Grabación Magnética

Enviado por juliococco

INDICE:

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:

operando (recordando que la señal grabada era senoidal), tendremos:

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.

Alinealidades

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 . SLógicamente 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