuch im Shack

Damit stand nun fest dass das Prinzip funktionierte. Das Signal musste jetzt nur noch ausreichend verstärkt werden und über eine geeignete Antenne abgestrahlt werden.

Die Spectrian PA

Der Bau der PA war eine Herausforderung. Sie musste genug Leistungsreserven haben da mein Ziel war mit einer Symbolrate von 1Ms zu senden mit der schon fast HD Qualität zu erreichen ist. So beschuff ich mir aus den USA zwei Spectrian 75W Module die eigentlich für UMTS gedacht sind aber mit eingeschränkter Leistung auch für das 13cm Band geeignet sind. Es galt nun diese zusammen mit einem 28V/20A Schaltnetzteil, Kühlkörper, Lüfter, PTT-Schaltung und den beiden benötigten Hybrid Quad Koppler in ein 2HE 19 Zoll Gehäuse einzubauen. Den schlechten Wirkungsgrad der Module hatte ich unterschätzt und die daraus resultierende Wärmeabgabe der Module ist enorm.
Sie werden sehr heiß und müssen unbedingt Zwangsgekühlt werden. Das erledigen vier permanent laufende, auf den Kühlrippen sitzende Lüfter sowie ein großer PC Lüfter der sich mit der PTT zusätzlich einschaltet. Dieser sitzt außerhalb des Gehäuses und sorgt für die nötige Wärmeabführung. Die Betriebsspannung der Spectrian Module beträgt 28V, die PTT darf aber 12V nicht überschreiten. Außerdem wollte ich dass meine gesamte Anlage mit einem PTT Signal auskommt das gegen Masse geschaltet wird. Dadurch war eine kleine selbst entwickelte Platine mit Spannungswandler nötig. Da die PA-Module parallelgeschaltet werden, mussten noch Hybrid Koppler eingebaut werden. Sowie alles eingebaut war kamen erste Tests an einer geeigneten Dummyload. An der Hinterseite des PA Gehäuses sind N-Buchen für Eingang und Ausgang, eine Kaltgerätebuchse, Sicherung und ebenfalls eine PTT Buchse. An der Frontseite befinden sich der Hauptschalter, eine LED die das Vorhandensein der Spannung angibt sowie eine zweite LED die den Zustand der PTT anzeigt. Eine eingebaute Schutzschaltung verhindert das überhitzen der PA Module.

Die fertig zusammengebaute PA

Lösung für die PTT

Da wie Anfangs erwähnt das Ganze außerhalb des Shack steht, musste die PTT auch ferngesteuert werden. Hier nahm ich den Weg über einen Raspberry Pi der Schaltausgänge besitzt die sich über einen Webbrowser schalten lassen. Dazu wurde auf dem Raspberry ein Webserver installiert der sich über mein Heimnetzwerk erreichen lässt. Ein kleines selbstgeschriebenes Skript schaltet über das Webinterface die PTT. Dieser Raspberry Pi hat nebenbei noch die Funktion die Satantenne über einen Linearaktuator (Schubstangenmotor) ebenfalls über das Webinterface zu drehen. Der Pi mit den Relais befindet sich in einer Box an der Wand gleich neben den anderen Gerätschaften.

Der Raspberry Pi für die Satsteuerung und die PTT

Der Feed

Nun war der Bau der geeigneten Sende Antenne dran.Ich entschied mich für eine Patch Antenne. Dazu nahm ich eine Bauvorlage aus dem Internet, und baute die Antenne aus Kupferblech, 22mm Kupferrohr und Rohrverschraubungen aus dem Baumarkt nach. Mit dem miniVNA Tiny Analyzer nahm ich geringfügige Korrekturen vor, bis die Resonanz stimmte. Da ich für TX und RX die gleiche Satantenne benutze, muss das LNB für den Empfang durch ein Kupferrohr, das als Hohlleiter dient, auf die Patchantenne aufgesetzt werden. Tests ergaben dass der Empfang des LNB durch diese Modifikation nicht wesentlich beeinträchtigt wurde. Eine passende Eigenbau Halterung hält den Feed zentral an der Antenne. Kleine Justierungen am Feed sind noch möglich.

Der Bau der Patch Antenne

Der fertige Feed an der Satantenne befestigt

Die Satantenne

Ich hatte das Glück eine 1.8m Prime Focus Antenne mit einer Polarmount Halterung zu bekommen. Als der geeignete Platz für den Aufbau gefunden wurde musste ein Betonsockel gegossen werden in dem die Befestigungsschrauben eingebracht wurden. Außerdem legte ich genügend Leerrohre bis ins Haus. Da ich die Antenne nicht nur für QO- 100 Betrieb nutze sondern auch für herkömmlichen TV Sat Empfang und weitere Anwendungen, musste sie zuerst mit einem geeigneten Schubstangenmotor drehbar gemacht werden. Das genaue Ausrichten der Polarmounthalterung nahm einige Zeit in Anspruch. Da dieses im Sommer war, konnte ich draußen mit einem Satempfänger und Satfinder zu Werke gehen bis die Optimale Grundeinstellung gefunden war. Von der Größe der Antenne her ist auch der Empfang einiger im C-Band ausgestrahlter TV Sender möglich. Der Standort gibt Sicht auf Satelliten von 53° Ost bis 45° West und ermöglicht den Empfang von über 10.000 TV Sender.

Die 1.8m Prime Focus Antenne

Der Betrieb

Die Bedienung der gesamten Anlage findet ausschließlich am PC im Shack statt. Live Kamera, Fotos, Videomontagen, Frequenzwechsel, usw. werden vom PC aus über LAN an den Adalm Pluto übertragen. Die PA wird ebenfalls vom PC aus ferngesteuert. Dazu ist einiges an Software nötig. Für die Video und Audio Bereitstellung benutze ich die freie Version von „Vmix“ die den Stream an das Programm „Express DVB Transmitter“ übergibt. Hier werden auch die notwendigen DVB-S2 Parameter die für die Ausstrahlung eingegeben und die Sendeleistung kann über einen Schieberegler angepasst werden.
Mit einem Mausklick auf „PTT“ steht das DVB-S2 Signal am TX Ausgang des Pluto an. In einem Browserfenster kann man jetzt die PTT schalten und das Signal wird abgestrahlt. Mit dem VLC Player kontrolliere ich den Stream Lokal auf dem PC. Auf der Webseite des
„British Amateur Television Club“ ist ein Monitoring über das ankommende Signal am Satelliten möglich. Diese Seite bietet zudem ein Chat Forum wo live mit anderen Funkamateuren Infos oder Rapporte ausgetauscht werden können.
Das eigene Downlink Signal empfange ich mit dem TBS5927 und unmodifiziertem LNB. Es wird mit etwas Verzögerung in einem Nebenfenster angezeigt. Da es während der Testphase mehrmals vorkam dass der Pluto beim Senden plötzlich seine Netzwerkverbindung verlor und man das nicht gleich merkt, läuft in einem anderen Fenster ein „Continious Ping“ . Ist der Pluto abgestürzt, kommt keine Ping Antwort mehr zurück.
Die Ursache war dass sich HF in das Netzwerkkabel einschlich. Ich löste das Problem indem ich das LAN Kabel mehrmals um ein Ferrit Ringkern wickelte.

Sender und die PA eingebaut in einem 19 Zoll Rack und in Betrieb

Screenshoot während einer Ausstrahlung.

Abschließend möchte ich sagen dass meine Variante nur eine von vielen ist mit DATV QRV zu werden und nicht als die einzige angesehen werden sollte. Von der Planung bis zur Umsetzung ging ein Jahr ins Land.

73,
LX1LW