כתבות > לווינים
חידושים בשידורי פס רחב להפצה באמצעות לווייני תקשורת
בשנת 1962 שודר לראשונה אות טלוויזיה מאירופה לצפון אמריקה באמצעות לוויין Telstar. מאז אותו שידור היסטורי, עברה הטכנולוגיה כברת דרך משמעותית המאפשרת היום לשדר אלפי ערוצי רדיו וטלוויזיה ללקוח ביתי המצויד באנטנת צלחת לקליטה בקטר של פחות מ-50 ס"מ
01/10/06 12:08
אבי שביב, חלל תקשורת

עד לפריצת הדרך בתחום דחיסה ספרתית של אותות חוזי ושמע, שהחלה לפני כ-10 שנים, שודרו ערוצי טלוויזיה בלוויינים בפורמט אנלוגי באפנון FM. על מנת להשיג ביצועי קליטה טובים, המושגים בסוג אפנון זה בזכות תכונת

ה-"FM Improvement" נדרש רוחב סרט גדול יחסית על מנת לאפשר קליטה באנטנות קטנות. רוחב הסרט המקובל לשידור ערוץ טלוויזיה בודד הנו כ-27-36 MHz, ומכאן נגזר גם גודלו האופייני של משיב (Transponder) בלוויין תקשורת (בדרך כלל 36MHz). כיום, כעשור מאז החלה ה"מהפיכה" הספרתית, ניתן באותו רוחב סרט ששמש עבור ערוץ בודד לשדר כ-18 ערוצי טלוויזיה ספרתיים דחוסים, כאשר בעתיד הלא רחוק צפוי מספר זה לגדול ואף כמעט להכפיל את עצמו.

שידורי טלוויזיה אנלוגיים כמעט ואינם קיימים יותר בלווייני תקשורת, אתם נעלמו מהשוק גם מקלטי ה-FMTV שפינו את מקומם לטובת מקלטים ספרתיים IRD (Integrated Receiver Decoder) שהפכו עד מהרה למוצר סטנדרטי במחיר השווה לכל נפש. מרבית השידורים הספרתיים בלוויינים כיום, במיוחד שידורי טלוויזיה, מבוססים על תקני ה DVB (Digital Video Broadcasting). ארגון DVB זה הוקם באירופה בהשתתפותו הפעילה של ארגון השידור האירופי (EBU) וחברים בו כיום כ-270 גורמי תעשיה, גופי שידור וספקי שרות בכ-35 מדינות. הארגון פועל בעיקר בנושאי תקינה העוסקים בשידורי טלוויזיה רדיו ונתונים ומאז הקמתו בשנת 1993 פורסמו למעלה מ 100 תקנים שאומצו בין היתר על ידי מכון התקנים האירופי (ETSI). התקנים מתחלקים לקבוצות הבאות:

· קידוד מקור (מבנה ואלגוריתם לדחיסת חוזי ושמע, מבוסס בד"כ על תקני MPEG)

· שידור (פורמט שידור,אפנון וקידוד עבור תווכי שידור שונים: לוויין,כבלים,קרקעי וכו')

· ריבוב (שילוב ערוצים ושירותים לזרם סיביות יחיד

· שירותים אינטראקטיביים

· מישקים (עבור ציודי קצה ורכיבי שידור)

· פרוטוקולי אינטרנט

· גישה מותנית (הצפנת שידורים ומיעונם).

· מדידות

· מולטימדיה (MHP)

תקן השידור בלוויין (DVB-S) משמש כיום בסיס למרבית השידורים הלווייניים להפצה של ערוצי טלוויזיה,שמע ונתונים. התקן מתבסס בעיקר על אפנון ארבע מופעי (QPSK) עם קוד משורשר לגילוי ותיקון שגיאות: קידוד פנימי המבוסס על קוד בלוקים מסוג "Reed Solomon" מוסיף 16 בתי תיקון לכל מסגרת של 188 בתים וקוד חיצוני משורשר מסוג Convolutional Code המשמש לגילוי ותיקון שגיאות בסביבת רעש גאוסי לבן. התקן מאפשר גמישות בבחיר? קצב הקידוד בהתאם לרמת ההגנה הנדרשת בערוץ. התקן מגדיר 5 קצבי קידוד שונים (1/2,2/3,3/4,5/6,7/8), כך למשל עבור R=3/4 לכל 3 סיביות מידע משודרות 4 סיביות כך שלמעשה משודרת תוספת קצב של 33% לטובת זיהוי ותיקון שגיאות בערוץ.מנגנון זה מבצע למעשה "המרה" של הספק ורוחב סרט, כך שעבור מקרה בו מעוניינים, למשל, לקלוט שידור לווייני עם אנטנה קטנה, ניתן לשדר במקור כמות גדולה יותר של סיביות הגנה. שידור בקצב קידוד R=1/2 ,למשל, יכפיל את קצב השידור בפעל אך יאפשר קליטה באנטנות קטנות במיוחד, על חשבון שימוש ברוחב סרט כפול.

מסלול לווייני "גיאוסנכרוני" ואזור השרות של הלוויין

מרבית לווייני התקשורת הנם "גיאו-סינכרוניים" הממוקמים מעל קו המשווה, בגובה של כ-36,000 ק"מ מעל פני כדור הארץ ("Clark Belt"). כל לוויין נע סביב כדור הארץ במהירות זהה לזו של סבוב כדור הארץ סביב עצמו,ולכן הוא ממוקם באפן קבוע מעל נקודת קו אורך מסוימת. כתובתו של כל לוויין הוא קו האורך מעליו הוא ממוקם כאשר קו הרוחב הינו תמיד קו המשווה.

לווייני "עמוס",למשל, ממוקמים מעל קו אורך 4°W (באוקיינוס האטלנטי דרומית לחוף השנהב), כאשר אזור השירות שלהם הנו אזור המזה"ת ומרכז אירופה.

לוויין "עמוס 2" בשילובים במפעל מבת
"עמוס" 2 ו-"עמוס 2" הנם לוויינים מתוצרת כחול-לבן מבית היוצר של התעשייה האווירית לישראל ומופעלים ומשווקים על ידי חברת חלל תקשורת.חברת הלוויין yes בארץ, כמו גם גופי שידור וספקי תקשורת רבים במרכז אירופה עושים שימוש נרחב בלווייני "עמוס" ,בעיקר לצורך הפצת ערוצי טלוויזיה ספרתיים ולשימושי רשתות תקשורת נתונים וגישה רחבת סרט לרשת האינטרנט.

מבנה סכימטי של מטעד בלוויין תקשורת

לווייני "עמוס" פועלים בתחום תדרי Ku (שידור ללוויין בתחום 13.75-14.5GHz, שידור מהלוויין לקרקע בתחום 10.9-11.75Ghz). תחום נוסף בשימוש לוויינים אחרים הנו C (שידור ללוויין בתחום 6-6.5GhzGHz, שידור מהלוויין לקרקע בתחום 3.7-4.2GHz).יתרונו היחיד של תחום זה בהיותו פחות רגיש לנחות גשם מאשר תחום Ku בו אורך הגל קצר יחסית. תחום תדרי X משמש בד"כ לתקשורת לווינית צבאית.

מטעד התקשורת (Communication Payload) בלוויין הינו למעשה ממסר RF בגובה רב, הקולט את האותות המשודרים מהקרקע, מבצע המרת תדר, סינון, הגברה ושידור. היחידה הבסיסית במטעד הנה משיב (Transponder), רוחבו של משיב בלווייני "עמוס"- 72MHz.

מרבית האותות המשודרים ב"עמוס" כמו גם במרבית הלוויינים האחרים, עושים היום שימוש בתקן השידור הספרתי DVB-S שתואר לעיל, כאשר כל מפעיל בוחר לעצמו את קצב הקידוד האופטימלי בהתאם לתכונות וביצועי העורק הנדרשים. לפני כשנתיים סיים ארגון ה DVB את גיבושו של תקן שידור משופר לתווך לווייני (DVB-S2), הכולל מספר תכונות חדשניות כשהבולט בהם הוא שימוש בקוד משופר לגילוי ותיקון שגיאות. קוד זה הנו בעל ביצועים טובים יותר מהקוד הממומש בתקן הנוכחי (DVB-S), וביצועיו קרובים יותר לחסם התיאורטי על פי Shannon שהציב חסם עליון לקצב האינפורמציה המירבי בתווך:

C=W Log2(1+S/N)

כאשר C מייצג את הקיבול המירבי בערוץ, W הנו רוחב הסרט ו-S/N הנו היחס בין האות לרעש בערוץ.

השיפור בביצועים המושג באמצעות שיטות הקידוד בתקן החדש הנו בלמעלה מ-2dB, ביצועים הרחוקים אך בחלקי dB מהחסם התיאורטי לעיל.

התקן עושה שימוש בקידוד LDPC (Low Density Parity Check) המשורשר עם קוד BCH (Bose,Chadhuri,Hocquenghem).

את השיפור ניתן לנצל בשידור לוויני באחד מהאופנים הבאים:

הגדלת קצב השידור ברוחב סרט נתון בלמעלה מ 30%.

שיפור זמינות הקליטה (כתוצאה מניחות הנגרם על ידי גשם)

הגדלת שטח הכיסוי של הלוויין.

שימוש באנטנת קליטה קטנה יותר.

בנוסף ליעילות המשופרת של קוד הגילוי והתיקון מתאפיין התקן המשופר בתכונות נוספות:

v הקצאה משתנה של קידוד לתקון שגיאות ואפנון שונה לשירותים שונים בתוך אותה חבילה (VCM=Variable Coding and Modulation).

v מגוון גדול יותר של קצבי קידוד (כ-10 קצבים אפשריים)

v 5 אפשרויות אפנון וקונסטלציה.

v סינון יעיל יותר של האות (20% לעומת 35% שיפוע ירידת שולי האות )

הטבלה להלן מסכמת את התכונות הבסיסיות של תקני השידור השונים בלוויינים. תקן DVB-DSNG הנו הרחבה לתקן הבסיסי ומאפשר שידור קונסטלציות גבוהות יותר לעורקים בהם הקליטה מתאפשרת על ידי אנטנות גדולות.

המניע העיקרי לפתוח טכנולוגיות משופרות לצמצום ברוחב הסרט לשידור בלוויין נבע מההתפתחות המואצת בטכנולוגיות אותות החוזי בחדות גבוהה (HD=High Definition TV). יחד עם זאת, שיפורים אילו משרתים גם את השידור של הערוצים הסטנדרטיים ומאפשרים חסכון משמעותי ברוחב הסרט הנדרש לשידור ערוצי SD (SD=Standard Definition) או לחילופין שידור מספר גדול יותר של ערוצים ברוחב סרט נתון.

שיפור בנצילות רוחב הסרט מתאפשר כאמור הודות לתקן השידור החדש ובנוסף גם בזכות תקן MPEG4 (H.264) – אלגוריתם דחיסה משופר ביחס ל-MPEG2 המסורתי. אלגוריתם זה מאפשר איכות זהה לזו המושגת ב MPEG2 בכ-50% לפחות מקצב האות הדחוס.

לצורך הדגמה מספרית ממשית של מספר הערוצים המשודרים, נשתמש במקטע אופייני של 36MHz המשמש את שידורי חברת yes בלווייני "עמוס". אות זה מאופנן QPSK (ע"פ תקן DVB-S) בקצב קידוד R=3/4, קצב סיביות האינפורמציה (לפני הוספת סיביות קידוד) הינו 38Mbps (קצב סימנים=27.5Msps). בקצב זה ניתן לרבב כ-18 ערוצי טלוויזיה. הטבלה להלן מראה את מספר הערוצים הניתנים לשידור במקטע אופייני, עבור שילוב תקן השידור החדש עם תקן דחיסה MP4:

עבור ערוצים המשודרים בחדות גבוהה (HD) ניתן לשדר 2-3 ערוצים במקטע של 36MHz, הטבלה להלן מראה את השיפור בתכולת הערוצים במקטע עבור שילוב השיפורים.

רואים ששלוב תקן השידור המשופר DVB-S2 יחד עם MP4 יביא ליכולת שידור של כמות כפולה של ערוצים בהשוואה לנוכחית.