البث الصوتي الرقمي

بث صوتي رقمي

Digital audio broadcasting -

البث الصوتي (السمعي) الرقمي

رند القوتلي

التقنيات المستخدمة

مزايا البث الصوتي الرقمي

التجهيزات المستخدمة في الاستقبال

ظهر مفهوم البث الصوتي (السمعي) الرقمي (Digital Audio Broadcasting (DAB في معهد فور روندفونتكنيك Für Rundfunktechnik في ألمانيا في ثمانينيات القرن العشرين، وفي العام 1988 ظهر أول إرسال راديوي رقمي بنجاح في أوربا بالتزامن مع الولايات المتحدة الأمريكية.

تتيح تقانة البث الصوتي الرقمي- كتقانة البث التلفزي الرقمي - إرسال عدة قنوات صوتية ضمن حزمة صغيرة من الترددات، وتُستقبل برامجه بوساطة هوائي صغير. وبمعنى آخر، فإن هذه التقانة تشغل مساحة أصغر من الطيف الترددي. وعلى سبيل المثال، يمكن أن تشغل سبع قنوات تماثلية حالياً نحو 9 MHz (ميغاهرتز) في حين أن القنوات نفسها - فيما لو تحوّلت إلى البث الرقمي - تشغل 1.5 MHz كحدٍ أقصى. تبث المحطات الرقمية إرسالها بوساطة موجات تنتقل عبر الفضاء، وتقوم التقانة الرقمية بضغط عدد أكبر من القنوات في كل جزء من أجزاء الطيف بتوفير القنوات في مصاغة رقمية، ونقلها بهذا الشكل المرمّز على نحو موجات. وأخيراً تُفكّ تلك الرموز عند وصولها للمستقبِل. تشير هذه العملية إلى إمكانية مزج عدة محطات مرمّزة على التردد نفسه؛ بحيث لا يمكن فك ترميزها إلا بوساطة جهاز خاص لفك الترميز يُعرف بجهاز الاستقبال الرقمي للراديو.

يُعدّ الاتصال الصوتي الرقمي DAB جزءاً من المعيار العالمي Eureka 147، الذي طوره المعهد الأوربي لمعايير الاتصالات European Telecommunication Standards (ETSI) Institute. يمكن للإشارة الرقمية للراديو حمل ثماني قنوات أو تسع على الموجات نفسها. وكانت هيئة الإذاعة البريطانية BBC أول من استخدم الاتصال الصوتي الرقمي تجارياً في العام 1999.

من ناحية أخرى، تسعى شركة «لوسنت Lucent» الأمريكية إلى تطوير تقانة جــديدة، تسمى ضمن الحزمة على القناة (IBOC) In-Band On Channel تمكنها من بث البرامج الإذاعية الرقمية ضمن قنوات الإرسال التقليدي. وتُرسل الإشارات الرقمية ضمن قنوات بث للموجات FM و AM التقليدية نفسها، وهذا ما يتيح تحويل جميع الإشارات المرسلة إلى الأسلوب الرقمي؛ لتنتفي الحاجة إلى شراء جهاز راديو رقمي خاص.

التقنيات المستخدمة

لتحقيق جودة أعلى للصوت مع استخدام أصغر مساحة ممكنة من الطيف الترددي؛ لجأ المصمّمون إلى عددٍ من التقنيات، منها:

1- المجال الترددي

يمكن لنظام البث الصوتي الرقمي أن يعمل نظرياً ضمن أي مجال ترددي يقع فوق MHz 30؛ لأن الطيف الترددي واسع، وغالبه محجوز لتطبيقات الاتصالات الأخرى؛ فضلاً عن ضرورة منع التداخل بين نظام البث الرقمي الصوتي وبين النظم الأخرى. وتم اعتماد أحد المجالين التردديين: المجال الثالث Band-III 240-174 MHz أو المجال Band-L MHz 1492-1453.

• النماذج المستخدمة

  صُمِّم نظام البث الصوتي الرقمي ليعمل وفق أربعة نماذج للإرسال؛ بغية مواكبة ظروف استقبال الإشارة المختلفة، مثل تحرك المستمع بسرعة عالية (داخل سيارة مسرعة) أو الاتصال عبر مسافات صغيرة أو بعيدة. يبيّن الجدول (1) النماذج المصمَّمة للنظام DAB.

   

  الجدول (1): مقارنة نماذج نظام DAB.
  النموذج	المجال الترددي
  Mode-I	المجال الترددي منخفض يصل إلى غاية التردد 240 kHz ضمن النطاق الترددي VHF.
  Mode-II	مجال ترددي عالٍ يصل إلى MHz 1.5، ولكن يستخدم عدداً من الحوامل الجانبية ذات الفواصل الكبيرة، ولا يوفر حماية كبيرة من التداخل ، ويعمل ضمن النطاق L-Band.
  Mode-III	مجال ترددي عالٍ يصل إلى 3 GHz (غيغاهرتز)، ويُستخدم في الاتصالات الساتلية.
  Mode-IV	نظام وسط بين Mode-I و Mode-II.

  2- المرمِّز السمعي audio coder

  لما كانت الإشارة السمعية الرقمية تحتل مساحة كبيرة من الطيف الترددي (نحو Mbps 1.41)، تبرز الحاجة إلى ضغط هذه الإشارة قبل إرسالها باستخدام تقنيات ضغط الإشارة السمعية. ومن أشهر التقنيات المستخدمة في البث الصوتي الرقمي: مرمِّز مجموعة خبراء الصور المتحركة Moving Picture Experts (Group (MPEG، الذي صُمِّم لدعم ضغط إشارة الفيديو (الصوت والصورة) خصوصاً، حيث يمكن استخدام مرمِّز الصوت على نحو منفصل، والذي يسمى تجارياً بمرمّز MP3. يتألف المرمّز MPEG عموماً من ثلاثة أقسام: القسم الأول يهتم بضغط إشارة الصوت (الإشارة الموسيقية والإشارة الكلامية)، والقسم الثاني مخصص لضغط الإشارة المرئية (الصورة)، أما القسم الثالث فهو مسؤول عن التحكم في كامل النظام. ويبيّن الشكل (1) المخطط الصندوقي العام لنظام الترميز MPEG. اعتُمد في نظام البث الصوتي الرقمي المعياران التاليان:

  الشكل (1) المخطط الصندوقي لنظام MPEG المعياري

  أ- المرمز المعياري الأول على الطبقة الثانية MPEG-1 layer2

  يقدّم هذا المرمّز إشارة سمعية ذات قناتين بمعدل إرسال بتّي يساوي 256 kb/s وبجودة إشارة سمعية تماثل جودة الصوت الناجم عن القرص المدمج CD. يبيّن الشكل (2) المخطط الصندوقي العام لمرمّزات الإشارة السمعية في نظام الترميز MPEG، حيث تُقسم إشارة الدخل إلى مجموعة من المجالات الجزئية باستخدام مصفوفة من المرشحات، وتُعامَل كل إشارة طيفية جزئية كإشارة مستقلة، فتُكمّم وتُرمّز بعدد محدَّد من مستويات التكمية؛ بحيث يبقى خطأ التكمية quantization error أقل من عتبة القناع masking threshold. وبمعنى آخر، ينبغي أن يظل خطأ التكمية غير مسموع. ويُحدّد عدد مستويات التكمية في كل مجال جزئي على نحوٍ متكيف مع الزمن، فهو يساوي في حالة نظام الترميز الأول (على الطبقة الثانية) 36 بتاً. وتُحدّد الموسطات بحسب مشكّل النموذج الصوتي psychoacoustic model. ومن ثمّ تُجمع جميع هذه الموسطات (وهي عدد البتات ونسبة التكمية) إضافة إلى الإشارات الجزئية المكمّمة في كل مجال جزئي بوساطة مجمع (مضمم) multiplexer لتشكيل تدفق البتاتbitstream، حيث يُضاف إليها معلومات مساعِدة. ويُعاد في مفكِّك الترميز تركيب الإشارة من المعلومات المتوفرة في تدفق البتات، ثم يُعاد تشكيل الإشارة مرّة أخرى بتحويلها من التردد إلى الزمن. يعمل المرمّز الأول MPEG-1 وفق أربع حالات:

  الشكل (2) المخطط الصندوقي العام للمرمّز السمعي MPEG-1 (أ) المرمّز (ب) مفكك الترميز

• إشارة سمعية بقناة واحدة mono.
• إشارة سمعية بقناتين stereo.
• إشارة سمعية بقناتين منفصلتين تماماً dual حيث يمكن استخدامها مثلاً لبث برنامج تلفزيوني بلغتين أو تسجيله.
• إشارة سمعية بقناتين سمعيتين مشتركتين joint stereo.

  ب- المرمّز المعياري الرابع MPEG-4

  يُعدّ نظام الترميز الرابع MPEG-4 النظام المعياري الأحدث والأكثر تطوراً؛ إذ اعتُمد النظام MPEG-4 نظاماً معيارياً في العام 1998. يتميز النظام بمعدل إرسال منخفض جداً وجودة تراوح بين مستوى إشارة الصوت المركّب synthesis speech وبين الصوت العالي الجودة، وذلك لتحقيق متطلبات المستخدم. ويراوح معدل إرسال البتات للمرمّز بين kb/s 2 و kb/s 64.

  3- تصحيح الأخطاء error correction

  لما كانت الإشارة المرسلة هي ناتج ضغط الإشارة السمعية، فهي إذاً حساسة جداً لأخطاء القناة. ويمكن أن يوثر تغيير بت وحيد في جودة الصوت لإطار كامل أو لعدد من الإطارات المتلاحقة أيضاً. لذلك تظهر الحاجة إلى استخدام تقنيات تصحيح الأخطاء أو ما يسمى ترميز القناة channel coding. يهدف ترميز القناة وفك ترميزها إلى إعادة توليد نسخة موثوقة لسلسلة البتات المولّدة في المرسل. تُرمَّز سلسلة المعلومات بوساطة مرمِّز القناة؛ إذ يُدخل بعض الحشو في سلسلة المعطيات الاثنينية، ثم يُستخدم هذا الحشو في جهاز الاستقبال للتغلب على آثار الضجيج والتداخل التي تطرأ على الإشارة عند نقلها عبر قناة الاتصال، والتي تؤدي إلى ظهور أخطاء في الاستقبال. يسمح هذا الحشو بتصحيح الأخطاء المكتشفة في المستقبِل استناداً إلى المعرفة المسبّقة لمواصفات الترميز.

  فعلى سبيل المثال، الحل البديهي لترميز سلسلة المعطيات الاثنينية هو تكرار كل بت عدداً من المرات. أما الحل الآخر الأقل بديهية، والأكثر فعالية؛ فهو تقسيم المعلومات إلى مجموعات من k بت تؤلف كل منها كلمة، ثم مقابلة كل كلمة من هذه الكلمات بكلمة أخرى من N بت، حيث N أكبر من k. ويؤلف الفرق k-N الحشو المضاف، وتسمى الكلمات الناتجة بكلمات الرمز. تقاس نسبة الحشو في المعلومات المرمّزة في هذه الحالة بالنسبة N/k التي تسمى معدّل الترميز.

  ومن التقنيات المستخدمة لتصحيح أخطاء القناة في البث الصوتي الرقمي؛ تقنية ترميز الالتفات (الطي) convolutional coding حيث يكون عدد المخارج مساوياً N لكل k دخل جديد، ويتعلق الخرج بالدخل الجديد وبـ L-1) k) دخل سابق. وهذا يعني أن للترميز ذاكرة. تُستثمر هذه الخاصة جيداً في الحصول على فك ترميز فعال مصحِّح للأخطاء يسمى خوارزمية فيتربي Viterbi.

  4- التعديل modulation

  للتخفيف من تداخل الإشارة؛ تُستخدم تقنية التجميع المتعامد باقتسام التردد Orthogonal Frequency (Division Multiplexing (OFDM حيث قُسمت الإشارة إلى 1536 حاملاً جزئياً. ينقل كل حامل جزئي جزءاً بسيطاً من الإشارة، وعند فقدان هذا الحامل يُصحح الخطأ بوساطة تقنيات ترميز القناة المستخدمة. إضافة إلى ذلك؛ تُعدَّل الإشارة الجزئية في كل حامل باستخدام تقنية التعديل الرقمي بإزاحة الطور التربيعي التفاضلي -Differential Quadrature Phase (Shift Keying (DQPSK. يبيّن الشكل (3) المخطط الصندوقي لنظام البث الصوتي الرقمي DAB المعياري.

  الشكل (3) المخطط الصندوقي لنظام البث الصوتي الرقمي المعياري

  مزايا البث الصوتي الرقمي

  يوفر البث الصوتي الرقمي العديد من المزايا، منها:

• الإرسال الصوتي الفائق النقاوة الذي يماثل نقاوة الصوت في الأقراص المدمجة، مع تحرّره من المؤثرات الخارجية التي يمكن أن تؤثر في البثّ التقليدي.
• توفير عدد أكبر من المحطات، وتزويد المستمعين بخيارات أكبر.
• إمكان استقبال البيانات على شاشات مرافقة للراديو الرقمي: وهي قد تكون معلومات رقمية عن حالة المرور وإمكانات التسوق إلكترونياً، وتُزوّد بعض أجهزة الاستقبال بأزرار خاصة لإتمام عملية الشراء عند الرغبة في اقتناء أي بضاعة تروّج لها المحطة، ويرتبط جهاز الراديو بهاتف ينفّذ عملية الاتصال لشراء البضاعة.
• إضافة ميزات جديدة إلى تجهيزات الاستقبال كالتسجيل وإعادة الاستماع ونحوها.

  بيد أن أحد أهم مثالب هذا النظام هو التأخير الزمني اللازم لفك ترميز الإشارة المستقبلة، والذي يصل أحياناً إلى عدة ثوانٍ مقارنة بالبث الصوتي التماثلي ذي التأخير المهمل.

  التجهيزات المستخدمة في الاستقبال

  لاستقبال إشارة البث الصوتي الرقمي؛ على المستخدم شراء تجهيزات جيدة مخصّصة لذلك. وقد بدأت مستقبلات البث الصوتي الرقمي بالانتشار بالأسواق، ومن المتوقع ازدياد ذلك وإنتاجها في المصانع مع انتشار البث الصوتي الرقمي في دول العالم. يبيّن الشكل (4) بعض الأمثلة عن التجهيزات المستقبلة للبث الصوتي الرقمي، حيث يُلاحظ تركيز معظم الشركات على إنتاج الراديو الخاص بالسيارات؛ إلا أنه بدأت بعض المصانع بإنتاج تجهيزات عالية الجودة للاستخدام المنزلي.

  الشكل (4) أمثلة عن التجهيزات المستخدمة في استقبال البث الصوتي الرقمي.

   

  مراجع للاستزادة: - National Radio System Committee, In-Band/On-Channel Digital Radio Broadcasting Standard NRSC-5,. 2005. - L. Hanzo, et, al, Voice and Audio Compression for Wireless Communications”, John Wiley and Sons, IEEE Press, Second Edition, 2007. - C. Luders, Theory and Applications of OFDM and CDMA- Wideband Wireless Communications, John Wiley & Sons, 2005. - A. Pashtan, Telecommunication Systems and Technologies - Wireless Terrestrial Communications: Cellular Telephony, Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS), Eolss Publishers, Oxford  ,UK, 2010.

التصنيف : كهرباء وحاسوب

النوع : كهرباء وحاسوب

المجلد: المجلد الرابع

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية