البث الصوتي الرقمي - DAB

على الرغم من ظهور البث الصوتي الرقمي (DAB) في الأيام الأولى من التسعينيات، قبل البث التلفزيوني عبر الإنترنت بفترة طويلة، إلّا أنّه لا يزال غير معروف نسبياً للكثير في العديد من البلدان، وهو موجود فقط في عدد قليل من البلدان.

ما هو البث الصوتي الرقمي – Digital Audio Broadcasting؟

البث الصوتي الرقمي (DAB): هو معيار راديو رقمي لبث خدمات الراديو الصوتي الرقمي ويستخدم في العديد من البلدان عبر أوروبا وآسيا والمحيط الهادئ، والمعروف براديو (DAB) الرقمي وهو نظام جديد تماماً لبث واستقبال محطات الراديو.

يتم بث الإشارات بتنسيق رقمي لتمكين تحقيق جودة القرص المضغوط حيث يتميز راديو (DAB) الرقمي بجودة الصوت الأفضل بشكل ملحوظ و وجود نظام الراديو الجديد، كما أنّه لا يعاني من تأثيرات تعدد المسارات التي غالباً ما يتم اختبارها على عمليات إرسال (FM)، وبما أنّ النظام يستخدم ما يعرف بشبكة التردد الواحد (SFN) فلا يلزم إعادة الضبط عند الانتقال من منطقة تغطية إلى أخرى.

يمكن تنفيذ العديد من الخدمات الجديدة على عمليات الإرسال اللاسلكي الرقمية ممّا يتيح للنظام الجديد أن يكون متوافقاً مع القرن الحادي والعشرين حيث تحمل إشارة الراديو الرقمية البيانات جنباً إلى جنب مع الصوت وهذا يتيح نقل النص والصور جنباً إلى جنب مع الصوت لتعزيز تجربة الاستماع، وبهذه الطريقة يمكن نقل عنوان مسار وصورة للفنان أثناء نقل بعض الموسيقى ومن الممكن تمرير الأخبار عبر الجزء السفلي من الشاشة المستخدمة في الراديو.

تاريخ DAB:

في عام 1991م تم بث الإشارات الصوتية الرقمية الموجهة لعامة الجمهور لأول مرة عبر القمر الصناعي في أوروبا راديو الأقمار الصناعية الرقمي (DSR) وهذه الطريقة التي تعمل بدون ضغط لم تدم طويلاً، ومع ذلك لم تكن معروفة في الأماكن العامة، أمّا عام 1993م بدأ تشغيل (Astra Digital Radio) والذي يتم بثه على الناقلات الفرعية لنظام الأقمار الصناعية (ASTRA) الذي يتم نقل البرامج التلفزيونية التناظرية عليه أيضاً، وتم وضع طريقة (MUSICAM)، المستخدمة حتى الآن لضغط الصوت في (MPEG-1 وMPEG-2 layer II) وتستخدم أيضاً في (DAB).

تم تطويرها لـ (DAB) كجزء من مشروع (DAB) في عام 1989م، حيث تم تطوير البث الصوتي الرقمي في بداية التسعينيات واستخدمت التقنيات الجديدة الثورية في ذلك الوقت لصوت (MPEG-1 وMPEG-2) وطريقة تعديل تعدد تقسيم التردد المتعامد المشفر (COFDM)، أمّا في منتصف التسعينيات تم الانتهاء من معايير (DVB-S وDVB-C وDVB-T) للتلفزيون الرقمي وبالتالي بدأ عصر التلفزيون الرقمي أيضاً، ومنذ عام 2001م يوجد معيار راديو صوتي رقمي آخر (Digital Radio Mondiale) وهو مخصص لاستخدام الموجات الرقمية القصيرة والمتوسطة، والذي يعتمد أيضاً على (COFDM) ولكنّه يستخدم تشفير الصوت (MPEG-4 AAC).

تخصيصات نطاق DAB:

في المملكة المتحدة تم تخصيص توزيع الطيف بين (217.5 و230 ميغا هيرتز) للإرسال اللاسلكي الرقمي، وهذا يعطي ما مجموعه سبع فدرات (1.55 ميغا هيرتز)، وكل منها قادر على حمل تعدد إرسال من الخدمات وكما يتم توفير الطيف الترددي في بلدان أخرى حيث يتم توفير الطيف داخل أوروبا إمّا في النطاق الثلاثي كما هو الحال في المملكة المتحدة أو في النطاق (L) بين (1452 و1467 ميجاهرتز) حيث سيتم حجز الجزء العلوي من النطاق بين عامي 1467م و1492م لتوصيل الأقمار الصناعية للراديو الرقمي.

معدات راديو DAB:

كانت إحدى المشكلات الرئيسية في الإطلاق الأولي للراديو الرقمي هي توفر المعدات حيث كانت هناك حاجة إلى استثمار كبير من مصنعي المعدات، وكان الاعتماد الكبير على تقنيات معالجة الإشارات الرقمية يعني الحاجة إلى برامج تطوير كبيرة لتطوير المعدات حيث كانت هناك أيضاً مشكلات تتعلق بحقيقة أنّ عمليات التنفيذ المبكرة تتطلب مستويات حالية عالية، ولم تكن هذه الحلول مناسبة لأجهزة الاستقبال المحمولة وكان تبديد الحرارة في السيارة والتطبيقات المنزلية مشكلة، وعلاوة على ذلك جعلت الحلول متعددة الشرائح المعدات كبيرة وضخمة بالإضافة إلى جعل تكاليف التصنيع عالية.

سرعان ما حل المصنعون المشكلة حيث تم تطوير مجموعات شرائح محددة لـ (DAB) وتم تمكين هذه التكاليف لتخفيض بشكل كبير من تلك الأولية التي شوهدت بحيث لا يكون (DAB) قريباً من الارتفاع الذي كان عليه عند مقارنته بمستقبلات (FM).

مزايا نظام DAB:

• استقبال ممتاز ومستمر من راديو السيارة وأجهزة الراديو المحمولة أي جودة الأقراص المضغوطة بهوائي بسيط.
  
• لا تتلاشى الإشارة.
  
• لا يوجد تداخل بسبب الانتشار متعدد المسارات.
  
• أجهزة استقبال أكثر سهولة في الاستخدام كأجهزة راديو ولا حاجة للبحث عن محطة.
  
• معلومات إضافية عن البرنامج أي تعريف الكلام أو الموسيقى وتعريف البرنامج ونظام الديناميكيات المتغيرة.
  
• معلومات أخرى كمعلومات المرور وأنظمة التحكم والبيانات لمجموعات معينة.
  
• غير متوافق مع (FM).
  

طريقة عمل راديو DAB:

لإنتاج نظام رقمي يعمل بشكل مناسب في ظل الظروف المطلوبة للراديو الرقمي حيث تم فحص بعض التقنيات الرقمية الموجودة ولكن تم إدراك أن لها قيوداً كبيرة على هذا التطبيق حيث كانت إحدى المشكلات الرئيسية هي أنّ العديد من أجهزة الاستقبال ستستخدم هوائيات غير اتجاهية ونتيجة لذلك ستلتقط الإشارات المنعكسة، كما ستتأخر هذه بشكل كافٍ حتى تتلف البيانات، وبالإضافة إلى ذلك يجب تقليل عرض النطاق المطلوب لاستيعاب إشارة مجسم كاملة لضمان الاستخدام الفعال للطيف حيث تم تطوير المعايير الفنية للراديو الرقمي تحت رعاية مشروع (Eureka) الأوروبي 147.

مجالات النظام بالراديو الرقمي:

• يعتبر نظام التشفير والضغط ذا أهمية قصوى ولكي يكون النظام قابلاً للتطبيق فيجب تقليل معدل البيانات بشكل كبير عن معدل القرص المضغوط القياسي حيث يقلل نظام الراديو الرقمي المعتمد من معدل البيانات إلى (128 كيلوبت / ثانية) وهو سدس معدل البت للحصول على إشارة مشفرة خطياً ذات جودة مماثلة، ولتحقيق هذه التخفيضات يتم تحليل الإشارة الصوتية الواردة بعناية، كما وجد أنّ الأذن لديها عتبة معينة من السمع، وبالإضافة إلى ذلك في حالة وجود صوت قوي على تردد واحد.
  فقد لا يتم سماع الأصوات الأضعف القريبة منه نظراً لتعديل حد السمع وذلك من خلال تحليل الصوت الوارد وتشفير المكونات التي ستسمعها الأذن فقط، كما يمكن إجراء التخفيضات الكبيرة حيث يمكن تحقيق مزيد من التخفيضات في معدل البيانات عن طريق تقليل عرض النطاق الترددي الصوتي، ويتم تنفيذ ذلك على بعض القنوات مثل تلك المستخدمة فقط للتحدث.
  
• المفتاح الآخر لتشغيل الراديو الرقمي هو نظام التعديل ويسمى تعدد تقسيم التردد المتعامد المشفر (COFDM) وهو شكل من أشكال تعديل الطيف المنتشر الذي يوفر المتانة المطلوبة لمنع الانعكاسات وأشكال التداخل الأخرى من تعطيل الاستقبال.
  

يستخدم النظام حوالي (1500 ناقل فردي) تملأ حوالي (1.5 ميجا هرتز) من الطيف، وتكون الناقلات متقاربة جداً من بعضها البعض حيث يتم منع التداخل بين الموجات الحاملة بجعل الإشارات الفردية متعامدة مع بعضها البعض، كما يتم ذلك عن طريق المباعدة بين كل واحدة بتردد يساوي معدل البيانات المنقولة، وبهذه الطريقة تقع الأصفار في نطاقات التشكيل الجانبية في الموضع الذي توجد فيه الموجة الحاملة التالية.

يتم بعد ذلك نشر البيانات الصوتية عبر الموجات الحاملة بحيث يأخذ كل ناقل نسبة صغيرة فقط من معدل البيانات، وهذا له ميزة أنّه في حالة مواجهة التداخل في منطقة ما، فسيتم استقبال بيانات كافية لإعادة تكوين الإشارة المطلوبة كما يتم أيضاً تقديم نطاقات الحماية في بداية كل رمز، ويكون التأثير المشترك بحيث يكون النظام محصناً ضد التأخير المتوافق مع الإشارات التي تبعد (60 كم) عن المصدر الأساسي.

يوفر البث الصوتي الرقمي على القناة (IBOC) داخل النطاق (DAB) دقة صوت محسنة واستقبالاً محسناً وخدمات بيانات جديدة، وتُعد (IBOC) هي طريقة لإرسال إشارات صوتية بجودة قريبة من القرص المضغوط إلى أجهزة استقبال الراديو جنباً إلى جنب مع خدمات البيانات الجديدة مثل المحطة وتحديد الأغاني والفنانين ومعلومات المخزون والأخبار، وبالإضافة إلى نشرات حركة المرور والطقس المحلية.

تتيح هذه التقنية للمذيعين استخدام طيفهم الراديوي الحالي لنقل الإشارات التماثلية (AM وFM) في وقت واحد مع إشارات رقمية جديدة عالية الجودة، وهذه الإشارات الرقمية تقضي على ثابت هسهس أو فرقعة وتلاشي المرتبط بنظام الراديو التماثلي الحالي حيث تم تصميم (IBOC) لجلب فوائد البث الصوتي الرقمي إلى الراديو التماثلي مع منع التداخل مع المحطة التماثلية المضيفة والمحطات على نفس القناة والقنوات المجاورة.

تستفيد تقنية (IBOC) من نطاقي (AM وFM) داخل النطاق من خلال إضافة ناقلات رقمية إلى الإشارة التماثلية لمحطة راديو ممّا يسمح للمذيعين بالإرسال رقمياً على تخصيصات قنواتهم الحالية على القناة، كما ستسمح تقنية (IBOC) أيضاً بأن تكون أجهزة الراديو متوافقة مع الإصدارات السابقة والأمامية، ممّا يسمح لها باستقبال البث التماثلي التقليدي من المحطات التي لم يتم تحويلها بعد والبث الرقمي من المحطات التي تم تحويلها حيث ستستمر أجهزة الراديو التماثلية الحالية في تلقي الأجزاء التماثلية من البث.

يتم تقديم طريقة لبث الإشارات الصوتية الرقمية في وقت واحد مع راديو تعديل التردد التماثلي الحالي (88 – 108 ميجاهرتز) في القنوات المجاورة، كما يعتمد الإرسال الرقمي على تشكيل الطور المستمر (CPM) ومقدر تسلسل الحالة المنخفضة المناسب، وباستخدام الطريقة المقترحة يتم تحديد مستوى الطاقة ومعدل رمز إشارة المرسل بطريقة أنّ التداخل الذي تشكله إشارة (CPM) لإشارة (FM) التماثلية في القنوات المجاورة يظل أقل من المستوى وفقاً لقناع بث التردد اللاسلكي المحدد من قِبل قواعد (International) .

نظراً للانتشار متعدد المسارات للإشارة المرسلة، يتم تحديد سلوك الإرسال للقناة الراديوية عن طريق التشتت العالي حتى (85)، ومع معدل البت المحدد يجب أن يتعامل جهاز الاستقبال مع ذاكرة قناة تصل إلى (17 بت)، ونظراً لأنّ اكتشاف (Viterbi) غير ممكن بسبب عدد حالات القناة حيث يتم إجراء الكشف بواسطة مقدر تسلسل منخفض الحالة قادر على التخلص من تداخل القناة بالكامل من خلال التغذية المرتدة للقرار.

تظهر نتائج المحاكاة أنّ الكاشف يكاد يحقق جودة اكتشاف المستقبل الأمثل، كما تحقق (CPM) معدلات بيانات تصل إلى (200 كيلو بايت / ثانية) داخل قناة (FM) ويكون ترددها تقريباً (200 كيلو هرتز)، وهو ما يكفي لنقل الإشارات الصوتية الرقمية المضغوطة بجودة القرص المضغوط.