البث الإذاعي والتلفزيوني الساتلي

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

البث الإذاعي والتلفزيوني الساتلي

بث اذاعي وتلفزيوني ساتلي

Satellite radio and television broadcasting -

البث الإذاعي والتلفزي الساتلي

عصام عبود

التقنيات المستخدمة

المعايير الدولية

التجهيزات الأرضية والساتلية

آفاق وتطبيقات

يُقصد بالبثّ الإذاعي الساتلي satellite radio broadcasting إرسال إشارة إذاعية (إشارة سمعية صوتية audio signal) بجودة عالية إلى ساتل اتصالات، بحيث يقوم الساتل نفسه بتضخيمها وإعادة إرسالها - بعد إزاحة التردد الحامل لها - نحو منطقة جغرافية أوسع بكثير من المنطقة التي يمكن أن تغطيها محطة أرضيةterrestrial station من محطات البثّ الإذاعي ذات التعديل الترددي (frequency modulation (FM. ويمكن مثلاً أن تُغطى قارة أوربا بكاملها بساتل واحد.

وبالمماثلة يُقصد بالبث التلفزي الساتلي satellite television broadcasting إرسال إشارة فيديوية
video signal مع الإشارة السمعية المرافقة لها إلى ساتل اتصالات، بحيث يقوم الساتل نفسه بتضخيمها وإعادة إرسالها - بعد إزاحة التردد الحامل لها - نحو منطقة جغرافية أوسع بكثير من المنطقة التي يمكن أن تغطيها محطة تلفزية أرضية.

بدأ استخدام السواتل لتوزيع البرامج السمعية منذ ستينيات القرن العشرين، ولكن ذلك اقتصر على توجيه إشارات تلك البرامج من السواتل إلى تجهيزات استقبال ثابتة في محطات إذاعية وأبنية مؤسسات تجارية. وتأخرت بدايات الانتشار الواسع للبث الإذاعي الساتلي عن البث التلفزي الساتلي نتيجة اعتبارات تقنية واستثمارية، مع أن متطلبات إرسال الإشارة السمعية أقل تعقيداً بكثير من متطلبات إرسال الإشارة التلفزية المرئية.

ثمة أوجه تشابه متعددة بين مكوّنات منظومات البث الإذاعي الساتلي وما يقابلها في منظومات البث التلفزي الساتلي. ويعدّ بعض المؤلفين أن منظومة البث الإذاعي الساتلي هو «نسخة معدّلة» عن منظومة البث التلفزي الساتلي، مع مراعاة اختلاف خصائص الإشارتين المرئية والسمعية.

بدأ استخدام السواتل للبث التلفزي المباشر إلى المنازل direct-to-home أو البث الساتلي المباشر (DBS) Direct Broadcast Satellite في أمريكا الشمالية في العام 1974 وفي الاتحاد السوفييتي (سابقاً) في العام 1976. وبدأ الانتشار الواسع للبث التلفزي الساتلي المباشر في معظم مناطق العالم في أواخر ثمانينيات القرن العشرين وفق منظومات التلفزة التماثلية analog television، في حين بدأ الانتشار الواسع للبث التلفزي الساتلي الرقمي المباشر في نحو العام 1995. وبالمقابل بدأ انتشار البث الإذاعي الساتلي المنتظم في بعض مناطق أوربا وإفريقيا وآسيا في العام 1998، وباشرت به الولايات المتحدة الأمريكية في العام 2001، وتبعتها كندا لاحقاً. وتوالت فيما بعد مشاركة معظم بلدان العالم التي لم تشملها التغطية بالبث الإذاعي الساتلي في خطط عالمية لاعتماده تدريجياً بديلاً للبث بالمحطات FM الإذاعية الأرضية.

التقنيات المستخدمة

تُستخدم للبث الإذاعي والتلفزي الساتلي سواتل اتصالات، لكل منها مدار دائري مستقر جغرافياً Geosta (tionary Orbit (GEO، أو مدار قطعي ناقص elliptical.

تتوضع السواتل ذات المدارات المستقرة جغرافياَ فوق خط الاستواء مباشرة على ارتفاع يبلغ نحو 36000 كيلومتر، بحيث تستغرق كل دورة للساتل حول الأرض (دور المدار) مدة 24 ساعة تماماً. ومع أن الساتل ذا المدارGEO يسير بسرعة تبلغ نحو 11000 كم/ساعة، إلا أنه يبدو بالنسبة إلى مراقب على سطح الأرض معلّقاً في السماء من دون حركة، حيث «تُلغى» حركته المطلقة بدوران الأرض حول محورها. يبيّن الشكل (1) مداراً دائرياً حول الأرض ومداراً قطعياً ناقصاً. ويُختار لكثير من سواتل الاتصالات مدارات قطعية ناقصة بزوايا ميلان مناسبة بحيث يكون لها دور محدّد ( مثلاً 12 ساعة بدلاً من 24 ساعة في حالة السواتل ذات المدارات GEO).

الشكل(1) المدار الدائري والقطعي الناقص.

تضمّ منظومة البث التلفزي الساتلي (مثل أي منظومة اتصالات ساتلية) تجهيزات الإرسال في محطة الإرسال الأرضية earth transmittino station المخصّصة للوصلة الصاعدة uplink، كما هو موضّح في الشكل (2).

الشكل(2) تجهيزات الإرسال في منظومة البث التلفزي الساتلي

تحوي تجهيزات الإرسال في محطة الإرسال الأرضية هوائياً موجّهاً نحو الساتل. ويُخصّص للإشارات المرسلة بالوصلة الصاعدة المجال الترددي (14.5-14 غيغاهرتز). ويقع هذا المجال ضمن الحزمة Ku (Ku band) التي يُقصد بها المجال (18-12 غيغاهرتز). ويكون هوائي الإرسال بشكل «مرآة مقعّرة» أو طبق dish، ويُختار قطره غالباً ليكون بمقاس12-9م ويُختار السطح المقعّر للطبق بشكل سطح قطع مكافئ parabolic. ويفيد القطر الكبير لطبق الإرسال الساتلي في زيادة دقة تركيز الموجة الكهرطيسية على الساتل، وهذا ما يساعد على زيادة شدة الإشارة التي يستقبلها الساتل.

تُستخدم في الساتل معيدات إرسال transponders، يُخصّص كل منها لإحدى الإشارات المرسلة بالوصلة الصاعدة. ويقوم كل معيد من «معيدات الإرسال» بتضخيم الإشارة المستقبلة (المولَّف عليها) وإزاحة التردد الحامل إلى قيمة أخفض بنحو 3-2 غيغاهرتز وتُسمى عملية إزاحة التردد الحامل «التحويل الترددي frequency conversion» أو «الانسحاب الترددي» frequency translation، وهي تهدف إلى «إعادة الإرسال» إلى الأرض، بعد تكبير الاستطاعة إلى قيمة كافية، ضمن مجال ترددي مختلف، بوساطة الوصلة الهابطة، بغية تجنّب التداخل interference بين إشارتي الوصلتين الصاعدة والهابطة. ويُخصّص للإشارات المرسلة بالوصلة الهابطة المجالان التردديان (11.8-10.7 غيغاهرتز) و(12.5-11.7 غيغاهرتز). ويقع المجال الأول وجزء من المجال الثاني ضمن الحزمة X (X band) التي يُقصد بها المجال بين 8 غيغاهرتز و12 غيغاهرتز. وتقع تتمة المجال الثاني (12.5-11.7 غيغاهرتز) ضمن الحزمة Ku. ويُزوّد كل ساتل بعدد كبير من معيدات الإرسال، بحيث يُخصّص لكل منها مجال ترددي بعرض 50-27 ميغاهرتز.

يُستخدم لاستقبال إشارات الوصلة الهابطة «طبق ساتلي» ذو قطر أصغر بكثير من قطر طبق الإرسال. ويكفي عادةً أن يكون قطر طبق الاستقبال بمقاس 80-50 سم، ويُوجّه نحو الساتل المرغوب فيه توجيهاً دقيقاً للحصول على أكبر شدة ممكنة للإشارة المستقبَلة. ويعمل طبق الاستقبال عمل مرآة مقعّرة تعكس الموجات الواردة بالوصلة الهابطة نحو المركز المحرقي (البؤري) للطبق. ويُركّب في المركز المحرقي للطبق «البوق المغذي» feedhorn على ذراع مناسب، كما هو موضّح في الشكل (3).

الشكل (3) مثال عن طبق الاستقبال

يقوم «البوق المغذّي» بتجميع موجات الوصلة الهابطة الواردة إليه من المركز المحرقي وجواره إلى مجسّ probe أو لاقط pickup للحصول على إشارة، توصل منه إلى وحدة منخفضة الضجيج (LNB) Low-Noise Block. وتعمل هذه الوحدة أساساً كمحوّل خافض للتردد
downconverter، يخفّض تردد كل من الإشارات الواردة إليه بالوصلة الهابطة من المجال (11.8-10.7 غيغاهرتز) إلى المجال (2050-950 ميغاهرتز)، إضافةً إلى ترشيح الإشارة وتضخيمها. ويفيد ذلك في إنقاص الفقد loss الذي ينتج في الكبل المحوري المستخدم لنقل إشارة خرج الوحدةLNB إلى المستقبِل التلفزي الساتلي satellite TV receiver، المستخدَم داخل المنزل.

قد يكون المستقبل التلفزي الساتلي جهازاً مستقلاً توصل إشارة خرجه ذات التردد الراديويRF إلى المدخل المخصّص للهوائي في التلفاز، أو تُوصل الإشارتان المرئية والسمعية من المخرجين المعنيين في المستقبل الساتلي إلى المدخلين المخصّصين لهما في ذلك التلفاز. وبدلاً من استخدام مثل ذلك المستقبل الساتلي، يمكن أن يكون التلفاز نفسه مصمّماً، بحيث يتضمن مولِّفاً تلفزياً ساتلياً، يقوم مقام المستقبل الساتلي.

توفر التلفزة الساتلية عدداً كبيراً جداً من القنوات والخدمات المجانية أو المشفّرة encrypted، إضافةً إلى أنها تسمح بتغطية مناطق قد لا تكون مخدّمة بالتلفزة الأرضيةTV terrestrial أو تلفزة الكبول cable TV.

تُعدّ منظومات البث الإذاعي الساتلي مشابهة بأساليب استثمارها لمنظومات تلفزة الكبول من حيث كون خدماتها مدفوعة وتعتمد على مبدأ الاشتراك subscription-based. ولكن الأساليب التقنية المطبّقة في المنظومات الإذاعية الساتلية تشابه ما يقابلها في المنظومات التلفزية الساتلية.

خُصّصت لمنظومات البث الإذاعي الساتلي مجالات ترددية محدّدة ضمن المدى الترددي المحصور بين 1 غيغاهرتز و3 غيغاهرتز يشمل هذا المدى قسماً من الحزمة الترددية L التي تمتد من 1 غيغاهرتز إلى 2 غيغاهرتز وقسماً من الحزمة الترددية S التي يُقصد بها المجال 4-2 غيغاهرتز. وقد تمّ تخصيص مدى الترددات 3-1 غيغاهرتز للبث الإذاعي الساتلي وفق توصيات المؤتمر العالمي الإداري للراديو World Administrative

(Radio Conference (WARC-92 في إسبانيا في العام 1992. وحدّد ذلك المؤتمر ثلاثة مجالات للبث الإذاعي الساتلي، وهي المجال 1.5 غيغاهرتز الذي يمتد من 1452 ميغاهرتز إلى 1492 ميغاهرتز، والمجال 2.3 غيغاهرتز الذي يُقصد به المجال 2310 - 2360 ميغاهرتز، والمجال 2.6 غيغاهرتز الذي يُقصد به المجال 2655-2520 ميغاهرتز.

يجري بث مئات القنوات الإذاعية (السمعية) ضمن المجالات الترددية المخصّصة أصلاً للبث التلفزي الساتلي (بين 10.7 غيغاهرتز و12.75 غيغاهرتز)، ويمكن استقبالها بمستقبل تلفزي ساتلي (مع جهاز تلفاز)، بحيث يُستخدم طبق ساتلي ثابت موجّه نحو الساتل، ولا يمكن استقبالها في أثناء التنقل مشياً أو داخل سيارة متحركة. وبالمقابل، يمكن استقبال قنوات البث الإذاعي الساتلي المرسلة ضمن المجالات WARC-92 باستخدام هوائي صغير المقاس، مثل الهوائي المبيّن في الشكل (4)، وأبعاده تقل عن4 سم. ولقد تمّ تخصيص المجالات WARC-92 للبث الإذاعي الساتلي بناءً على دراسات اعتمدت على التوازن الأمثل بين استطاعة الإرسال المطلوبة من الساتل ومقاسات هوائي الاستقبال، وبحيث يمكن أن يتلقى جهاز الاستقبال إشارة دخل ذات مستوى كافٍ باستخدام هوائي صغير المقاس، حتى في حالة الاستقبال المحمول portable
reception (داخل المنزل مثلاً) أو الاستقبال النقّال
mobile reception (داخل مركبة متحركة).

الشكل(4) هوائي صغير المقاس

تُعدّ إمكانية الاستقبال المحمول/النقّال أهم ميزة للبث الإذاعي الساتلي مقارنةً بالبث التلفزي الساتلي. وتتيح المنظومات الإذاعية الساتلية تلك الإمكانية بفضل الاستفادة من أحدث الابتكارات في تقانات الاتصالات والإلكترونيات، وخاصة تقانات الاتصالات الخلَوية والعسكرية، إضافة إلى استخدام شبكة متمّمة complementary network من معيدات إرسال أرضية terrestrial repeaters. وتمثل الشبكة الساتلية والشبكة المتمِّمة معاً منظومة ساتلية أرضية هجينة hybrid system تتيح الحصول على تغطية جيدة (في %99 من المناطق وفي %99 من الوقت) لكل مستقبلات البث الإذاعي الساتلي، سواءً كانت ثابتة أم محمولة أم نقالة، وفي كل ظروف الاستقبال، حتى في حالة عدم وجود خط نظر بين هوائي الاستقبال والساتل (داخل المدن وداخل الأنفاق وبين ناطحات السحاب). ويقوم كل معيد إرسال أرضي بتضخيم الإشارة التي يستقبلها من الساتل بوساطة طبق استقبال موجّه نحوه، ويعيد إرسالها نحو المنطقة التي لا يغطيها الساتل مباشرةً. وأدى توفر إمكان الاستقبال الإذاعي الساتلي المحمول/النقّال إلى إقبال متزايد لمعظم الشركات المصنّعة للسيارات لتزويد السيارات المنتجة حديثاً بمستقبلات البث الإذاعي الساتلي.

ولما كانت الخدمات الإذاعية الساتلية تعتمد على الاشتراك، يُزوّد كلّ من مستقبلات البث الإذاعي الساتلي برقم متسلسل إلكتروني، مثل رقم تعريف راديوي radio ID، وعند تفعيل جهاز الاستقبال وفق رقم التعريف الخاص به، يُرسل رمز الاستيقان authentication code إلى جهاز الاستقبال، لاستقبال القنوات المشفّرة.

تعتمد منظومات البث الإذاعي والتلفزي الساتلي على تقنيات ضغط المعطيات لتقليص عرض المجال الترددي المطلوب لإرسال الإشارتين المرئية والسمعية رقمياً، وذلك مع استخدام طرق التصحيح المسبق للأخطاء (FEC) Forward Error Correction. ويُطبّق للضغط المرئي video compression المعيار MPEG-2. كما تُطبّق للضغط السمعي audio compression طرق الترميز المعتمدة على الإدراك الحسّي perceptual coding على غرار مصاغ الترميز السمعي الثالث المعياري the third audio format MP3 الذي هو مستمد بالأصل من المعياريين المقترحين من مجموعة خبراء الصور المتحركة (Moving Pictures Experts Groupe (MPEG.

المعايير الدولية

تعتمد المنظومات الساتلية للبث الإذاعي والتلفزي معايير صادرة عن الهيئات الدولية الخاصة بالاتصالات والمنظومات الإذاعية.

تُعدّ الشبكة الساتلية الإذاعية Worldspace 1 أول شبكة للبث الإذاعي الساتلي. وتم إطلاق أول ساتل لهذه الشبكة في العام 1998. ومع أنها أنشئت من قِبَل شركة Worldspace الأمريكية، فقد كانت تقدّم خدمات البث الإذاعي الساتلي لجزءٍ من أوربا ومناطق واسعة من إفريقيا وآسيا. وأعلنت الشركة المذكورة إفلاسها في العام 2008.

استُخدمت الشبكة1 Worldspace للبث الإذاعي الساتلي في المجال 1.5غيغاهرتز (المجال 1492-1467 ميغاهرتز). وتمت تغطية الولايات المتحدة الأمريكية وكندا والثلث الشمالي للمكسيك بشبكتين للبث الإذاعي الساتلي، وهما XM Radio وSirius ، وتملكهما حالياً شركة أمريكية واحدة هي Sirius XM Radio.

باشرت الشبكة XM Radioالبث الإذاعي الساتلي في العام 2001، في حين بدأت الشبكة Sirius البث في العام 2002.

حدّدت الهيئة الفدرالية للاتصالات في الولايات المتحدة الأمريكية Federal Communication (FCC) Commission في العام 1992 للبث الإذاعي الساتلي المجال 2345-2320 ميغاهرتز، وعرضه25 ميغاهرتز، وتمّ لاحقاً تخصيص النصف الأول لذلك المجال لشبكة Sirius، في حين خصص النصف الثاني للشبكة XM Radio.

اعتمدت معايير البث الإذاعي الساتلي في أوربا في العام 2007، من قبل المعهد الأوربي لمعايير الاتصالات European Telecommunication Standards Institute. (ETSI) وأُطلقت على المعايير المعنية معايير الراديو الرقمي الساتلي (SDR) Satellite Digital Radio. وحدّدت تلك المعايير للبث الإذاعي الساتلي في أوربا المجال2.3-2 غيغاهرتز والمجال 1.5-1.4 غيغاهرتز.

خططت الشركة الإسبانية Ondas Media (بالتعاون مع شركات أوربية أخرى) لتغطية أوربا بالبث الإذاعي الساتلي وفق معايير ETSI-SDR ابتداءً من العام 2011. واعتمدت شبكة Worldspace 1 أيضاً على معايير ETSI- والمعهد الأوربي لمعايير الاتصالات European Telecommunication Standards Institutes (SDR) لتغطية أوربا بشبكتها الجديدة ابتداءً من العام 2009.

تعتمد شبكات البث التلفزي الساتلي في معظم بلدان العالم على معايير البث المرئي الرقمي الساتلي (Satellite (DVB-S - Digital Video Broadcasting. ووُضعت المعاييرDVB-S بين عامي 1993 و 1997، من قبل خبراء «المشروع DVB»، وهم خبراء من مجموعة كبيرة جداً من شركات صناعية عالمية (نحو 300 شركة). تتضمن المعايير DVB-S استخدام المعيار MPEG-2 للضغط المرئي، كما تتضمن استخدام التعديل الرقمي بإزاحة الطور التربيعي quadrature phase-shift (keying (QPSK.

وقد اعتمد المعيار DVB-S الأساسي في أوربا من قبل المعهد الأوربي لمعايير الاتصالات ETSI في العام 1997، وسُمّي المعيار EN300 421 V1.1.2.

وتمّ التوصل في العام 2003 إلى المعيار DVB-S2، ويُستخدم فيه الترميز وفق المعيار H. 264 أو MPEG-4، وهو يتيح إمكان البث بمنظومة التلفزة العالية الدقة (HDTV) High Deffinition TV، ويتضمن عدة خيارات للتعديل الرقمي (QPSK, 8PSK, 16 APSK, 32PSK). كما اعتمد المعيار DVB-S2 في أوربا من قبل ETSI في العام 2009 وسُمّي بالمعيار EN 302 307 V1.2.

تُطبّق في الولايات المتحدة الأمريكية للبث التلفزي الساتلي المعايير ATSC-S ، وهي معايير لجنة المنظومات التلفزية المتقدّمة للسواتل Advanced Television Systems Committee-Satellite، وذلك وفق الوثيقتينATSC A/80 و ATSC A/81. وتتفق المقاربات الأساسية في الوثيقتين المذكورتين مع ما يقابلها في المعيارين DVB-S وDVB-S2 ، على الرغم من وجود اختلافات في بعض خصائص الترميز والتعديل وخياراتهما.

التجهيزات الأرضية والساتلية

تتضمن تجهيزات الإرسال في محطة الإرسال الأرضية مراحل تضخيم وترشيح ومعالجة للإشارتين المرئية والسمعية (لكل قناة برامج)، ودارات التحويل التماثلي – الرقمي analog to digital conversion والتجميع (التضميم) multiplexing، وأقسام ضغط المعطيات والترميز والتشفير، والتصحيح المسبق للأخطاء FEC، ودارات التعديل الرقمي (بطريقة QPSK في حالة DVB-S)، ومرحلة التحويل الرافع للترددup-conversion لرفع التردد الحامل إلى مجال الوصلة الصاعدة، وأخيراً تكبير الاستطاعة إلى القيمة المطلوبة التي ينبغي أن يُغذّى بها هوائي الإرسال.

تتمثل تجهيزات الاستقبال الأرضية بالمستقبل التلفزي الساتلي المستخدم داخل المنزل مع طبق الاستقبال والبوق المغذّي والوحدة LNB والكبل المحوري. وتقوم الوحدة LNB والمستقبل الساتلي بوظائف معاكسة لما يقابلها في تجهيزات الإرسال في محطة الإرسال الأرضية.

يلخص الشكل (5) التجهيزات الساتلية من وجهة نظر الاستقبال والإرسال السمعية مع معيدات الإرسال.

الشكل (5) التجهيزات الساتلية السمعية مع معيدات الإرسال.

آفاق وتطبيقات

لا شك أن التقدم التقاني المستمر سوف يؤدي إلى مزيد من إتقان تصميم منظومات البث الإذاعي والتلفزي الساتلي وتطوير معاييرها. ومن الممكن إضافة إمكانات وخيارات جديدة إلى منظومات البث التلفزي الساتلي، تتعلق مثلاً بخيارات التلفزة الثلاثية الأبعاد وتطبيقاتها. وتتضح أكثر فأكثر مزايا منظومات البث الإذاعي الساتلي، وهذا ما يمكن أن يؤدي إلى تزايد الاعتماد عليه بحيث يحلّ تدريجياً محلّ معظم المنظومات الأرضية للبث الإذاعي.

مراجع للاستزادة:

- عصام عبود، ديب خليفة، أسس هندسة الاتصالات، جامعة دمشق، 2005.

- W. Fischer, Digital Video and Audio Broadcasting Technology: A Practical Engineering Guide (Signals and Communication Technology), Springer, 2008.

- C. Nwabueze, Satellite TV Broadcasting and Local Media Use: Developing Nations’ Perspective, VDM Verlag Dr. Müller, 2010.