سلسله كيف يعمل هذا((فكرة عمل التلفزيون))

من طرف **عبدالحفيظ عوض ربيع** 2011-08-01, 9:59 am

يعتبر التلفزيون واحد من أهم القوى المؤثرة في العصر الحالي حيث يمكنك من خلاله معرفة الأخبار السياسية والأوضاع الاقتصادية وأخبار الرياضة والطقس أو قد تستخدمه للتسلية ومشاهدة البرامج الترفيهية فقد وجد انه في المتوسط يقضي الناس ما بين ساعتين إلى خمس في مشاهدة التلفزيون كل يوم. هل فكرت يوما في التكنولوجيا التي أنتجت مثل هذا الجهاز وكيف يمكن لمئات من القنوات أن تصل لبيتك تحمل أحداثا كاملة الحركة والصوت وغالبا مجانا؟ ما هي الإشارة التي تبثها محطات الإرسال وكيف يستقبلها جهازك و يفك شيفرتها ليحولها إلى صورة متحركة؟ إن كنت تساءلت يوما حول كل هذا أو حتى حول شاشة كمبيوترك قد تجد هنا تفسيرا.
دعنا نبدأ ببعض الملاحظاتالسريعة حول الدماغ حيث توجد حقيقتين مدهشتين حوله انبثقت منهما فكرة عمل التلفزيون.ابدأ بمشاهدة هذه اللقطات . هذه عينة من فيديو منزلي تظهر طفل يلعب.تم تشفير هذا المشهد وتحويله من لقطة فيديو إلى شكل ملف MPEG مما يجعل من الممكن أن تشاهده على جهاز كمبيوترك.

الحقيقة الأولى هي انك إذا قسمت صورة كاملة إلى مجموعة من النقاطالصغيرة المتقاربة سيقوم الدماغ بإعادة تجميع هذه النقاط ليكون منها من جديد صورةذات معنى.
الطريقة الوحيدة التي يمكنك من خلالها أن تدرك إن هذا هو ما يحدث هو أن تبعثر نقاط الصورة بحيث لا يستطيع الدماغ تجميعها من جديد كما في الصورة التالية. الآن معظم الأشخاص الذين يجلسون قريبا جدا من شاشات الكمبيوتر لن يمكنهم معرفة ماهية هذه الصورة لان النقاط كبيرة لدرجة لا يستطيع معها الدماغ تجميعها و إدراكها. إذا وقفت على بعد 15 قدم من شاشة الكمبيوتر ستعرف إن الصورة هي لوجه الطفل لأنك حين تبتعد تصغر النقاط بدرجة كافية لان يصبح الدماغ قادرا على إعادة تجميعها و إدراكها.
كلا من صور التلفزيون والكمبيوتر وكذلك الصور في الصحف والمجلات تعتمد على هذه الحقيقة. وهي قدرة الدماغ على تجميع النقاط الصغيرة الملونةفتقطع أي صورة إلى الآلاف من النقاط الملونة هذه النقاط على شاشة الكمبيوتر أوالتلفزيون تسمى pixel حيث أن قدرة تحليل (resolution) شاشة كمبيوترك قد تكون 600x800 بكسل أو 1024x768 بكسل.

الحقيقة الثانية المرتبطة بالتلفزيون حولالدماغ هي أنك إذا قسمت أي مشهد متحرك إلى مجموعة متتابعة من الصور الثابتة ثمعرضت هذه الصور في تتابع سريع جدا سيقوم الدماغ بتجميعها ليعيد تكوين المشهدالمتحرك.
على سبيل المثال انظر إلى هذه الصور الأربعة من ذلك الفيديو المنزلي. كل صورة تختلف عن الصورة التالية اختلافا طفيفا بعرض 15 أو أكثر من هذه الأطر أيالصور الثابتة في الثانية الواحدة سيقوم الدماغ بتجميعها ليكون منها مشهد متحرك. لاحظ أن 15 هو الحد الأدنى المقبول حيث إن اقل من ذلك سيكون مشهد متقطع.

عندماتحمل و تشاهد ملف MPEG الذي قدم لك في بداية هذا المقال ستتم هاتان العمليتان معا حيث يقوم دماغك بتجميع النقاط المختلفة لكل صورة ثابتة ليكون منها صورة كاملةثم يقوم بتجميع الصور الثابتة المتلاحقة ليكون منها مشهد متحرك. بدون هاتان الحقيقتان ما كان ليكون هناك تلفزيون بالشكل الذي نعرفه الآن. لنرى الآن ما هو التلفزيون.

أنبوبة أشعة المهبط cathode ray tube
تعتمد معظم أجهزةالتلفزيون المستخدمة هذه الأيام على جهاز يسمى أنبوبة أشعة المهبط (CRT) لعرض الصور والذي يتكون من أنبوبة مفرغة من الهواء بها الكاثود والأنود والشعاع الإلكتروني والشاشة الفسفورية.
مصطلح مصعد (anode) يستخدم للدلالة علىالطرف الموجب بينما المهبط (cathode) يستعمل للدلالة على الطرف السالب. في أنبوبةأشعة المهبط يكون المهبط عبارة عن فتيل ساخن (يختلف كثيرا عما تشاهده في المصابيح) موضوع في أنبوب مفرغ من الهواء). الشعاع هو عبارة عن قناة من الالكترونات تنطلق منالمهبط المتوهج. بما أن الالكترونات تحمل شحنة سالبة فهي تنجذب نحو المصعد لأنهموجب. في أنبوبة أشعة المهبط المستخدمة في التلفزيون تتركز الالكترونات أولا بواسطةأنود ثم تسرع بواسطة أنود آخر. هذا الشعاع الرفيع السريع من الالكترونات يسقط على شاشة مسطحة عند الطرف الآخر للأنبوب. هذه الشاشة مطلية بالفوسفور و الذي يتوهج عندما تصطدم به الالكترونات.

إذا نظرت إلى أنبوبة أشعة المهبط في تركيبهاالأساسي الموضح بالرسم ستجد أنها لا تحتوي على أي وسيلة لتوجيه الالكتروناتفالشعاع دائما سيسقط على نقطة صغيرة في منتصف الشاشة. لهذا السبب تلاحظ إن أنبوبأشعة الكاثود المستخدم في أجهزة التلفزيون يكون دائما ملفوف بملفات نحاسية كما هوواضح في الصورة المقابلة. عندما يمر تيار كهربي في الملفات النحاسية يتولد عنه مجال مغناطيسي يمكنه أن يوجه شعاع الالكترونات حسب اتجاه و شدة التيار المار به.
يوجد دائما مجوعتين من الملفات المجموعة الأولى تتحكم في المسار الأفقي لشعاع الالكترونات ويكون مصدر التيار الذي يغذي هذا الملف النحاسي هو الشعاع الكهرومغناطيسي المرسل من محطة الإرسال ويحمل خصائص الصورة وعندما يستطدم بالهوائي (antenna) يتحول إلى إشارة كهربية تغذي الملف النحاسي. و المجموعة الثانية تتحكم بمساره الرأسي وهي إشارة كهربية على شكل سن المنشار ويتحكم بها دائرة الكترونية في جهاز التلفزيون.

التلفزيون الأبيض و الأسود
في التلفزيون الأبيض و الأسود تطلى الشاشة عند نهاية أنبوبة أشعة المهبط بفسفور أبيض حيث يرسم شعاع الالكترونات الصورة المطلوبة بتحركه ماسحا الشاشة في خطوط حيث يقطع الشعاع الشاشة في خط مستقيم من اليسار لليمين ثم ينتقل بسرعة لليسار مرة أخرىليرسم خطا جديدا من اليسار لليمين ولكن أسفل الخط السابق قليلا وهكذا إلى أن يمسح الشاشة كلها كما هو واضح بالشكل. الخطوط الزرقاء تمثل الخطوط التي يرسمها الشعاع على الشاشة من اليسار لليمين بينما الخطوط الحمراء المتقطعة تمثل الشعاع عندما يعود مسرعا لليسار مرة أخرى horizontal retrace. عندما يصل الشعاع للزاوية اليمنى أسفلالشاشة يتحرك من جديد للزاوية اليسرى في الأعلى كما الخط الأـخضر vertical retrace. عندما يتحرك الشعاع راسما من اليسار لليمين يكون مشتعلا ولكن حين يتحرك عائدالليسار يكون مطفأ بحيث لا يترك أثر على الشاشة.
عندما يتحرك الشعاع من اليسارإلى اليمين تتغير شدته تبعا للصورة التي يرسمها بحيث تنتج عنه حين يسقط على الشاشةنقاط متباينة من الأسود للأبيض مرورا بالرمادي ولأن هذه النقاط صغيرة ومتقاربةجدا يقوم الدماغ بتجميعها ليكون منها صورة كاملة. غالبا ما تحتوي شاشة التلفزيونعلى 480 خط من الأعلى للأسفل.
التلفزيونات العادية تستخدم تقنية تسمى interlacing لمسح الشاشة حيث يمسح شعاع الالكترونات الشاشة 60 مرة في الثانية ولكنه يمر فقط بنصف الخطوط في كل مرة فمثلا يقطع الخطوط الفردية من أعلى الشاشة لأسفلها إلى أن ينتهي يعود للأعلى ليمر بالخطوط الزوجية و بالتالي فان كل خط يرسم 30 مرة كل ثانية.
التقنية البديلة لذلك هي progressive scanning و فيها يرسم كلخط من خطوط الشاشة 60 مرة في الثانية و هي الأكثر استخداما في شاشات الكمبيوترلأنها تقلل الاضطراب.
عندما تبث محطة الإرسال إشارة تلفزيونية لجهازك أو عندماتعرض فيلم من شريط فيديو فلابد للإشارة أن تشبك بالدوائر الالكترونية التي تتحكمبشعاع الالكترونات حتى يستطيع إن يرسم على الشاشة بدقة الصور التي تأتي من محطةالإرسال أو جهاز الفيديو. وهذا يعني أن الإشارة التي تصل لتلفزيونك لابد أن تحتوي على ثلاث أجزاء مختلفة:
Intensity information معلومات تتحكم بشدة شعاعالالكترونات إثناء رسمه للخطوط عبر الشاشة من اليسار لليمين.
horizontal-retrace signal وهي التي تحدد الزمن الذي يجب عنده أن يعود الشعاعلليسار من جديد عند نهاية كل خط.
vertical-retrace signal وهي إشارات ترسل 60 مرة في الثانية لتحرك الشعاع من الزاوية السفلية اليمنى للزاوية العلويةاليسرى.

الإشارة التي تحتوي على هذه المعلومات الثلاث تسمى composite video signal وهي كما بالشكل حيث تكون horizontal-retrace signal عبارة عن ومضات مدتها 5 ميكرثانية بفرق جهد مقداره صفر حيث تلتقطها الالكترونيات داخل التلفزيون وتستخدما للتحكم في حركة شعاع الالكترونات إثناء عودته عند نهاية كل خط. بينما الإشارة الأصلية التي تتحكم بشدة شعاع الالكترونات إثناء رسمه لكل خط هي عبارة عن موجات تتغير ما بين 0.5 فولت إلى 2 فولت حيث يمثل 0.5 فولت اللون الأسود بينما 2 فولت تمثل اللون الأبيض. vertical-retrace signal هي ومضات مشابهة لتلك التي تتحكم بالمسار الأفقي و لكن مدتها تكون ما بين إلى 400 إلى 500 ميكروثانية.

التلفزيون الملون
تختلف شاشة التلفزيون الملون عن شاشة التلفزيون الأبيض والأسود في ثلاث أشياء هي على النحو التالي:
(1) بدلا من شعاع الالكترونات الواحد يوجد ثلاث أشعة تقطع الشاشةفي آن واحد و هي الشعاع الأحمر والأخضر والأزرق. وهي الألوان الأساسية والتي تختصر بـ RGB
(2) الشاشة ليست مطلية بطبقةواحدة من الفسفور و إنما مغطاة بقطاعات أو نقاط من الألوان الأحمر و الأزرق و الأخضر كما في الشكل.
(3) في داخل الأنبوب و قريبا جدا من الطلاء الفسفوري توجد شاشة معدنيةرقيقة تسمى قناع الظل shadow mask بها فتحات صغيرة جدا متناسقة مع النقاطالفوسفورية على الشاشة. الشكل المرسوم يوضح فكرة عمل shadow maskعندما يريدالتلفزيون إظهار اللون الأحمر فانه يوجه الشعاع الأحمر إلى النقاط الفسفورية الحمراء و كذلك يفعل في حالة اللون الأخضر أو الأزرق. اللون الأبيض ينتج عن توجيه الأشعة الحمراء و الزرقاء و الخضراء إلى النقاط الفسفورية المقابلة في وقت واحدبينما اللون الأسود ينتج من حجب الأشعة بكل ألوانها عن الوصول للشاشة .

تختلف الإشارة التلفزيونية الملونة عن تلك المرسلة للتلفزيون الأبيض و الأسود في أنها تحمل إشارة تشبع ضوئي الchrominance signal تنتج عن تحميل موجةجيبية ترددها 3.579545 ميجاهيرتز على إشارة التلفزيون الأبيض و الأسود الأصلية. هناتضاف ثمان دورات من هذه الموجة مباشرة بعد الإشارة الخاصة بتزامن المسح الأفقي والعمودي لشعاع الالكترونات و تكون هي مصدر اللون في الإشارة التلفزيونية حيث عندنهاية الدورة الثامنة تحدد اللون بمعرفة طور الموجة بينما درجة اللون تتحدد من شدة الموجة. الجدول التالي يوضح العلاقة بين اللون و الطور.

بينما يتخلص التلفزيون الأبيض و الأسود من هذه الإشارة فان التلفزيون الملون يلتقطها و يفك شيفرتها و يضيفها إلى الإشارة الأصلية المشتركة بينه و بين التلفزيون الأبيض و الأسود و التي تتحكم بشدة شعاع الالكترونات.
مصادر الإشارة التلفزيونية
الآن بعد أن تعرفت على تركيب التلفزيون و عرفت مما تتكون الإشارة التلفزيونية نكون قد وصلنا للجزء الأخير و الذي سنتحدث فيه فقط عن الطرق المختلفة التي تصل بها الإشارة التلفزيونية إلى جهازك و التي غالبا ما تعرفها و هي :
الهوائي العادي أو ما يعرف باسم الانتينا و الذي يستقبل البث التلفزيوني من المحطات التقليدية.
عرض النطاق للإشارة التلفزيونية التي تحدثناعنها هو 4ميجاهرتز مع إضافة إشارة الصوت و ما قد يلزم تصبح 6ميجاهرتز. فمثلا FCC تخصص ثلاث فرق من الترددات في طيف الراديو عرض كل منها 6ميجاهرتز لكي تلائم قنواتالتلفزيون. فترسل الإشارة التلفزيونية إلى بيتك عبر إي قناة حيث تكون محمولة على موجة راديو يتم تحوير سعتها amplitude modulation لكي تحمل الإشارة المرئية بينما تحمل موجة أخرى يحدث لها تعديل في التردد frequency modulation الإشارة الصوتية. فلو كان هناك احد البرامج يبث على احد القنوات فان جهازك حين يضبط على هذه القناةسيقوم باستخلاص الموجة المرئية و المسموعة من على الموجة الحاملة.
جهاز الفيديو
هذا في حالةاستقبال الإشارة من خلال محطة بث عادية لكن لو كنت ستشاهد البرنامج عن شريط فيديو فان جهاز الفيديو يحتوي على دائرة الكترونية تقوم بتحويل الإشارات الخاصة بالصورة و الصوت المحفوظة على الشريط إلى إشارات مماثلة لتلك التي ترسلها محطات الإرسال و لكنها فقط تكون مناسبة لواحد من قنوات التلفزيون.
تلفزيون الكوابل و تصل إليه إشارات تلفزيونيةعن طريق الكوابل إلى set-top-box ليفك شيفرتها و تذهب إلى مدخل الانتينا التقليدي بعد ذلك.
في تلفزيون الكوابل يكون هناكعدد كبير جدا من القنوات التي تنتقل إشاراتها عبر الكابل إلى بيتك و لكن الشاراتتكون مشفرة بحيث تحتاج إلى ما يسمى set-top-box ليفك شيفرتها ويحولها إلى إشارةتلفزيونية عادية ثم تدخل إلى جهاز تلفزيونك من خلال مدخل الهوائي العادي إلى إحدىالقنوات فقط.
Large satellite dish antennaوهي الأطباق التي تعتمد على الأقمارالصناعية و قد يصل قطرها ما بين 6-12 قدم.
في الأطباق لكبيرة المعتمدة على الأقمار الصناعية فانك في البداية توجه الطبق إلى احد الأقمار الصناعية ثم تختار احد القنوات التي يبثها ثم يقوم set-top-box باستقبال الإشارة و يفك شيفرتها و يحولهه لإشارة تلفزيونية عاديةتستقبلها احد محطات تلفزيونك.
Small satellite dish antennaوهيذات قطر صغير ما بين 1-2قدم
في حالة الأطباق الصغيرة فان الإشارات التلفزيونيةتشفر و تحول إلى ملفات MPEG-2 ترسل إلى الأرض حيث يقوم set-top-box بجهد كبير لفك شيفرتها و تحويلها إلى إشارة تلفزيونية يدركها جهازك.
ربما تكون الآن قد شعرتبالملل فمشاهدة ذلك الجهاز الجميل و متابعة برامجه المسلية لم تكن بحاجة لكل هذا الجهد لفهم كيف يعمل فالنظر إلى القمر من بعيد و الاستمتاع بضوئه أكثر رومانسية من دراسة تربته و لكن أحيانا حين نفهم بعض الأشياء تعجبنا أكثر وربما نحبهاأكثر.