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Übertragungssysteme
WS 2010/2011
Vorlesung 12
Prof. Dr.-Ing. Karlheinz BrandenburgKarlheinz.Brandenburg@tu-ilmenau.de
Kontakt:Dipl.-Ing.(FH) Sara Kepplinger / Dipl.-Ing. Christoph Fingerhut
vorname.nachname@tu-ilmenau.de
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Terrestrische Systeme
Digital Audio Broadcasting DAB/DAB+
Digital Radio Mondiale DRM/DRM+
Satellitenbasierte Systeme
WorldSpace
ARIB
Sirius / XM Radio
Digitaler Hörfunk: Überblick
11. Vorlesung – Digitaler Hörfunk 1. Terrestrische Systeme2. Satellitenbasierte Systeme
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DAB: Einführung
Großbritannien: 60% Bevölkerungsabdeckung
Frequenz-Zuteilung ist Schlüsselentscheidung!
Markt für 800 Mio Radio-Geräte in Europa
Robuster Empfang im mobilen Einsatzbereich
CD-ähnliche Audio-Qualität bei 192 kbit/s
Zusätzliche Datendienste
Insgesamt: hohe Nutz-Datenrate > 1,5 Mbit/s
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DAB: Gebietsabdeckung 2007
Quelle: www.digitalradio.de
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DAB: Blockdiagramm Sender
Quelle: Seminar „Digitaler Rundfunk“ an der Univ. Erlangen, 2000
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DAB: Blockdiagramm Sender
Quelle: Seminar „Digitaler Rundfunk“ an der Univ. Erlangen, 2000
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Band III:
z.B. f = 224,25 MHz = Fernsehkanal 12
flächendeckend
L-Band:
f = 1452 .. 1492 MHz
hohe Kosten
lokale Versorgung
Terrestrisches Sendernetz = Gleichwellennetz
Spektrums- und leistungseffiziente Techniken
ETS 300401 (30 MHz – 3 GHz)
DAB: Sendefrequenzen
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Problem DAB-LösungZeitabhängiges Fading (Durch Mehrwegeausbreitung beim Fahren
Zeitinterleaving
Frequenzabhängiges Fading
(Durch stationäre Mehrwege-ausbreitung)
Breitbandigkeit, Frequenzinterleaving
Dopplerverschiebung
(Durch Bewegung des Fahrzeuges)
Wahl des Unterträgerabstands bei COFDM in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz
(Unterträgerabstand abhängig vom DAB-Mode)
Am Empfänger verzögert eintreffende Signale (Delay Spread durch Mehrwegeausbreitung)
Schutzintervall zwischen aufeinanderfolgenden Symbolen (Länge abhängig vom DAB-Mode
Übertragungsfehler RCPC-Kodes als Kanalfehlerschutz
Probleme beim Mobilempfang
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DAB: Übertragungsformat
Quelle: Seminar „Digitaler Rundfunk“ an der Univ. Erlangen, 2000
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DAB: Aufbau des Multiplex
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Drei verschiedene Übertragungswege: 1. Synchronisationskanal (Synchronisation channel)
Null- und Phasenreferenz-Symbol 2. FIC (Fast Information Channel)
Steuerung- und Dekodierungsinformationen (MCI – Multiplex Configuration Information)
SI (Service Information): Nach Auswertung des FIC kann Empfänger dieNutzdaten dekodieren
Gliederung in FIBs (Fast Information Blocks) 3. MSC (Main Service Channel)
Eigentliche Nutzdaten (Programme und Datendienste des Ensembles) Gliederung in Common Interleaved Frames (CIFs) Aufteilung der CIFs in CU ( Capacity Unit)
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Fast Information Data Channel (FIDC)
Programme Associated Data (PAD)
Packet Mode
DAB: Transportmechanismen für Datendienste
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DAB: Programmbegleitende Daten (PAD)
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F-PAD ( Fixed Programme Associated Data ):
Unmittelbare mit dem Hörfunkprogramm zusammenhängende Daten X-PAD ( Extended Programme Associated Data )
Texte ("Dynamic Label") In-house-Daten Daten für geschlossene Benutzer Multimedia Object Transfer (MOT) PAD-Inhaltsverzeichnis
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Stream Mode
Übertragung von Datenströmen
Konstante Datenrate: n * 8 kbit/s
z.B. Hörfunkprogramme, Ton mit MPEG-1 Layer II kodiert
Paket Mode
Übertragung von Datenströmen- mit geringer Datenrate ( < 8 kbit/s) oder- zeitlich stark schwankendes Datenaufkommen - Datenaufkommen asynchron ist
Reine Datendiensten
DAB: Stream & Packet Mode
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Standardprotokoll für DAB
Multiplex auf Segmentebene durch eindeutige Transport-ID
Header Core:
Objekt-Typ und Größe Header Extension:
Content Name Version Number Start Validity Expire Time
... sonstige Objekt-Parameter
Transport der Information als Objekte begrenzter Länge(max. Objektlänge: ca. 255 Mbyte)
DAB: Multimedia Object Transfer Protocol
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DAB: Packet Mode & Multimedia Object Transfer Protocol
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DAB: Übertragungsprotokoll
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Traffic Message Channel (TMC)
Datendienst bestehend aus nach “Alert C“-Protokoll digital codiertenVerkehrsnachrichten
- Bezug der numerischen Zahlencodewerte auf die Informationstafeln * event* location* severity* duration* alternative route
Organisation der Zahlencodewerte in Gruppen, bestehend aus < 38 bit Information
Transport der Nachricht im FIDC in FIGs
DAB: Zusatzdienste
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Dynamic Label:
Funktion: Ausgabe kurzer Textnachrichten (Labels) auf dem alpha-numerischen Display
Zum Transport: Aufteilung der Labels in bis zu 8 Segmente aus bis zu 16 Zeichen; eingeschränkte Formatierung möglich.
Grundlegende Struktur einer X-PAD Datengruppe mit Dynamic Label-Segment
Typische Anwendung: Kurznachrichten, Wettervorhersagen, Titel/Interpret v. aktuellem Lied
DAB: Zusatzdienste
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DAB: Blockdiagramm Empfänger
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DAB-System erlaubt ankommende Signale zu summieren, wenn die verzögerten Signale innerhalb des Schutzintervalles eintreffen
Später eintreffende Signale erzeugen Eingeninterferenzen
maximal möglicher Senderabstand:
dMaxSender =1.2 tguard * c
DAB-Mode I IV II III
dMaxSender [km] 90 45 22,5 11,25
Leistungsersparnis DAB zu FM bis zu 10dB
mehrere kleine Sender anstatt einem Sender mit großer Leistung wie bei FM, vermindert Störleistung in benachbarten Sendergebieten und benötigt weniger Gesamtleistung
Leistungsökonomie
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Leistungsökonomie von DAB-Gleichwellennetzen im Vergleich zu FM
Leistungsökonomie
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Frequenzökonomie wird durch die Größe des Gleichwellennetzes bestimmt
Je größer das Versorgungsgebiet, desto frequenzökonomischer ist DAB
Bei kleinen Versorgungsgebieten spielt der Entkopplungsabstand eine wichtige Rolle
Entkopplungsabstand legt Abstand fest, um gleichen Frequenzblock zur Versorgung eines weiteren Gebietes zu verwenden ohne die Versorgungsqualtität zu beeinträchtigen
CEPT für VHF-Bereich
Ideale Darstellung, aber dennoch geeignet um Interferenzpotential und Entkopplungsabstand für Gleichwellennetze zu ermitteln
Spektrumseffizienz des DAB-Gleichwellennetzes im Vergleich zu FM-Netzen in MFN-Technik um Faktor bis drei verbessert
Frequenzökonomie
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CEPT-Referenznetz für den VHF-Bereich
Frequenzökonomie
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Erweiterung zu DAB
Erbt volle Funktionalität von DAB
Mischbetrieb mit DAB möglich
Benutzt MPEG-2 Transportstrom für Audio und Video
H.264 für Video
BSAC (Bit Sliced Arithmetic Coding) und HE-AAC für Audio
MPEG-4 BIFS (Binary Format for Scenes) für interaktive Inhalte
Testbetrieb in Deutschland eingestellt
Zur Zeit eingesetzt in Südkorea, (Einsatz in Frankreich geplant)
DMB (Digital Multimedia Broadcasting)
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DMB (Digital Multimedia Broadcasting)
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DAB+ wurde als ETSI TS 102 563 standardisiert: “Digital Audio Broadcasting (DAB); Transport of Advanced Audio Coding (AAC) audio”
HE-AAC V2
audio coder
Audio Super
Framing
Reed-Solomon CoderAnd
Virtual interleaver
DAB main service channel
multiplexer
Scope of ETSI TS 102 563
DAB +
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Vorteile:
Mehr Sender können in einem Multiplex untergebracht werden
Neue Empfänger sind rückwärtskompatibel mit existierenden MPEG Audio Layer II Angeboten
Stabilere Audioübertragung als bei herkömmlichen DAB (verbesserter Fehlerschutz)
DAB +
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Standardisiert als ETSI ES 201 980 in 2003
DRM wurde für den Einsatz bei Frequenzen unter 30 MHz entwickelt
Langwelle, Mittelwelle, Kurzwelle
Die Nutzung dieses Frequenzbereichs ist die einfachste Möglichkeit mit geringer technischer Infrastruktur große Gebiete zu versorgen.
Bisherige boadcastbasierte Verfahren in diesem Frequenzbereich nutzen die sehr ineffiziente Zweiseitenband AM und liefern nur eine sehr geringe Audioqualität
Unterstützte Kanalraster: 4,5 / 5 / 9 / 10 / 18 / 20 kHz
Durch die Nutzung von DRM in Verbindung mit High Efficiency AAC soll nahezu FM Qualität erreicht werden.
Digital Radio Mondiale (DRM)
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Conceptual DRM transmission block diagram
normal/[high]protection
sourceencoder(s)
precoder
precoder
precoder
multiplexer
normal prot.
[high prot.]
normal prot.
[high prot.]
energy dispersal
channelencoder
cell interleaver
OFDM signal
generator modulator
OFD
M cell m
apper
MSC
energy dispersal
channelencoder
FAC
energy dispersal
channelencoder
SDC
audio data stream
data stream
FAC
information
SDC
inform
ation
DR
M transm
ission signal
MSC: Main Service ChannelFAC:Fast Access ChannelSDC: Service Description Channel
Digital Radio Mondiale (DRM)
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DRM Source Encoding
SBR Encoder(configuration dependent)Audio
Signal
AACEncoder
Audio Super Framing Mux and
ChannelCoding
CELPEncoder
HVXCEncoder
AAC: Advanced Audio CodingCELP: Code Excited Linear PredictionHVXC: Harmonic Vector eXcitation Coding
Digital Radio Mondiale (DRM)
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DRM Konsortium beschließt die Ausweitung des DRM Standards auf den Bereich bis 120MHz (UKW) DRM+
Beibehaltung von HE-AAC v2
Schmalbandig mit Kanalbandbreite 50-100kHz
CD-Qualität (Stereo, 5.1 Mehrkanalton)
Rein lokale Versorgung
DRM+
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WorldSpace
Private Firma mit Sitz in Washington DC
1992 gegründet
Satelliten-Radio für die „Dritte Welt“
XM-Radio/Sirius Radio
Zwei ehemals konkurrierende Firmen in den USA, mittlerweile: Sirius|XM Radio
Satelliten-Radio für USA/Amerika
ARIB (Association of Radio Industries and Businesses)
Japanisches Satelliten-Radio System
Digital Audio Radio Broadcasting via Satellite (DARS)
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Digitaler Satellitenrundfunk
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WorldSpace: Coverage
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WorldSpace: Überblick
3 Satelliten (evtl. Ausbau auf bis zu 6): Afristar (21o Ost, Start Okt. 1998), Asiastar (105o Ost, Start März
2000), Ameristar (in Planung) TDM Downlink im L-Band (1.6 GHz) 6 Beams pro Satellit Netto-Datenrate/Beam: 96 * 16 kbps Audio-Compressionsverfahren: MP3 Audio-Datenraten: 8 - 128 kbps in 8 kbps Schritten Signal wird von verschiedenen Uplink-Stationen am Satellit zu einem
Beam zusammengefügt Terrestrische Unterstützung der Abdeckung durch Repeater ist
geplant Time Diversity: 4.32 s
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Broadcast Segment Space Segment Repeater Segment Receiver SegmentPh
ysic
al L
ayer
Sete
llite
Phys
ical
Laye
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Phys
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nent
Laye
r
Audio Image Data
TDM FormatEncoder
(Service Component Layer to Broadcast
Transport Layer)
TDM FormatEncoder
(Broadcast Channel Transport Layer to Multiplex Transport
Layer)
QPSKModulator
Geo-stationary Satellite with
Transparent andProcessed Payloads
QPSKDemod.
MCMModulator
MCMDemod.
QPSKDemod.
Audio Image Data
TDM / MCMformat
decoder
Transport Layer
adaptationTDM / MCM
Selector
Stud
ioFe
eder
Lin
k St
atio
n
WorldSpace: ISO-OSI-Modell
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WorldSpace: Digitales Format des Service Layer
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WorldSpace: Time Diversity
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WorldSpace: Time Diversity und Space Diversity
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WorldSpace: Repeater Konzept
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Satellitengestützt und terrestrisch
Sendebereich: 2.630 - 2.655 MHz
In-Band Repeater (Gap-Filler)
Direct:Empfangsfreqenz = Sendefreqenz
Frequency Conversion:Empfangsfrequenz = 11 oder 12 GHz
MPEG-2 Systemarchitektur für den Service Layer
Audio-Compressionsverfahren: AAC
Für den mobilen Empfang ausgelegt
64 CDM-Kanäle möglich, in der Praxis aber nur 30 Kanäle bei Multipfad-Empfang
Pilot-Kanal zur besseren Synchronisation und für Kontrolldaten-Übermittlung
ARIB: Überblick
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ARIB: Sendeseite (1)
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ARIB: Sendeseite (2)
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ARIB: Digitales Format für den Pilot-Kanal
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ARIB: Interleaver auf Bit-Ebene
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ARIB: Blockschaltbild des Interleavers
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ARIB: CDM-QPSK-Signal
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ARIB: Blockschaltbild des Receivers
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XM – Satelliten Radio
Marktvorraussetzungen in den USA Städte mit dichter Besiedelung Große Flächen mit geringer Bebauung Mobilempfang spielt große Rolle Hohe Programmvielfalt üblich Conditional Access üblich $9.95
Systemüberblick Gleichwellennetz mit 2.3 GHZ (S-Band) Bis zu 100 Programme 2 Satelliten im geostationären Orbit Hybrid-Technik: Satellit (QPSK) und terrestrische Repeater (OFDM/MCM)
in bebauten Gebieten
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GEO
stationär in 35786km Höhe am Äquator
Umlaufzeit 24h
HEO (highly elliptical Orbit)
Elliptische Bahn um die Erde (13000 – 30000km)
geosynchrone Umlaufzeit 24h
XM - Satelliten
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GEO stationär + gleichbleibende stabile Empfangsverhältnisse + „Beam Forming“ möglich + für Redundanz weiterer Satellit + einfache Antenne ausreichend durch feste Position am Äquator wird mit dem Breitengrad der
Elevationswinkel kleiner HEO
+ hoher Elevationswinkel - höhere Anforderung an die Antennenkonstruktion - Empfangseigenschaften ändern sich mit der Zeit - mehrere Satelliten notwendig - Kein beam-forming möglich
XM - Satelliten
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Spatial diversity:
Ein zweites (identisches) Signal wird von einem weiteren Satelliten auf einer andern Position im Orbit ausgesstrahlt
Time diversity:
zweifaches zeitversetztes Ausstrahlen des selben Signals
Terrestrial Repeater:
Ergänzung durch terrestrische Ausstrahlung in Gebieten mit unzureichenden Satellitenempfang (Städte)
XM – Diversity Concept
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XM – Diversity Concept
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Links: Spatial Diversity (z.B. Stadt)
Unten: Time Diversity
XM – Diversity Concept
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XM – Multiplex Struktur
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Organisatorisches
Nächste Vorlesung: 25.01.2011 13.00 K-Hs 2
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Gebietsabdeckung 2007 Thüringen
Quelle: www.digitalradio.de
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DAB: Programme und Komponenten
Quelle: Seminar „Digitaler Rundfunk“ an der Univ. Erlangen, 2000
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Vergleich der Leistungseffizienz und des Störabstandes von 2-PSK und 4-PSK
Leistungseffizienz
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Faktoren für die Entwicklung von Empfängern:
Billige Schaltungstechnik Evolutionsschritte des Empfängers:
zusätzliche Kosten- & Größenreduktion Kompaktes Design Mobiler Einsatzbereich, PC-Steckkarten Verfügbarkeit von Endgeräten und Diensten Neue Dienste + aktuelle Inhalte Besser als alte (analoge) Radio-Technik(en)
Attraktivität für den Kunden
DAB: Empfänger
Quelle: Seminar „Digitaler Rundfunk“ an der Univ. Erlangen, 2000
11. Vorlesung – Digitaler Hörfunk 1. Terrestrische Systeme: DAB2. Satellitenbasierte Systeme
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Hohe Abstimmgenauigkeit <0.01 ppm um den im Mobilfunkkanal auftretenden Dopplereffekt nicht durch Fehlabstimmung zu verstärken
Schwankungen des mittleren ZF-Pegels klein halten, um AD-Wandler optimal auszusteuern
Abstand von 170 bis 180 kHz zwischen benachbarten DAB-Blöcken oder zu Fernsehsendern erfordert ausreichende Nachbarkanalunterdrückung
Tuner
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Tuner – Beispiel Blockschaltbild
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Kanaldecoder
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Da OFDM-Modulationsverfahren ein Mehrträgerverfahren mit rausch-ähnlichen Zeitsignal ist, müssen verwendete Verstärker hochgradig linear sein, um Verschlechterung der Signalqualität durch Intermodulations-produkte zu vermeiden
Ausgangsfilter nach der Endstufe um geforderte Spektrumsmasken einzuhalten
Schulterabstand definiert Abstand zwischen dem Plateau des DAB-Spektrums, Seitenbänder in Abstand von der Mittenfrequenz des Blocks
Schulterabstände >56dB im Abstand von 970kHz von Mittenfrequenz
Verschiedene Spektrumsmasken für Band III und L-Band
Signalaufbereitung
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Signalaufbereitung
Sendesignal vor und nach Ausgangsfilterung
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Parameter
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Parameter
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Parameter
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Parameter
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DRM Source Decoding
Super Framing Demuxbitstream
AACDecoder
SBR DecoderAudio output
CELPDecoder
HVXCDecoder
Digital Radio Mondiale (DRM)
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Digitale Satellitenradio Systeme
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WorldSpace – Satelliten und Produktbeispiele
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QPSK und BPSK
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WorldSpace: Repeater-Strecke
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WorldSpace: MCM Signalerzeugung
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WorldSpace: Digitales Format des MCM
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WorldSpace: MCM Spectrum
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WorldSpace: MCM-Kenndaten
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WorldSpace: Receiver für Time Diversity
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WorldSpace: Receiver für Time- und Space Diversity
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Hersteller Hughes
Spacecraft Platform HS-702
Orbitpositionen 85°W and 115° W
Lebensdauer 15 years
Peak EIRP 68 dBW
Ende der Lebenszeit 15 kW
Gewicht 4650 kg
Payload Supplier Alcatel
Payload DC Power 13.5 kW
Frequenzen X-Band Up, S-Band Down
Reflectoren Zwei 5 Meter Reflektoren
Abschußplattform Sea Launch
XM - Satelliten
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Abschussplattform „SEA Launch“
XM - Satelliten
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XM - Satelliten Übertragungsleistung (Rock)
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XM - Satelliten Übertragungsleistung (Roll)
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XM – System Delay
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XM - Produktbeispiele
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