Fundamentos de la grabación magnética de la señal de vídeo

Tema 2 Fundamentos de la grabación magnética de la señal de vídeo Índice General 2.1. Problemática.......................... 17 2.2. La premodulación de la señal de vídeo........... 18 2.2.1. Elección del tipo de modulación.............. 18 2.2.2. Ancho de banda ocupado por una modulación FM.... 19 2.2.3. Bandas laterales plegadas y bandas laterales de segundo armónico........................... 20 2.2.4. Selección de la frecuencia portadora y de la desviación.. 22 2.1. PROBLEMÁTICA DE LA GRABACIÓN MAGNÉTICA DE LA SEÑAL DE VÍDEO La señal de vídeo posee un gran ancho de banda, mucho mayor que la señal de audio. Esto va a impedir que el sistema de grabación utilizado para grabar señales de audio se pueda utilizar, tal cual, para grabar señales de vídeo. En el tema anterior ya se adelantaba que no se va a poder grabar sobre una cinta magnética, una señal cuyo ancho de banda supere las 10 octavas. Para el caso de la señal de audio se cumple dicho criterio, ya que si se considera que ésta ocupa la banda de 20 a 20.000 Hz el número de octavas que cubre es: 20 2 n = 20000 n = log 2 20000 20 = 9, 97 octavas (2.1) Sin embargo, la señal de vídeo, que se extiende de 25 Hz a 5 MHz, excede dicho ancho de banda, tal y como podemos ver en (2.2): 25 2 n = 5 10 6 5 10 6 n = log 2 = 17, 61 octavas (2.2) 25

18 GRABACIÓN MAGNÉTICA DE LA SEÑAL DE VÍDEO Se puede considerar además que el ancho de banda de la señal de vídeo se extiende a partir de la componente continua, con lo que el número de octavas ocupado sería infinito. Sin embargo, este problema se puede salvar, ya que el ancho de banda en octavas es relativo, y su valor real depende de la banda en la que se sitúe la señal. Para que la señal que se tiene que grabar ocupe un número menor de octavas hay que desplazar su espectro a frecuencias más elevadas, es decir, es absolutamente necesario modular la señal de vídeo para poder registrarla en una cinta magnética. Como ejemplo práctico se puede considerar la señal de vídeo modulada en amplitud y trasladada a una frecuencia central de 10 MHz, con lo que la banda de la señal de vídeo ocuparía de 5 a 15 MHz. El número de octavas ocupado por dicha señal en esa banda sería: 5 2 n = 15 n = log 2 15 5 = 1, 59 octavas (2.3) Dicho valor está muy por debajo del límite de 10 octavas y es, por tanto, aceptable. Sin embargo, se ha incrementado inevitablemente el valor de la frecuencia máxima que se tiene que grabar, con lo que será necesario un mayor valor de la velocidad relativa cabeza/cinta y entrehierros más estrechos. Como ejemplo se supondrá que se pretende grabar una señal como la anterior (5-15 MHz) con una cabeza con un entrehierro de 0.3 µm (igual que la cabeza de VHS). La velocidad relativa cabeza/pista mínima necesaria será: v = 2df = 2(0,3 10 6 )(15 10 6 ) = 9 m/s (2.4) Dicha velocidad supone que se necesitarán 540 m de cinta para grabar sólo 1 minuto de imágenes, utilizando, como en audio, grabación en una única pista longitudinal. Ya se puede intuir que es completamente inviable un sistema de este estilo, pues las longitudes de cinta requeridas lo hacen completamente inoperante. Las diferentes soluciones adoptadas para conseguir velocidades relativas cabeza/cinta suficientemente elevadas utilizando, a la vez, cintas de longitud aceptable, se verán en los siguientes puntos del tema y de temas posteriores. 2.2. LA PREMODULACIÓN DE LA SEÑAL DE VÍDEO 2.2.1. ELECCIÓN DEL TIPO DE MODULACIÓN Como ya se ha visto en el punto anterior, es necesario modular la señal de vídeo antes de grabar para conseguir que ésta ocupe un ancho de banda inferior a 10 octavas. Esto es así porque en caso de ser dicho ancho de banda mayor, la señal no podría ser recuperada adecuadamente por no poder corregir las distorsiones que el proceso produce en la amplitud de la señal grabada en función de su frecuencia. Existen dos posibles modulaciones que se pueden aplicar a la señal de vídeo antes de ser grabada sobre la cinta, se puede modular en amplitud y se puede modular en frecuencia.

2.2. LA PREMODULACIÓN DE LA SEÑAL DE VÍDEO 19 Figura 2.1: Aspecto de una señal modulada FM Figura 2.2: Aspecto de una señal modulada AM La modulación en frecuencia presenta algunas ventajas sobre la modulación en amplitud, y es el sistema que finalmente se utiliza en todos los sistemas de videograbación: Puesto que la información de la señal no se encuentra en su amplitud, sino en su frecuencia, posibles errores de posicionamiento de las cabezas no se traducen en errores de información almacenada. En el caso de haber utilizado una modulación en amplitud, un error de posicionamiento se traduciría en la captación de una señal de menor potencia (y, por consiguiente de menor amplitud de la que realmente correspondería). Al estar la información en la amplitud de la señal recuperada, al demodular dicha señal el error de posicionamiento se traduciría en un error en la imagen. La modulación FM proporciona mejores S/N que la modulación AM. La amplitud constante de la señal grabada permite implementar sistemas de seguimiento de pista automáticos. 2.2.2. ANCHO DE BANDA OCUPADO POR UNA MODULACIÓN FM Finalmente se escogió la modulación FM para elevar en frecuencia la señal de vídeo antes de grabar, debido a las ventajas que presenta respecto a la modulación

20 GRABACIÓN MAGNÉTICA DE LA SEÑAL DE VÍDEO AM. La modulación FM consiste en variar la frecuencia de un tono puro, que se denomina portadora, en función del valor de una señal, que contiene la información que se desea transmitir, que se denomina moduladora. La calidad final del sistema viene determinada por las frecuencias utilizadas así como por las desviaciones producidas respecto a éstas. Por ejemplo, en los sistemas domésticos, en los que la calidad ya viene limitada debido a que no deben superar ciertos costes, se utilizan desviaciones instantáneas de frecuencia del orden de 1MHz. En los sistemas semiprofesionales, en los que la calidad requerida es algo mayor, se suelen utilizar desviaciones instantáneas del orden de 2MHz. Por último, en los sistemas profesionales, los de mayor calidad, las desviaciones instantáneas de frecuencia pueden alcanzar valores de hasta 3MHz. En la tabla 2.1 se pueden ver valores concretos de desviaciones instantáneas de frecuencia, para algunos sistemas reales domésticos y semiprofesionales. SISTEMA FREC. INST. MÍN. FREC. INST. MÁX. VHS 3 8 MHz 4 8 MHz U-MATIC 3 8 MHz 5 4 MHz BETACAM 4 4 MHz 6 4 MHz Tabla 2.1: Desviación instantánea en frecuencia para algunos sistemas domésticos y semiprofesionales No hay que confundir, en ningún momento, la desviación instantánea de frecuencia con el ancho de banda real ocupado por la señal FM. El ancho de banda ocupado por una señal FM es, en realidad, infinito, si bien la mayor parte de la energía se concentra en una zona reducida del espectro alrededor de la frecuencia portadora. Una aproximación al ancho de banda ocupado por la mayor parte de la energía la proporciona la regla de Carson, (2.5). donde: B(w) = 2W (D + 1) (2.5) W, es el ancho de banda original de la señal moduladora. D, es el índice de modulación que se define como el cociente entre la desviación de frecuencia instantánea máxima y el ancho de banda de la señal moduladora. D = f i W (2.6) 2.2.3. BANDAS LATERALES PLEGADAS Y BANDAS LATERALES DE SEGUNDO ARMÓNICO La modulación FM presenta algunos problemas que se deben tener en cuenta si se pretende que la modulación no degrade en exceso la calidad de la señal. Dichos problemas se derivan del hecho de que el espectro de una señal FM es infinito y de que la modulación no se eleva a frecuencias muy altas, ya que la banda destino está muy próxima a banda base.

2.2. LA PREMODULACIÓN DE LA SEÑAL DE VÍDEO 21 BANDAS LATERALES PLEGADAS Tal y como se ha comentado, las bandas en una modulación de frecuencia se extienden indefinidamente alrededor de la portadora, aunque la mayor parte de la energía quede confinada en una región reducida del espectro. En la premodulación que se realiza con la señal de vídeo antes de grabar, la frecuencia portadora es baja, debido a que también aparece una restricción importante por lo que se refiere a la frecuencia más elevada que se puede grabar. Esto puede dar lugar a que la distancia a la frecuencia cero sea menor que la anchura de la banda lateral inferior significativa, lo que produciría un plegamiento sobre la frecuencia cero, de forma que las frecuencias negativas aparecerían en la parte positiva del eje de frecuencias provocando una interferencia. Si la segunda componente de la banda lateral no es muy importante la señal interferente tampoco lo será, pero puede producir molestias si cae en zonas del espectro en las que pueda perjudicar. De esto se deduce que, aunque podamos prescindir de la segunda componente en la banda lateral a efectos de señal su efecto se deja sentir de la forma comentada, por lo que es conveniente desplazar la portadora a zonas más altas, para que las interferencias sean producidas por armónicos más altos y, por tanto, de menor amplitud. Desplazando la portadora un cierto valor hacia arriba, la interferencia se aleja de ella dos veces ese mismo valor. Sin embargo, no se puede situar la portadora en una frecuencia de un valor tan grande como se quiera para que la banda interferente, al ser de un orden muy elevado, produzca una interferencia sin importancia. Esto es así porque, además, existen limitaciones en otros terrenos, lo que obliga a que no se eleve demasiado la frecuencia de la portadora. f 0 f 0 - f m f 0 + f m f 0-2f m f 0-3f m Figura 2.3: Plegamiento sobre el origen de frecuencias de una modulación FM En comunicaciones FM el efecto descrito en este apartado es despreciable. Esto es así porque la frecuencia portadora es muy elevada en comparación con el ancho de banda de la señal moduladora. Los armónicos interferentes serán, por tanto, de un orden altísimo y su potencia prácticamente nula.

22 GRABACIÓN MAGNÉTICA DE LA SEÑAL DE VÍDEO BANDAS LATERALES DEL SEGUNDO ARMÓNICO Si la portadora no es pura, sino que contiene un segundo armónico, también se modulará con éste toda la señal. Es por ello que la banda lateral inferior de la modulación con este armónico de orden superior puede llegar a interferir la modulación con la frecuencia fundamental de la portadora, tal y como se puede ver en la figura 2.4. f 0 f 0 - f m 2f 0 - f m f 0 + f m 2f 0 Figura 2.4: Interferencia por presencia de un segundo armónico en la portadora También afectarán, aunque en menor grado, las bandas laterales correspondientes a armónicos de orden superior (tercer armónico y superiores). En comunicaciones FM este efecto no es importante, ya que el valor de la portadora es muy grande. Esto da lugar a que el segundo armónico esté muy alejado en frecuencia. Sin embargo, en grabación de vídeo hay que cuidar los circuitos moduladores para evitar que se produzcan armónicos de la portadora que provoquen efectos indeseables, ya que, debido a que la frecuencia de la portadora no puede ser muy elevada, el segundo armónico estaría relativamente próximo a la frecuencia portadora deseada. 2.2.4. SELECCIÓN DE LA FRECUENCIA PORTADORA Y DE LA DESVIACIÓN A cada nivel característico de la señal de vídeo (fondo de sincronismo, nivel de borrado, nivel de blanco, etc.) le corresponde un valor concreto de frecuencia instantánea de la señal modulada FM, tal y como se puede ver en la figura 2.5. Para cada uno de los niveles: fondo de sincronismo, nivel de negro y nivel de blanco, se define un punto concreto de la curva de modulación. La selección de estas frecuencias características está determinada por varias exigencias específicas: La frecuencia límite superior de la cabeza magnética. La resolución de la cinta magnética. Las características del filtro paso bajo en la salida del demodulador.

2.2. LA PREMODULACIÓN DE LA SEÑAL DE VÍDEO 23 f (MHz) 9.3 Nivel de blanco 7.8 7.16 Nivel de negro Fondo desincr. Figura 2.5: Valores instantáneos de frecuencia para el formato cuádruples de banda alta Sistema SISTEMAS BANDA BAJA SISTEMAS BANDA ALTA SISTEMAS BANDA SUPERALTA Banda utilizada De 5 a 6.8 MHz De 7.16 a 9.3 MHz De 11 a 12.2 MHz Tabla 2.2: Clasificación de los sistemas de videograbación en función de la banda utilizada en grabación En los formatos profesionales las desviaciones instantáneas adoptadas para cada uno de los sistemas permiten realizar la clasificación indicada en la tabla 2.2. Las primeras grabadoras de vídeo se construyeron para registrar vídeo en blanco y negro. Entonces la tecnología situaba como frecuencia límite superior para las cabezas de vídeo 7.2 MHz. Ello llevó a que las frecuencias características se fijaran en 4.95 MHz para el fondo de sincronismo, 5,5 MHz para el nivel de negros y 6.8 MHz para el nivel de blanco máximo. Esta distribución de frecuencias características dio lugar a lo que hoy se conoce como sistemas de baja banda. La introducción de la televisión en color obligó a adoptar nuevas soluciones. La televisión en color sitúa la croma en las frecuencias superiores de la señal de vídeo compuesto. La ráfaga de subportadora de color posee un contenido energético importante y dará lugar a bandas de orden superior, también importantes que darán lugar a una interferencia sobre la señal modulada al replegarse sobre la frecuencia cero. Dicha interferencia será mucho más importante que en el caso de una imagen en blanco y negro, por haber sustituido las frecuencias altas de la luminancia por la información del color, mucho más energética. La única forma de evitar este problema es llevando la modulación en frecuencia a una portadora más elevada. Afortunadamente los avances en el campo de las cabezas de vídeo habían conseguido componentes capaces de tratar frecuencias de hasta 10 MHz. Se seleccionó, pues, un nuevo juego de frecuencias para grabar las señales de vídeo en color, dando lugar a los sistemas de banda alta. Nuevas mejoras en el campo de las cabezas permitieron, posteriormente, grabar frecuencias todavía más elevadas, dando lugar a los nuevos sistemas de banda

24 GRABACIÓN MAGNÉTICA DE LA SEÑAL DE VÍDEO superalta.