INDICE:
- Principios
Generales - Relación velocidad de cinta
(Vc) respecto del ancho de entrehierro (d) - Alinealidades
- Soluciones para la
grabación de una señal de
video
En la actualidad la grabación magnética no
tiene mayores secretos, pero no se puede olvidar que se debieron
superar importantes escollos, donde quedó demostrado el
ingenio y la creatividad de
los especialistas de la época. En esta parte se pretende
manifestar eléctrica, física y
matemáticamente los procesos de
grabación y reproducción, los inconvenientes que se
presentan y sus soluciones;
muy simples e ingeniosas por cierto.
En la figura se muestra
esquemáticamente el proceso de
grabación en una banda magnética y su posterior
reproducción. El cabezal consiste en una
herradura de material ferromagnético sobre la cual se
encuentra un arrollamiento que origina el flujo y sobre
él, también sobre el mismo se induce la
señal que se ha de reproducir. En el proceso de
grabación el cabezal imprime una huella o camino donde
ordena magnéticamente las partículas que sobre
él se encuentran; al camino así formado lo
denominaremos pista.
El flujo (t) que se origina en el circuito
magnético y que se imprime en la cinta por estar cerrando
el entrehierro (gap) es proporcional a la corriente i(t) que
circula por el bobinado de la cabeza grabadora. En general la
grabación se efectúa por medio de una fuente de
corriente proporcional a la señal de entrada, para evitar
los efectos de distorsión que provoca la inductancia del
bobinado. De este modo se asegura que el flujo en el entrehierro,
sea proporcional a la tensión de entrada en todas las
frecuencias.
i(t) = k Ve; (t) = K
i(t); luego: (t) = C Ve;
suponiendo una entrada armónica (senoidal), Ve
= Ve sen t;
resulta entonces: (t) = C Ve sen
t.
En resumen, el flujo en el entrehierro, que
magnetizará la cinta en movimiento,
seguirá sin modificaciones los valores
instantáneos de la señal de entrada.
En la reproducción las condiciones se modifican.
El campo
magnético que está grabado en la cinta, al
moverse esta última frente al entrehierro, produce en el
circuito magnético del cabezal un flujo variable
'(t) y este dará origen a una fuerza
electromotriz inducida en la bobina del cabezal que podemos
observar como Vs. Esta tensión podemos expresarla como
sigue:
Vs 
operando (recordando que la señal grabada era
senoidal), tendremos:
Vs 
Resultando Vs como el valor
máximo de la tensión de salida:
Vs = C
Ve
De modo que, en conclusión de esta última
ecuación, podemos decir que el valor de pico
de la señal de salida es proporcional a las pulsaciones
y en consecuencia a la frecuencia de la señal
grabada, dado que C y Ve son constantes. En este caso
se debe resaltar que la velocidad
relativa cinta cabezal tanto en grabación como en
reproducción debe ser la misma.
Podemos analizar la siguiente situación:
supongamos que la señal grabada es un barrido de
frecuencia de amplitud constante, donde f1 es la
frecuencia mínima y f2 la frecuencia
máxima, resultará entonces Vs1 la
tensión de salida para la frecuencia menor y
Vs2 la tensión de salida para la frecuencia
mayor, pero debido a la proporcionalidad expresada anteriormente,
encontraremos que estas se relacionan de la siguiente
manera:
de esta última expresión encontraremos que
si, f2 = 2 f1, vale decir que la frecuencia
máxima es el doble de la mínima (una octava mayor)
la diferencia de amplitudes será también el doble,
dicho en decibeles la diferencia resulta 6 dB. Ahora bien, si el
margen de frecuencias es 10 (diez), también la diferencia
de amplitudes será de 10 (diez) o lo que es lo mismo 20
dB. Ejemplo: si se tienen dos señales de 100 Hz y 200 Hz
respectivamente que originalmente tienen la misma amplitud, al
reproducir, la señal de mayor frecuencia tendrá el
doble de amplitud. Dentro de ciertos límites de
frecuencia esto no es preocupante, se recurre a procesos de
ecualización, es decir circuitos que
producen el efecto inverso, o sea, amplificar más las
frecuencia más bajas y menos las frecuencia mayores;
asunto resuelto.
Veamos ahora un ejemplo para televisión: si aceptamos un ancho de banda
reducido teniendo como límites o
extremos de frecuencias 50 Hz y 2,5 MHz, la relación de
frecuencias es de 50000 (suponiendo además que la
grabación fue realizada con amplitud constante), la
relación de tensiones de salida será la misma, es
decir, si la tensión de salida para 50 Hz es 1 mV, la
tensión de salida para 2,5 MHz será de 50 V. Estas
diferencias de tensiones entre los extremos de frecuencias nos
hace reflexionar sobre la posibilidad de una ecualización,
y, intuitivamente podemos decir que resulta casi impracticable y
que además tropezaríamos con otros inconvenientes,
como ser la relación señal-ruido.
Como conclusión de lo expresado en los
últimos párrafos, se puede decir que la
grabación y reproducción de frecuencias variables, y,
fundamentalmente si entre los extremos del ancho de banda existe
un amplio margen, presenta ciertas dificultades. Por
supuesto, éstas fueron resueltas con gran creatividad en
la época.
Relación
velocidad de
cinta [Vc] respecto del ancho de entrehierro
[d]
Otra dificultad que se presenta en la grabación
de frecuencias elevadas, es a causa de la relación
existente entre la velocidad de cinta [Vc] y el
ancho del entrehierro del cabezal [d] (gap).
Para esta parte del estudio, debemos hacer algunas
consideraciones previas:
La cinta esa formada por pequeñas
partículas que han de ser convertidas en imanes
(magnetizadas) durante la grabación Estas
partículas constituyen imanes de alta remanencia, es
decir, permanecen en el mismo estado,
mientras no actúen sobre las mismas campos
magnéticos que las obliguen a orientarse en forma
diferente. En esta etapa analizaremos el comportamiento
de una de estas partículas que han de ser convertidas en
imanes, para almacenar la información. La figura muestra distintas
situaciones, que relacionan el flujo magnetizante y el
desplazamiento de la partícula elemental en el espacio del
entrehierro. Para poder
continuar diremos también que la velocidad de cinta
[Vc] es constante y además la misma en
la grabación y reproducción. Este movimiento
debe ser lo más uniforme posible (controlado por medios
electrónicos); dado que toda diferencia de velocidad
será causa de deformaciones de la señal. Separemos
dos casos:
Frecuencias altas. Mientras la partícula
elemental recorre el entrehierro, ésta es magnetizada en
distintos sentidos o con polaridades opuestas, según el
semiciclo que se trate de la señal alterna que se pretende
grabar. Por estar considerando una frecuencia elevada, el
cambio de
orientación magnética producido por la señal
es más rápido que el tiempo empleado
por elemento de cinta, para salir de la zona de influencia del
flujo existente en el entrehierro.
Frecuencias bajas. Cuando se graba señales
de baja frecuencia, en el instante de ingreso de la
partícula en estudio, el flujo grabador, tiene un signo y
se mantiene hasta salir la partícula, cambiando de signo
cuando ésta ya ha abandonado la zona del entrehierro,
según se observa en la figura.
De este análisis cualitativo, se desprende,
según se ha expresado anteriormente, que las posibilidades
de grabar frecuencias elevadas, están relacionadas con el
ancho del entrehierro [d] y la velocidad relativa de
desplazamiento [Vc] respecto del cabezal. Una
reducción del entrehierro, un aumento de la velocidad de
cinta o ambas simultáneamente, harán que el
elemento magnetizado, salga de la zona de influencia del flujo
antes del cambio de
polaridad del campo creado por las señal (si cambia la
polaridad implica una desmagnetización o reducción
del magnetismo
almacenado por la partícula).
Es importante resaltar que al hablar de velocidad de
desplazamiento, siempre se referencia a la velocidad relativa
cinta-cabezal, dado que el proceso es el mismo ya sea que la
cinta se desplace frente a la cabeza grabadora (caso de audio), o
bien, que la cabeza se mueva respecto de la cinta
(videograbación).
El problema descrito anteriormente, no es más que
una introducción; grabar frecuencias elevadas
no es fácil. Para tener una idea más completa, es
necesario hacer un estudio más profundo del proceso de
grabación. Veamos la figura:
Si se toma una pequeña partícula, puede
aceptarse, que el nivel de magnetización que se acumula al
recorrer el entrehierro, es el valor medio de la
magnetización producida por el flujo variable que existe
en el mismo. Como ejemplos tenemos los caso representados en las
figuras.
En el primer caso, mientras la partícula recorre
el ancho del entrehierro, el flujo (t) originado por la
señal ha promediado un valor positivo, dado que la mayor
parte del tiempo, la
señal ha mantenido ese signo. Si se desea cuantificar el
valor deberemos integrar el flujo (t) entre el instante
de inicio de la magnetización (entrada de la
partícula al entrehierro) y la finalización (salida
de la partícula).
En el segundo caso, encontramos que el flujo ha
mantenido un sentido de magnetización durante el primer
semiciclo, pero, durante el segundo al cambiar la
orientación el resultado es una desmagnetización,
siendo cero el campo remanente al salir de la zona del
entrehierro.
En la tercer figura, el flujo cambia de signo tres veces
mientras el elemento de cinta recorre le gap, tenemos dos
semiciclos positivos que magnetizan la partícula y uno
solo negativo que desmagnetiza, con lo cual el valor promedio
será positivo.
De los tres casos representados se puede decir y aceptar
como la peor condición, el caso en que la partícula
elemental acumula energía magnética durante todo un
semiperíodo de la señal de grabación y sale
justo en el momento en que ésta cambia de signo, vale
decir, que el tiempo que lleva transponer el entrehierro a la
partícula es el mismo que un semiperiodo de la
señal de grabación (durante el positivo acumula
energía magnética, pero, en ningún momento
la pierde o cede). Esta situación la podemos ejemplificar
claramente si pretende grabar una onda cuadrada, al menos debemos
tener una partícula orientada en un sentido y otra
totalmente opuesta para definir completamente un alto y un bajo
respectivamente.
Teniendo en cuenta el proceso de grabación para
las distintas frecuencias, la curva de reproducción total
del sistema
será la que se observa, suponiendo una grabación a
corriente constante. Como se puede apreciar la
magnetización de la cinta cae en las frecuencias
múltiplos de la que se ha considerado como máxima,
es decir, donde a la partícula de cinta le toma un tiempo
igual al período de la señal o un múltiplo
de la mismo atravesar el entrehierro y salir de la zona de
acción del flujo magnetizante.
Para comprender mejor el tema es conveniente ver
algún ejemplo real. En audio, para la grabación en
casetes se utiliza como velocidad normalizada Vc =
4,75 cm/s; adoptemos a d = 3 m. Veamos ahora,
la velocidad de la partícula
[Vc]: según la física, movimiento
rectilíneo uniforme, la velocidad se puede escribir como
sigue:
Vc = e (espacio) / t
(tiempo)
De acuerdo a lo definido como condición
límite aceptable, debemos igualar: e = d; y, t =
T/2; recordando además que f = 1/T (donde f =
frecuencia y T = período de la señal). Reemplazando
en la expresión anterior y operando encontraremos
que:
Vc = 2.d.f
Despejando la frecuencia y reemplazando valores
tendremos que:
vale decir que para los valores
dados, la máxima frecuencia admisible de grabar
sería aproximadamente 8 KHz (valor hoy superado por
entrehierros menores y técnicas
electrónicas de compresión-expansión y
reducción de ruido como el
sistema
Dolby). Calculemos ahora cuál sería la
velocidad relativa cinta-cabezal necesaria para grabar una f =
4 MHz con un entrehierro d = 1 m:
Vc = 2.d.f = 2.
1.10-6[m]. 4.106[Hz]=8 [m/s]
Este valor resulta aproximadamente 170 veces mayor que
la velocidad utilizada en audio, con lo que si se pretende grabar
video, en
forma longitudinal, en un casete de audio de 30 minutos por lado,
solo se podría grabar unos 10,6 segundos (seguramente,
además, con algunos problemas de
traslado de cinta). Obviamente es un problema que se debió
superar con muy buen ingenio.
Como ya hemos dicho, cada partícula del material
magnético depositado en la cinta constituye un
imán. Estos imanes son de alta remanencia, por lo que
permanecen en el mismo estado
mientras no actúen sobre los mismos campos
magnéticos que lleven a sus moléculas a orientarse
en forma diferente. Sin embargo todo lo dicho no se cumple en
forma absoluta, sino con algunas limitaciones.
La curva de la figura es la bien conocida curva de
histéresis de los materiales
magnéticos. El trazo entre A y B corresponde a la
relación entre la excitación magnética o
intensidad de campo [H] que origina la bobina y la
imanación obtenida en el núcleo magnético,
cuando el material es virgen. Cabría mencionar que un
material totalmente virgen es difícil de encontrar por no
decir imposible, dado que al menos estuvo sometido al campo
terrestre.
La inducción crece al principio en forma lenta
para luego hacerlo en forma casi uniforme, hasta alcanzar un
punto en el que llega a la saturación. Esto es
consecuencia de que todas las partículas están
orientadas en la dirección impuesta por la
excitación.
Ahora si disminuye la corriente aplicada a la bobina,
comienza a disminuir la inducción, pero no lo hace recorriendo el
mismo camino trazado en el gráfico, por el contrario, todo
ocurre como si solo una parte de las moléculas volviesen
al desorden primitivo y otras quedan orientadas como si
aún actuara el campo de la bobina. Esto se hace mas
notorio donde la excitación magnética es cero, sin
embargo, la inducción conserva un valor [Br]
nada despreciable. Este efecto se denomina
REMANENCIA.
Es evidente que los materiales con
que se construyen los imanes permanentes son de alta remanencia,
el mismo concepto le caben
a los materiales depositados en los soportes que se utilizan en
las grabaciones de audio, video e
informáticas.
Volvamos a la curva de histéresis, especialmente
al tramo C – D, donde se ha invertido el sentido de la
corriente y por lo tanto de la intensidad de campo, logrando
así la disminución de la inducción, hasta
lograr finalmente anularla. Hemos vuelto a un núcleo
totalmente desimantado, pero para ello, nos vemos en la necesidad
de aplicar una corriente en sentido contrario al inicial. Este
punto o valor de excitación [Hc] se denomina
FUERZA COERCITIVA.
En el trazo D – E, se puede apreciar como se imana
el material pero en sentido contrario, nuevamente la
inducción crece hasta alcanzar el valor de
saturación, por las mismas causas anteriores. Solo que
ahora las moléculas se han orientado en sentido opuesto.
Continuando con la evolución de la corriente de
excitación, encontraremos el mismo efecto de remanencia
descripto anteriormente, pero, ahora en sentido opuesto, y,
seguramente si aumentamos ahora la corriente, lograremos un punto
donde se requiere una fuerza
coercitiva para anular el campo, tramos E – F y F –
G. El lazo se cierra con el tramo G – H, donde se obtiene
nuevamente la saturación en sentido positivo.
Como se puede observar, el camino que ha tomado la
última magnetización, es totalmente distinto al
inicial que correspondía al material virgen.
De este estudio surgen cuestiones importantes. El lazo
de histéresis es variable de acuerdo con el material. Si
se trata de un hierro dulce
ideal, sin remanencia – tal como convendría para una
inductancia con núcleo de hierro
(Cabezal de grabación-reproducción) o un
transformador en general – el lazo se transforma en una simple
curva en forma de "S". Por el contrario si se desea que el
material retenga la mayor remanencia posible, para obtener un
imán permanente, el lazo debe transformarse en un
rectángulo. Entre estos dos casos ideales se encuentran
todos los materiales.
Es sencillo dilucidar que los materiales empleados para
la construcción de cabezales deben encontrarse
entre los de remanencia nula, dado que si este fenómeno
ocurriera borraría lo previamente grabado. En la
actualidad se está utilizando un material llamado
PERMALLOY, para la construcción de cabezales de audio, cuya
característica tiene una forma muy
próxima a la "S" pero, una dureza capaz de soportar el
continuo desplazamiento de la cinta frente a él, sin mayor
desgaste.
En cuanto a los materiales usados para depositar sobre
las cintas deben ser de elevada remanencia de manera que este
magnetismo
remanente actúe en cierta medida como una memoria. Algunos
de los materiales empleados muy comunes son: Oxido de hierro
(FeO), dióxido férrico
(Fe2O3), etcétera.
Teniendo en cuenta que durante la grabación la
amplitud es variable, encontraremos dos posibles deformaciones,
una por amplitud y lógicamente saturación de los
materiales y otra propia de la forma del ciclo.
La primera encuentra en la práctica fácil
corrección, reduciendo la amplitud de la señal; no
así la propia del ciclo que requiere de un proceso o
tratamiento adicional que denominaremos
PRE-MAGNETIZACIÓN.
Para la explicación de este proceso usaremos la
forma más simple de ciclo de histéresis es decir el
que toma forma de "S".
En las figuras encontramos cual sería la forma
del flujo (t), dado que este es proporcional a la
inducción [B] por estar vinculados por la sección
del núcleo que podemos suponerla una constante.
[B .
SLógicamente la intensidad
de campo [H] es proporcional a la corriente que excita la bobina
por ser [H = N.I/l]. Donde "N" número de espiras de la
bobina, "I" la corriente que la circula y "l" la longitud del
circuito magnético. En un cabezal definido N y l se
encuentran especificados y permanecen constantes. La primera
figura manifiesta cual sería la forma si no se toma
ninguna precaución.
La primer solución fue sumar una componente de
continua, que desplaza la señal en el eje hacia la zona
lineal, de esta manera el flujo no tenía
distorsión. Este procedimiento se
denomina PRE-MAGNETIZACIÓN por componente
continua.
La solución utilizada actualmente es sumar una
radiofrecuencia (RF) a la información de audio. No se debe confundir
con una modulación, dado que este proceso implica
un producto de señales. La solución planeada
surge del análisis efectuado para la grabación
de altas frecuencias. Si el elemento básico de cinta
traspone el entrehierro en un tiempo equivalente a un
múltiplo de la frecuencia considerada como máxima,
la magnetización resultante es nula (auto borrado), pero,
si se aumenta notoriamente la frecuencia, la magnetización
recibida será dependiente del valor medio de los
períodos que tome de la señal. Ahora bien, si ese
valor medio es variable, en función de
la información según se muestra en la figura;
debido a la suma de la señal de audio más la
radiofrecuencia, la magnetización de la cinta será
función
del valor medio, que es ni más ni menos que la
señal que se pretende grabar. Esta técnica es lo
que se denomina PRE-MAGNETIZACIÓN o
PRE-POLARIZACIÓN por RF (radiofrecuencia). La ventaja de
esta metodología es que mejora notablemente la
relación señal-ruido. En audio, el valor de la
radiofrecuencia utilizada varía entre 45 y 75 KHz estos
valores son
adoptados para evitar batidos (mezcla de la señal de audio
con la RF), que producirían interferencias en forma de
silbidos molestos.
Comentarios: Habitualmente en un grabador de
audio se utiliza la misma señal para el cabezal de
borrado. El efecto del borrado consiste en orientar las
partículas en un único sentido. Algunos radio-grabadores
tienen un selector (llave exterior) con la denominación
"BEAT", que cambia la frecuencia del oscilador de
pre-magnetización cuando se nota el silbido en la
grabación directa desde la
radio.
Soluciones para la
grabación de una señal de video
La pre-magnetización permite grabar
señales con menos distorsión, más
rendimiento y mejor relación señal ruido. Hemos
tratado este sistema, muy ingenioso por cierto, que junto a una
ecualización adecuada permite compensar los problemas de
linealidad en audio. En la grabación de la señal de
video surgen otros problemas:
- No es practicable una ecualización por
intermedio de filtros de compensación. Todos los que
trabajan en TV color y
conocen la importancia del ancho de banda en la señal
de luminancia, que como es sabido abarca varias
décadas (aproximadamente, de 40 Hz a 4
MHz); - No se puede grabar frecuencia cero, es decir
continua, esto acarrea el problema de no poder
registrar el valor promedio del brillo de la
escena; - En cuanto a la pre-polarización; en audio,
es recomendable usar una RF aproximadamente cinco veces mayor
que la frecuencia máxima a grabar, si queremos hacer
lo mismo en video, tendríamos que adoptar valores de
unos 20 MHz (como mínimo); - Los cabezales, para lograr una buena respuesta en
altas frecuencias se deben construir con ferrite, este
material tiene una buena respuesta en alta frecuencia, pero
muy pobre en bajas - Se presentan además otras dificultades,
debido la complejidad de la señal de video
cromática compuesta, que dejaremos de lado en este
momento.
Por todo lo expuesto no es posible grabar video en forma
directa. La solución fue, grabar el video modulado
en frecuencia (en forma indirecta), con las consecuentes
ganancias.
- En primer lugar debíamos contar con un
oscilador para pre-polarización, ahora, a éste
oscilador se lo modula en frecuencia en forma muy simple,
conformando un VCO (oscilador controlado por
tensión). - El margen de frecuencias o desviación del
VCO, depende de la amplitud de la señal
modulante (información de video) y no de los valores
de frecuencia de ésta. - No es necesaria la pre-magnetización, en FM,
no tiene importancia la forma de la portadora, sí, sus
variaciones de frecuencia o período. - En FM, no tienen importancia las variaciones de
amplitud, no interesa que la transferencia sea
lineal. - A título de referencia, se utiliza
también esta señal de FM como
pre-polarización para grabar la señal de
color que
se graba en forma directa.
Como se menciona en uno de los ítem, la
desviación de frecuencia depende de la amplitud de la
señal de luminancia y los valores límites adoptados
para nuestra norma PAL N son: 3,4 MHz en el pico de sincronismo,
correspondiendo al ultranegro y, 4,4 MHz para los picos de
blanco.
Fácilmente podemos deducir que el valor promedio
de brillo corresponde a la frecuencia portadora sin
modular.
Volviendo al punto anterior, es importante saber que,
como en cualquier sistema de modulación
se originan bandas laterales, pero que podemos limitar en el
extremo inferior en 1,2 MHz y en el extremo superior en 6 MHz
mediante las trampas adecuadas. Si bien los límites,
matemáticamente se extenderían hasta el infinito
según la función de BESSEL que define la
señal modulada en frecuencia. Estos valores representan el
margen de frecuencias que se debe ecualizar y su relación
resulta 5 (cinco), mucho menor que la relación de
frecuencias entre límites de la señal de luminancia
que supera los 100000. Gráficamente podemos representar la
distribución de información en un
espectro, de la información a registrar, como se muestra
en la figura.
En cuanto al registro de la
señal de color, como se mencionó anteriormente, se
graba en forma directa. En primer lugar mediante los filtros
adecuados es separada la señal de color de la señal
de luminancia, los filtros no requieren características especiales dado que se
trata de espectros bien definidos y son equivalentes a los
utilizados en los televisores color para separar las mismas
informaciones; posteriormente se realiza un desplazamiento del
espectro (cambio de la frecuencia subportadora) desde los 3,58
MHz a 620 KHz (aproximadamente), pero, manteniendo sus
características originales es decir, una señal de
AM doble banda lateral (simétrica) con portadora
suprimida.
La nueva frecuencia esta centrada entre los 627 y 629
KHz, la frecuencia exacta depende del sistema y la Norma. Un
concepto
importante a tener en cuenta para la adopción
de ese valor es: todos los sistemas de
televisión
color utilizan los espacios entre múltiplos impares de la
mitad de la frecuencia horizontal para ubicar el espectro de la
señal de color lo que se denomina habitualmente
entrelazado de espectros.
Nota: en los equipos (VCR) no profesionales se
sacrifica algo de respuesta en frecuencia, tanto en la
señal de luminancia (Y) como en la señal se color,
esto forma parte de las limitaciones admisibles, de lo contrario,
se deberían adoptar soluciones mas
complejas. La respuesta en frecuencia de señal de
luminancia se limita a 2,5 MHz y la señal de color a 500
KHz. Disminuciones bien toleradas dentro de una buena calidad de
imagen.
Como culminación faltaría decir que en la
cinta se graban también:
- la señal de audio, en forma longitudinal en
la forma convencional (directa) tal cual lo efectúa
cualquier grabador de audio y, - una pista denominada de control
(control
track), que permite asegurar el seguimiento de las pistas
impresas, siendo ésta una de las informaciones
necesarias para el sistema electrónico de
control.
Resumen: En este documento se tratan los principios
generales de la grabación en soporte magnético de
audio y/o video. También se presentan las soluciones
adoptadas para compensar las alinealidades, los problemas de
velocidad relativa cinta cabezal y lograr una adecuada respuesta
en frecuencia.
Rubro: Tecnología, Electrónica, Telecomunicaciones.
Palabras claves: VCR, Videograbación,
Videograbadoras, VHS, Grabación.
Autor:
Ing. Cocco, Julio César