Tema 1 "Introducción" de esta asignatura

Tema 1
Introducción
Índice General
1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2. Evolución histórica
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2.1. Grabación magnética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2.2. La cabeza en grabación / reproducción . . . . . . . . . . .
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1.3. Reproducción de señales grabadas magnéticamente . . . 11
1.1. INTRODUCCIÓN
Parecı́a lógico pensar que si el sonido, convertido en una señal eléctrica, habı́a podido grabarse utilizando como soporte una cinta cubierta por un material magnético,
igualmente se podrı́a realizar el registro de imágenes, utilizando el mismo soporte,
de forma parecida al método seguido en la grabación de las señales de audio.
Sin embargo, el mayor ancho de banda de la señal que se pretende grabar genera
ciertos inconvenientes que hacen que la grabación de la señal de vı́deo difiera de la
grabación de la señal de audio. Dichas particularidades se deben resolver añadiendo
al sistema de grabación ciertos mecanismos que resuelvan los inconvenientes que
surgen debido al mayor ancho de banda de la señal a grabar, y que dan lugar a que
la grabación de la señal de vı́deo, a pesar de compartir los mismos fundamentos que
la grabación de audio, posea ciertas caracterı́sticas especiales.
Posteriormente con el surgimiento de los sistemas ópticos de almacenamiento
de información, de gran capacidad, y las técnicas de digitalización y compresión de
imágenes, aparecen nuevos y más eficaces sistemas de almacenamiento de audio y
vı́deo. La información se almacena en un formato digital el cual permite una mayor
operatividad y versatilidad de los sistemas de reproducción y grabación.
1.2. EVOLUCIÓN HISTÓRICA
En este punto se pretende hacer una revisión rápida de los orı́genes y evolución
de las técnicas de grabación magnética, primero de audio y finalmente de vı́deo.
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INTRODUCCIÓN
• 1898: Waldemar Poulsen presentó una solicitud de patente para una máquina
que permitı́a la grabación magnética de señales eléctricas en un hilo de acero.
Posteriormente el mismo Poulsen aportó una mejora a su invento con la introducción de un premagnetización con corriente continua.
• 1921: Carlson y Carpenter desarrollaron el método de la premagnetización con
una corriente alterna gracias invento del triodo, que permitió la realización de
verdaderos amplificadores de corrientes eléctricas. La calidad de las grabaciones mejoró considerablemente.
• 1928: Fritz Pfleumer creó la primera cinta magnética, basada en el mismo
principio que en la actualidad: un fino polvo de óxido ferroso suspendido en
un pegamento se extiende en un soporte en forma de cinta (esta cinta fue en
principio de papel y posteriormente de plástico).
• 1935: La primera grabadora de audio basada en la utilización de una cinta
magnética de papel fue desarrollada por el fabricante alemán TELEFUNKEN.
• 1952: El sistema de Bing Crosby. Fue la primera máquina capaz de grabar
señales de vı́deo, utilizaba cabezas estacionarias y la señal de vı́deo estaba
subdividida en diez bandas de frecuencia. Cada una de las bandas se grababa
mediante 10 cabezas de vı́deo separadas, al igual que los impulsos de sincronización, que también se separaban y se grababan a parte con otra cabeza.
• 1953: El sistema RCA. Fue el primer sistema de grabación de la señal de vı́deo
en color. Utilizaba cabezas estacionarias y la señal se decodificaba primeramente en R, G, B, cuyas componentes de frecuencia desde 400 Hz hasta 1,5
MHz se grababan con tres cabezas separadas. Una cuarta cabeza se utilizaba para grabar el resto de componentes de la señal y otras dos cabezas se
encargaban de registrar sincronismos y sonido.
• 1956: El sistema Ampex. En 1956 Se presentó por primera vez la máquina de
çuádruplex.o de pistas transversales, que fue el primer sistema que introdujo
las cabezas rotatorias para la grabación de vı́deo, y la premodulación FM con
portadora baja de la señal a grabar con el fin de reducir el margen de frecuencias a un valor inferior al de 10 octavas, principios que todavı́a se utilizan en
las grabadoras magnéticas actuales.
1.2.1. GRABACIÓN MAGNÉTICA
Los fundamentos de la grabación magnética son los mismos para la señal de
audio que para la señal de vı́deo, como ya se ha mencionado.
La grabación se lleva a cabo sobre una cinta de material flexible sobre la que se
deposita un material magnético. Dicho material es excitado con un campo de forma
que cuando éste cesa, dicho material conserva cierta imantación remanente. Para
que una señal eléctrica quede registrada en forma de campo magnético remanente
hay que conseguir que dicha imantación remanente sea proporcional a la señal que
se desea grabar, de forma que volviendo a transformar el campo remanente en señal
eléctrica recuperemos la señal original.
1.3. REPRODUCCIÓN DE SEÑALES GRABADAS MAGNÉTICAMENTE
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1.2.2. LA CABEZA EN GRABACIÓN / REPRODUCCIÓN
Figura 1.1: La cabeza de grabación / reproducción
La cabeza de grabación/reproducción, cuyo diagrama simplificado podemos ver
en la figura 1.1, está formada por un material ferromagnético de alta permeabilidad. Dicho material se separa en dos piezas polares entre las que existe un espacio
vacı́o denominado entrehierro. Alrededor de la cabeza de material ferromagnético
se arrolla un bobinado, de forma que el flujo que éste genera al ser recorrido por
una corriente eléctrica es conducido a través del material ferromagnético debido a
su baja reluctancia, cerrándose el circuito magnético a través del espacio vacı́o o
entrehierro. Situando la cinta recubierta de un material magnetizable en dicho entrehierro, las lı́neas de campo magnético se cerrarán a través de ésta, orientando
las partı́culas magnéticas de la forma en la que el campo magnético las obliga. El
campo magnético será proporcional a la señal aplicada a la bobina, y por tanto el
flujo magnético también lo será al igual que el campo magnético remanente.
Por lo que se refiere a la recuperación de la señal grabada se utiliza la misma
cabeza que en grabación. Sin embargo ahora la cabeza es un elemento pasivo y
simplemente va recorriendo la cinta que se sitúa nuevamente en el entrehierro. El
campo remanente que quedó almacenado en la cinta produce un flujo magnético
que se conduce a través del material del que está formada la cabeza atravesando la
bobina. El flujo magnético que atraviesa la bobina se traduce en una diferencia de
potencial en bornes de la misma, recuperándose ası́ la señal que se habı́a grabado.
1.3. REPRODUCCIÓN DE SEÑALES GRABADAS
MAGNÉTICAMENTE
La reproducción de las señales grabadas magnéticamente posee ciertas caracterı́sticas que darán lugar a la imposibilidad de grabar señales de vı́deo de la misma
forma que se grababan las señales de audio.
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INTRODUCCIÓN
Para entender mejor el mecanismo que nos permite reconstruir la señal a partir del campo remanente en la cinta es necesario profundizar un poco más en los
conceptos que envuelven el mecanismo de grabación/lectura.
El estudio de dichos conceptos es fundamental para comprender las dificultades
que se van a plantear cuando se pretenda grabar señales de vı́deo sobre la cinta magnética, y para comprender también la forma en que se van a salvar dichas
dificultades.
Vamos a plantear la grabación de una pista longitudinal de anchura L, con una
cabeza que se desplaza a una velocidad v sobre la cinta, y que posee un entrehierro
de anchura d, tal y como puede verse en la figura 1.2).
y
y1
d
SOPORTE
P
X1
MATERIAL MAGNÉTICO
X1
L
X
d
Figura 1.2: Sistema de grabación
Donde:
• El sistema de coordenadas (x, y) es solidario con la cabeza de grabación reproducción.
• El sistema de coordenadas (x1 , y1 ) es solidario con la cinta. Por tanto ambos
sistemas se alejan uno del otro a una velocidad v.
• P, es un punto arbitrario sobre la cinta.
Cuando se grabó sobre la cinta una señal de frecuencia genérica ”f”, cada ciclo
de la señal ocupó sobre la cinta una longitud de:
λg = vT =
v
f
(1.1)
Al intentar reproducir una señal con la cabeza reproductora que aparece en la
figura 1.2, la imantación presente en cada punto P de dicha cinta será:
M = M0 cos
siendo:
2πx1
λg
(1.2)
1.3. REPRODUCCIÓN DE SEÑALES GRABADAS MAGNÉTICAMENTE
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• M0 , la amplitud de la imantación que quedó sobre la cinta tras grabar la señal
de frecuencia f.
• El origen de coordenadas se elige, por comodidad, en el punto donde la imantación
es máxima, y por tanto, x1 , será la distancia entre dicho origen y el punto
genérico P.
La cinta se desplaza a una velocidad v respecto de la cabeza, por tanto si cambiamos la expresión de (1.2) al sistema de coordenadas (x,y), la expresión de la
imantación quedarı́a:
2π
M = M0 cos (x − vt)
(1.3)
λg
Ya que:
x1 = x − vt
(1.4)
Es conocido que la diferencia de potencial inducida en la bobina es proporcional
a la derivada del flujo magnético que pasa por su interior respecto del tiempo.
e=−
dφ
dt
(1.5)
El flujo magnético generado por la franja de longitud L y anchura dx a la que
pertenece el punto P, será entonces:
dφ = M0 cos
2π
(x − vt)Ldx
λg
(1.6)
Para calcular el flujo que en cada momento atraviesa el bobinado simplemente
debemos sumar todas las contribuciones diferenciales que se sitúen dentro del entrehierro de la cabeza, es decir:
φ=
Z d/2
M0 cos
−d/2
2π
(x − vt)Ldx
λg
(1.7)
La expresión final para dicho flujo quedarı́a, tras resolver la integral de (1.7), y
operando con el resultado:
Ã
2πvt
πd
LM0 λg
cos
sen
φ=
π
λg
λg
!
(1.8)
Recuperando la expresión de la tensión en función del flujo magnético, que
aparecı́a en (1.5) y sustituyendo el valor de λg , tal y como se indica en (1.1), la
tensión final inducida será:
V = −N
dφ
πdf
= 2N LM0 v sen
sen 2πf t
dt
v
(1.9)
Se puede observar que la amplitud de la señal recuperada depende de la frecuencia
de la señal grabada. La representación gráfica de dicha dependencia se puede ver en
la figura 1.3.
En la figura 1.3, se puede observar que en un primer momento la amplitud de la
señal recuperada crece con la frecuencia aproximadamente a razón de 6 dB/oct. Este
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INTRODUCCIÓN
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AMPLITUD EN DB’s
35
30
25
20
15
10
5
0
−5
−10
0.001
0.01
0.1
1
2 3 45
df/v
Figura 1.3: Función de transferencia global del proceso de grabación / reproducción
sobre cinta magnética
comportamiento se puede explicar cualitativamente. Puesto que la tensión inducida
en bornes de la bobina es directamente proporcional a la derivada del flujo magnético
que la atraviesa, cuando más rápido varı́e la señal grabada, es decir, cuanto mayor
sea su frecuencia, mayor será la amplitud de la tensión que se obtendrá en la bobina.
También se puede apreciar que a partir de cierto punto la amplitud de la tensión inducida decrece, llegando a anularse para ciertos valores de frecuencia. Este
fenómeno también se puede explicar cualitativamente. La señal recuperada será nula
cuando su frecuencia de lugar a una longitud de onda en la cinta, λg , tal que ésta sea
igual a la anchura del entrehierro, d. Si esto sucede la variación de flujo será nula,
puesto que en todo momento hay un periodo completo de la señal en el entrehierro,
y por tanto la tensión inducida será nula, tal y como puede observarse en la figura
1.3.
Interesa, además, que las componentes frecuenciales de la señal que se graba se
sitúen en la zona lineal (6 dB/oct) de forma que la variación en función de la frecuencia no presente nulos o zonas de muy baja atenuación, es decir, no interesará en
ningún caso superar la primera frecuencia que proporciona un máximo en la gráfica
de la figura 1.3. La frecuencia a la que se produce dicho máximo es:
Ã
πdf
sen
v
!
=1 ⇒ f =
v
2d
(1.10)
Como ya se puede adivinar, el hecho de que la amplitud de la señal recuperada
dependa de la frecuencia no es deseable. Se desea que la señal recuperada sea la
misma que se grabó, y por tanto la variación con la frecuencia de la amplitud debe
ser corregida. Para ello debe aplicarse, bien durante el proceso de grabación, bien
durante el proceso de reproducción, las correcciones correspondientes para que el
proceso completo de grabación/reproducción no distorsione la señal en amplitud.
Dicha corrección no será posible en todo el margen de frecuencias, pudiéndose llevar
1.3. REPRODUCCIÓN DE SEÑALES GRABADAS MAGNÉTICAMENTE
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a cabo en un margen de aproximadamente 10 octavas. Es decir, únicamente se
podrá grabar una señal que ocupe un ancho de banda inferior, o como mucho igual a
10 octavas, si se quiere salvar eficazmente los problemas derivados de la dependencia
de la amplitud de la señal recuperada con la frecuencia de la señal grabada.
En resumen:
• La frecuencia máxima que se puede grabar depende de la velocidad relativa
cabeza/pista y la anchura del entrehierro, siendo su valor el que aparece en
(1.10). Serán necesarios, en caso de querer grabar señales con componentes
frecuenciales elevadas, velocidades relativas cabeza/pista elevadas y anchuras
de entrehierro pequeñas.
• El ancho de banda de la señal que se quiere grabar no ha de exceder en ningún
caso de 10 octavas