Die Technologie des Kabelfernsehens ist vom Konzept her relativ einfach. Es handelt sich um ein System von Kabeln und Verstärkern, das Fernseh- und Radiosignale aus verschiedenen Quellen sammelt und an die Haushalte in einem bestimmten geografischen Gebiet weiterleitet. Es wird manchmal mit dem Wassersystem einer Stadt verglichen, das Wasser aus einer oder zwei Hauptquellen bezieht und es an die Kunden in der ganzen Stadt verteilt. Das Kabelfernsehen verteilt in ähnlicher Weise eine Reihe von Fernsehkanälen an alle Bewohner eines Gebiets, die an das Kabel angeschlossen sind. Die Kabelsysteme erweitern ihre Dienste auch auf den Hochgeschwindigkeits-Internetzugang und den herkömmlichen Telefondienst. Zu den grundlegenden Bestandteilen eines Kabelsystems gehören die Zentrale des lokalen Systems, die so genannte „Kopfstelle“, in der die verschiedenen Signale gesammelt, kombiniert und in das System eingespeist werden; Glasfaserleitungen und Koaxialkabel, die Drähte, die die Informationen transportieren; Verstärker, die das Signal in regelmäßigen Abständen verstärken und die Signalstärke aufrechterhalten; und häufig Set-Top-Boxen, die die Kabelsignale in elektronische Informationen übersetzen, die das Fernsehgerät zu Hause nutzen kann.
Die Kopfstelle
Der Prozess der Übertragung von Programmen nach Hause beginnt weit entfernt von der Kopfstelle des lokalen Systems. Nationale und multinationale Konzerne wie AOL-Time Warner und Disney erstellen die Programme und betreiben bekannte Kanäle wie CNN, ESPN, HBO, Discovery und MTV. Diese Unternehmen verteilen die Programmsignale, in der Regel per Satellit, von einigen wenigen Hauptausgangsstationen aus und leiten das Material an die mehr als zehntausend einzelnen Kabelsysteme in den Vereinigten Staaten sowie an Kabelsysteme in der ganzen Welt weiter. Große Parabolantennen an der Kopfstelle des lokalen Systems empfangen diese Signale. Die Programmveranstalter leiten ihre Signale gleichzeitig an andere Mehrkanal-Fernsehanbieter wie Direct Broadcast Satellite (DBS)-Unternehmen (z. B. Direc TV) weiter.
Zusätzlich zu den Basis- und Premium-Kabelpaketen übertragen die Systeme lokale und regionale Fernsehsender, Radiosender und nationale Audiodienste. Oft produzieren sie auch eigene Programme oder übertragen Programme, die von anderen in der Gemeinde produziert werden. Lokale Radio- und Fernsehsender werden über leistungsstarke Versionen von Hausantennen empfangen oder manchmal über eine Mikrowellenverbindung (eine spezielle Übertragungstechnologie) oder über Kabel an die Kopfstelle gesendet. In der Regel sind diese lokalen Sender an die großen nationalen Netzwerke angeschlossen und übertragen diese (z. B. NBC, CBS, ABC, PBS, Fox, WB und UPN). Sender, die nicht an nationale Programmveranstalter angeschlossen sind, einschließlich religiöser Sender, werden ebenfalls in das Paket aufgenommen. Nationale Audiodienste mit zahlreichen digitalen Musikkanälen werden über Satellit auf die gleiche Weise eingespeist wie nationale Videoprogramme.
Signale von Fernseh- und Radiosendern, die sich außerhalb des normalen Empfangsbereichs des Systems befinden, wie z. B. Sender aus einem anderen Teil des Staates, können in der Nähe der Sendeantenne des jeweiligen Senders aufgefangen und per Mikrowelle oder Festnetz übertragen werden. Programme, die in den (in der Regel kleinen) Fernsehstudios der Kopfstelle erstellt werden, werden für die spätere Wiedergabe mit professionellen Videobandmaschinen aufgezeichnet. Diese Geräte können auch Bänder abspielen, die von anderen in der Gemeinschaft erstellt wurden, um auf den öffentlichen oder staatlichen Kanälen des Systems übertragen zu werden. In manchen Fällen wird das Programm über Kabel von einer lokalen staatlichen Fernseheinrichtung oder einem Fernsehstudio an einer High School oder einem College in der Umgebung an die Kopfstelle übertragen. Viele moderne Kabelfernsehsysteme speichern auch Programme, in der Regel Werbespots, und geben sie auf digitalen Servern mit hoher Kapazität wieder.
Das gesamte Programmmaterial wird elektronisch organisiert, und jedes Signal wird dann auf einer separaten Trägerwelle oder einem separaten Kanal übertragen. Das kombinierte Signal wird dann über das System zum Haus des Teilnehmers gesendet.
Das verkabelte System
Es gibt drei Arten von Kabeln, die in der modernen Telekommunikation verwendet werden: das sogenannte verdrillte Kabel, das Glasfaserkabel und das Koaxialkabel. Die verdrillte Zweidrahtleitung ist die bekannte Leitung, die von Telefongesellschaften für die Übertragung von Sprache und Daten verwendet wird. Im Vergleich zu Glasfaser- und Koaxialkabeln ist das Twisted-Pair-Kabel ohne spezielle Konditionierung in Bezug auf die zu übertragende Informationsmenge recht begrenzt, und es ist ein viel zu schmales elektronisches Rohr, um ein Mehrkanal-Fernsehprogramm zu übertragen. Die Kabelbetreiber verwenden daher Koaxial- und Glasfaserkabel.
Die Kabelfernsehindustrie hat ihren Namen vom Koaxialkabel. Vor der Einführung der Glasfasertechnik in den 1980er Jahren bestand ein Kabelsystem fast ausschließlich aus „Koax“. Der Begriff „koaxial“ bezieht sich auf die beiden Achsen des Kabels, einen massiven Kupferkerndraht (die erste Achse), der von einem Metallmantel oder -rohr (die zweite Achse) umgeben ist. Die beiden Achsen sind entweder durch donutförmige Abstandshalter oder durch ein festes, kunststoffähnliches Material getrennt, das für Funkwellen transparent ist. Das Kabel wird von einer haltbaren Kunststoffschicht umhüllt.
Faser ist im Grunde ein dünner Glasfaden, der etwa so breit ist wie ein menschliches Haar. Anstatt Informationen in Form von Radiowellen zu übertragen, übermitteln Glasfasern Informationen in Form von lasergenerierten Lichtstrahlen. Da sie hauptsächlich aus Glas (dessen Rohstoffe reichlich vorhanden sind) und nicht aus Kupfer hergestellt werden, sind Glasfasern billiger als Koaxialkabel. Außerdem können sie wesentlich mehr Informationen übertragen als Koaxialkabel und sind weniger anfällig für Signalverluste und Störungen.
Sowohl Glasfaser als auch Koaxialkabel können eine große Anzahl von Fernsehkanälen und andere Informationen übertragen, was zum Teil auf die Art und Weise zurückzuführen ist, wie sie das elektromagnetische Spektrum nutzbar machen. Das elektromagnetische Spektrum ist das Medium, durch das und innerhalb dessen Fernseh- und Radiosignale übertragen werden; es ist ein unsichtbarer Teil der natürlichen Umwelt und umfasst unter anderem sichtbares Licht, Röntgen- und Gammastrahlen sowie kosmische Strahlung. Ein großer Teil dieses natürlichen Spektrums kann für die Übertragung von Informationen genutzt werden, und die US-Regierung hat bestimmte Teile davon für viele verschiedene Arten der drahtlosen Kommunikation zugewiesen. Dazu gehören die militärische Kommunikation, Zwei-Wege-Funkgeräte, Mobiltelefone und sogar Garagentoröffner. Kommerzielle Sender wie die heimischen Fernseh- und Radiosender teilen sich daher diese begrenzte Ressource mit anderen Nutzern.
Drahtgebundene Systeme wie das Kabelfernsehen hingegen bilden das natürliche Spektrum in einer isolierten und kontrollierten Umgebung nach. Sie können den gesamten verfügbaren Frequenzraum nutzen, der durch dieses System geschaffen wird, ohne ihn mit anderen Diensten teilen zu müssen. Der in einem bestimmten System oder für eine bestimmte Anwendung zur Verfügung stehende Frequenzbereich wird als „Bandbreite“ bezeichnet und in Hertz oder allgemeiner in Kilohertz (kHz) und Megahertz (MHz) gemessen. Die Telefonleitung in einem Haus hat etwas mehr als 4 kHz und wird als „Schmalband“ bezeichnet. Ein Fernsehsignal benötigt 6 MHz, und die meisten modernen „Breitband“-Kabelsysteme arbeiten mit 750 bis 860 MHz oder mehr als 110 analogen Fernsehkanälen.
Verstärker
Wenn das Fernsehsignal die Kabelleitungen durchläuft, sowohl Glasfaser- als auch Koaxialkabel, verliert das Signal an Stärke. Der Widerstand im Koaxialkabel oder Verunreinigungen in der Glasfaser führen dazu, dass das Signal mit zunehmender Entfernung schwächer und schwächer wird. Die Signale müssen daher in regelmäßigen Abständen verstärkt werden. In modernen Kabelsystemen werden diese Verstärker bei Koaxialleitungen etwa alle zweitausend Meter angebracht; eine Reihe von Verstärkern wird als „Kaskade“ bezeichnet. Die höhere Übertragungsleistung von Glasfasern bedeutet, dass weniger Verstärker benötigt werden, um die gleiche Entfernung zurückzulegen. Die Gesamtzahl der Verstärker, die in einer Kaskade oder in einem System verwendet werden können, ist begrenzt, da jeder Verstärker eine kleine Menge an Störungen in die Leitung einbringt. Diese Störung akkumuliert sich und erreicht bei zu vielen Verstärkern einen Punkt, an dem die Verzerrung unannehmbar wird. Die Anzahl der verwendeten Verstärker und der Abstand zwischen ihnen in einem tatsächlichen System hängt von der Systembandbreite und dem Medium (d. h. Koaxial- oder Glasfaser) ab. Ein bestimmtes Kabelsystem kann Hunderte, ja sogar Tausende von Kilometern an Glasfaser und Koaxialkabel und Hunderte von Verstärkern umfassen.
Die Ausgereiftheit des Verstärkers ist auch hauptverantwortlich für die nutzbare Bandbreite des Systems bzw. die Anzahl der Kanäle, die ein System übertragen kann. Die ersten Kabelfernsehverstärker konnten jeweils nur einen Kanal übertragen, und ein Drei-Kanal-Kabelsystem musste für jeden Kanal einen eigenen Verstärkersatz haben. Moderne Breitbandverstärker können mehrere Kanäle gleichzeitig übertragen.
Netzarchitekturen
Die Systemarchitektur ist das Muster, nach dem ein Kabelsystem aufgebaut ist (d. h. die Konfiguration der Kabel von der Kopfstelle bis zum Haus des Abonnenten). Seit den Anfängen des Kabels in den späten 1940er Jahren war die klassische Architektur für ein Kabelsystem als „Baum und Zweig“ bekannt. Stellen Sie sich ein Diagramm eines Stammbaums vor, bei dem die Äste der Familie vom Stamm ausgehen und sich diese großen Äste in feinere und zahlreichere Ableger aufteilen und ausbreiten. Das klassische Kabelsystem ist auf diese Weise aufgebaut. Die Signale verlassen die Kopfstelle über hochleistungsfähige „Stammleitungen“, in der Regel Glasfaserkabel, die sich durch die Hauptverkehrsadern der Gemeinde schlängeln und über die Straßen der Stadt zu den einzelnen Stadtteilen führen. „Zubringer- oder Verteilerkabel zweigen von der Glasfaserhauptleitung oder dem Backbone ab und führen durch die Straßen der Nachbarschaft zu Hunderten, manchmal Tausenden von Haushalten. Schließlich verzweigen sich kleinere koaxiale „Drop Lines“ von den Feeder-Kabeln und führen zu den einzelnen Häusern. Alle Leitungen werden entweder unter der Erde verlegt oder auf Masten aufgespannt, die in der Regel von der örtlichen Telefongesellschaft oder dem Stromversorger gemietet werden. Da die Haupt- und Zuführungsleitungen ihr eigenes Gewicht nicht tragen können, sind sie an schweren Stahldrähten, den so genannten „Litzen“, befestigt, die auch das Gewicht der Verstärker tragen.
Mit der Entwicklung der kostengünstigen Glasfasertechnologie in den 1980er Jahren begannen die Kabelsysteme, einen Großteil ihrer Koaxialleitungen durch die neue, leistungsfähigere Technologie zu ersetzen, angefangen bei den Hauptleitungen bis hin zu den Zuführungsleitungen. Mit dem Wechsel der Hardware änderte sich auch die Systemarchitektur. Der Einsatz von Glasfaser bedeutete langfristig geringere Kosten, eine geringere Anzahl von benötigten Verstärkern und eine Verbesserung der Gesamtqualität des Signals. Glasfaserkabel konnten direkt von der Kopfstelle zu Knotenpunkten verlegt werden, die große Haushalte versorgten. Von diesen Glasfaserknotenpunkten aus würden Mini-Baum- und Zweigkoaxialsysteme die Kunden in der Umgebung versorgen. Diese Kombination aus Glasfaser und Koaxialkabel ist die hybride Glasfaser-Koax-Architektur (HFC).
Set-Top-Boxen
Viele Kabelabonnenten, auch solche mit modernen „kabeltauglichen“ Fernsehgeräten, haben zusätzliche Kabel-Set-Top-Boxen oder Konverter, die auf oder neben ihren Geräten stehen. Set-Top-Boxen erfüllen mehrere wichtige Aufgaben für das Kabelsystem. Bei einigen Fernsehgeräten, insbesondere bei älteren oder nicht kabeltauglichen Geräten, fungieren sie als Fernsehtuner, d. h. als Gerät, das die zu empfangenden Kanäle auswählt. Da das kabelgebundene Spektrum ein geschlossenes Universum ist, können die Kabelbetreiber ihre Kanäle auf fast jeder beliebigen Frequenz platzieren, und sie tun dies, um den Platz und die Technologie so effizient wie möglich zu nutzen. Die Betreiber übertragen beispielsweise die VHF-Rundfunkkanäle 2 bis 13 an ihrem „normalen“ Platz auf dem Ziffernblatt, aber die UHF-Kanäle 14 bis 69, die im offenen Spektrum über den VHF-Kanälen liegen und von diesen getrennt sind, wurden in den „Kabelraum“ verlegt. Das gesamte Kabelspektrum ist in der Tat in eigene Bänder unterteilt. Die Kanäle 2 bis 6 werden im Low-Band übertragen, die Kanäle 7 bis 13 im High-Band, und andere Kabelnetzprogramme sind auf die Kanäle im Mid-Band, Super-Band und Hyper-Band verteilt. Ein Teil des Niedrigbandes (d. h. 0 bis 50 MHz) wird häufig für die Übertragung von Signalen von der Wohnung des Verbrauchers „stromaufwärts“ und zurück zur Kopfstelle des Kabelunternehmens verwendet. Fernsehgeräte, die nicht für den Empfang der vielen Spezialbänder des Kabels eingerichtet sind, benötigen Set-Top-Boxen für die Umwandlung.
Während kabeltaugliche Fernsehgeräte die meisten der einfachen Funktionen des Signalempfangs in modernen Systemen übernommen haben, bleiben Konverter ein Grundnahrungsmittel in der Industrie für die Bereitstellung fortgeschrittener Dienste wie Premium-Programme und „Pay-per-view“-Filme. Die Boxen helfen bei der Steuerung der Verteilung solcher Programme an die Haushalte der Abonnenten. Viele Kabelsysteme sind „adressierbar“, d. h. jeder Abonnent hat eine elektronische Adresse, und die Betreiber können das Signal für diesen Haushalt von der Kopfstelle aus ein- oder ausschalten. Die Technologie, die die Adressierbarkeit möglich macht, ist häufig in der Set-Top-Box untergebracht. Mit dem Übergang des Kabels in das digitale Zeitalter werden Set-Top-Boxen eingesetzt, um die digitalen Kanäle und Dienste in Signale umzuwandeln, die das normale analoge Fernsehgerät nutzen kann.
Kabelinteraktivität und fortgeschrittene Dienste
Während die meisten Kabelsysteme adressierbar sind, bleibt die echte Interaktivität in den meisten Systemen begrenzt. Interaktivität ist nicht fest definiert und kann viele Formen annehmen, z.B. die Bestellung von Filmen, wenn der Kunde sie sehen will (Video on Demand) oder die Überwachung des Rauchmelders durch das Kabelsystem. In allen Fällen muss ein Signal von der Wohnung zurück zur Kopfstelle übertragen werden. Ursprünglich wurden Kabelfernsehsysteme für die effiziente Übertragung großer Mengen von Programmen von einem Punkt (der Kopfstelle) an mehrere Benutzer konfiguriert – ein Punkt-zu-Mehrpunkt-Verteilungssystem. Diese Anordnung hat sich für die einseitige Massenverbreitung von Inhalten als sehr erfolgreich erwiesen, ist jedoch in ihrer bidirektionalen Kapazität begrenzt. Wie bereits erwähnt, weisen Kabelfernsehsysteme einen kleinen Teil ihres Spektrums für die vorgelagerte Kommunikation aus, aber diese Bandbreite wurde in der Vergangenheit von der Kabelindustrie nur unzureichend genutzt.
Im Gegensatz dazu sind Telefonsysteme trotz ihrer begrenzten Bandbreite für eine vollständige Punkt-zu-Punkt-Kommunikation in beide Richtungen ausgelegt. Im Gegensatz zum Kabel verwenden die Telefongesellschaften ein Vermittlungssystem, um eine Standleitung zwischen zwei Anrufern zu schaffen. Herkömmliche Kabelsysteme verfügen nicht über die Architektur oder das Vermittlungssystem, um einen solchen Dienst anzubieten. Die Kabelgesellschaften versuchen, dieses technische Handicap zu überwinden, indem sie Techniken entwickeln, die sowohl Hardware als auch Software einsetzen, um ihre Systeme interaktiver zu machen. Die Umstellung auf die Digitaltechnik wird vor allem als Möglichkeit gesehen, zusätzliche und verbesserte Dienste anzubieten, einschließlich interaktives Fernsehen, Telefondienst und Internetzugang.
Ein frühes Beispiel für diese Bemühungen ist das Kabelmodem. Durch die Verteilung von Computerdaten, wie z.B. Internet-Seiten, über das Kabelnetz können die Kabelbetreiber ihre Breitbandkapazität ausnutzen und die Modemgeschwindigkeiten drastisch erhöhen. Kunden, die ihre Computer an ein Kabelsystem anschließen, anstatt ein herkömmliches Telefonmodem zu benutzen, können Seiten in Sekunden statt in Minuten herunterladen, und das Kabelmodem ist die ganze Zeit eingeschaltet, so daß man nicht warten muß, bis der Computer eine Internetverbindung „anwählt“.
Kabelbetreiber entwickeln auch Techniken, die es ihnen ermöglichen, Telefondienste über ihre Kabelanlage anzubieten. Letztlich wird die Breitbandkapazität des Kabels eine der wichtigsten Verteilungsplattformen für das interaktive digitale Hochgeschwindigkeitszeitalter – die Datenautobahn – darstellen und zu einer nahtlosen Integration von Video, Sprache und Daten beitragen.
Siehe auch:Kabelfernsehen; Kabelfernsehen, Karrieren in; Kabelfernsehen, Geschichte; Kabelfernsehen, Programmierung; Kabelfernsehen, Regulierung; Digitale Kommunikation; Internet und das World Wide Web; Satelliten, Kommunikation; Telefonindustrie, Technologie; Fernsehrundfunk, Technologie.
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