CURSO
PROFESIONAL
TÉCNICO DE
GENERADORES
DE SEÑAL II.
El disco compacto (Compact Disk) denominado CD por sus siglas es el formato óptimo más utilizado en la actualidad.
En éste capítulo veremos cómo funciona un equipo que es capaz de reproducir un disco compacto y cuál es el proceso que transforma una señal óptica en una señal eléctrica acústica.
El CD se utiliza además para almacenar información adicional como datos de ordenador entre otros sistemas.
Los CD utilizan la técnica digital para realizar la grabación y aunque se pueden grabar y almacenar un montón de datos, en éste capítulo vamos a hablar sobre el CD en torno al uso que se le va a dar respecto a la reproducción de sonido. La grabación y reproducción de contenido de CD se realiza mediante un
sistema óptico láser de acuerdo a las propiedades del láser si es reproductor o grabador. Además la grabación y reproducción se realiza mediante un sistema digital.
Un sistema digital es un dispositivo que trabaja convirtiendo los datos analógicos (séase las diferentes variaciones de señal eléctrica), en pulsos eléctricos de cierta forma (rectangular, triangular, cuadrada), y tiene en cuenta solo dos estados principales de alimentación alta o baja.
Por tanto un sistema digital convierte una señal analógica en una señal binaria y a la inversa.
DIGITALIZACIÓN.
El proceso de digitalización consiste en hace una codificación y transcodificación de un sistema analógico - digital.
Pero antes de entrar en el concepto de la conversión veremos unos puntos claves.
Señal analógica.
Es la representación continua de una magnitud física en función del tiempo. La señal de audio eléctrica que hemos visto hasta ahora es una señal alterna analógica.
Señal digital.
Es una secuencia de valores instantáneos medidos en intervalos de tiempos regulares, de una magnitud física representada en forma binaria (ceros y unos). Por medio de un código binario se describen la amplitud y la frecuencia de la señal.
La representación exacta está en que cuanto mayor sea la medida de éstos valores más exacta será la información que se posea de la señal digital.
Ahora que hemos establecido que es una señal analógica y digital podemos pasar a establecer el proceso de conversión analógico - digital.
Cuando se mide la amplitud de una señal analógica en intervalos de tiempo regularmente, se dice que la señal analógica se muestrea, obteniendo un valor instantáneo. Dicho valor se codifica y se almacena en memoria del dispositivo transductor. El número de muestras por segundo o mediciones instantáneas se denomina frecuencia de muestreo. A mayor frecuencia de rastreo, mayor exactitud en la transformación de señal analógica a digital, traduciéndose en una mayor calidad de reproducción.
Por otra parte, la memoria del sistema es finita y cada valor instantáneo se guarda en la memoria, por lo que cada dato (muestreo), ocupa cierta información en memoria.
De acuerdo al número de muestreos que almacene la memoria, el sistema será más productivo, y por tanto más caro.
Se ha establecido que para una conversión analógica - digital de un espectro de frecuencias, el número de muestreos debe ser al menos el doble de la frecuencia a convertir para que exista una calidad en la muestra digital.
Ten en cuenta que la señal analógica de audio trabaja a una frecuencia de 20 Hz. hasta los 20KHz. Por tanto la frecuencia de muestreo debe de ser
de 40KHz. (el doble que la máxima frecuencia). Se suele utilizar un margen de seguridad y se suele realizar muestreos de hasta 44,1 KHz.
Cada valor instantáneo de la onda analógica se cuantifica, es decir se convierte en números binarios. La transformación cuantificada se elige en base al
margen de error admitido al efectuar la conversión a valores digitales.
En un CD convencional, la cuantificación normalizada es de 16 bits, por lo que se pueden utilizar muestras de 216 -1, es decir se pueden obtener
hasta 65535 estados para cada muestra.
Los valores resultantes de la cuantificación, se convierten en una secuencia de palabras binarias, y grupos de unos y ceros.
En el CD se graba la señal digital siendo el valor cero el nivel normal y el valor 1 el nivel hundido.
Funcionamiento de un convertidor analógico al digital.
Hemos mencionado que la señal analógica se recorta en valores instantáneos que llamamos muestreos.
También hemos indicado que el ritmo a que se entrecorta, tiene una frecuencia que debe de ser el doble de la frecuencia más elevada que se va a producir. En audio es de 44,1KHz.
Los muestreos que se efectúan en los canales izquierdo y derecho son
independientes y luego se asocian ambos; cada canal utiliza 16 bits lo que da un flujo total de 65535 x 44,1KHz., es decir un total de 1411,2 millones de bits por segundo, que llegarán al multiplexor.
Como puedes ver en la imagen, cada canal amplifica la señal y después se la hace pasar por un filtro pasa bajo (filtro contra repeticiones), que limitará la señal a un ancho de banda a una frecuencia máxima de igual o menor frecuencia que la de muestreo de 44,1 KHz. En el siguiente módulo se muestrea la señal analógica tal como se ve en la imagen anterior.
Y una vez muestreada, se aplica al convertidor analógico - digital.
En cada muestra se detecta la amplitud de la señal, y el valor medio resultante se retiene durante un tiempo para su procesamiento digital.
Retención de señales en el convertidor digital.
En éste apartado vamos a ver como se realiza la retención de la muestra analógica antes de transformarse en digital.Supón el siguiente circuito:
Aprovechando las características de los condensadores de retener la carga eléctrica, se aplica una señal analógica a la entrada del circuito anterior.
supón el interruptor se abre y cierra al ritmo de los impulsos de muestreo de la siguiente manera:
Cuando se cierra el interruptor pasa la señal analógica y carga el condensador al valor instantáneo de la amplitud que esté presente en ese momento de la señal.
En el momento que se abre el interruptor, de acuerdo al valor presente en ese instante de la señal analógica, se descargará o cargará, adquiriendo un nuevo valor instantáneo que será el próximo pulso que cambie el estado del
interruptor.
este proceso se repite continuamente lo que permite analizar y convertir la señal analógica en una serie de impulsos de igual o diferente amplitud que la señal.
Ya tenemos el muestreo de la señal. Ten en cuenta que cuanto mayor es la frecuencia de muestreo, mayor será la fidelidad del sistema.
Ahora aplicamos la señal de impulsos al convertidor A /D (analógico - digital), que se va a ocupar de transformar la amplitud de cada señal de muestreo, al código binario.
La máxima señal que se puede producir se cuantifica, es decir, se divide en un número de niveles igual a los números de códigos disponibles. Esto implica que no siempre la amplitud de los pulsos de muestreo de la señal analógica va a coincidir con los niveles de los valores cuantificados. Por este motivo a la señal digital se le hace que quede el valor cuantificado más próximo a su amplitud. En la figura siguiente puedes ver la no coincidencia de las amplitudes máximas de la señal analógica con los niveles digitales. Las flechas indican hacia qué nivel digital se desplaza el máximo analógico.
La diferencia entre los dos niveles (códigos), el valor real y el cuantificado, da origen a un ruido llamado cuantificación.
Cuanto mayor es el número de códigos disponibles en esta función de cuantificado, y el tiempo entre los pulsos es más breve, el ruido será menor. Ahora el multiplexor recibe la información que proviene de los convertidores de los canales izquierdo y derecho; la información hasta ahora está muestreada y codificada a 16 bits.
Para realizar la grabación de audio en un disco de CD, la señal debe de estar en un surco del CD, por lo que la función de éste multiplexor es la de ordenar las señales sin que se produzca el batido de ambas, por lo que dejará pasar una señal de un canal en primer lugar y después la otra señal. Por tanto en multiplexor está trabajando a 32 bits por segundo (16 bit por segundo para cada canal). Las señales digitales pasarán por un codificador de error.
Éste codificador de errores se encarga de suministrar bits suplementarios de acuerdo a un código de corrección de errores, lo que requiere el empleo de un registro destinado a los bits de corrección.
Este código de corrección permite rectificar un pequeño defecto que puede llegar a 4000 bits (lo que representa 2,5 mm de la longitud de la pista del CD). También se suelen incluir bits destinado a una búsqueda automática para la parte musical, una vez que la señal sale del multiplexor. Mediante un visor especial podremos ver la información incluida en los bits como el título, autor, derechos, duración, etc. Para ello se insertan ocho nuevos bits que
corresponden a un tercer registro.
Por tanto el codificador de errores debe de estar formado por tres registros: el de audio, el de corrección de errores y el de visualización o información.
Ahora que la señal multiplexada ha salido del codificador de errores, llega a un segundo multiplexor llamado modulación de registro que se ocupa de ordenar los bits de audio, corrección y de visualización para que no den errores en la grabación y una lectura futura.
El modulador de registro ordena primero los 8 bits de visualización, y continua con 6 muestras de 16 bits (192 bits de audio), de donde cada muestra
corresponde a los 16 bits de cada canal, que se alternan; por tanto hay 96 bits para cada canal y continúan 32 de corrección, prosiguiendo con otras 6
muestras de 16 bits de audio para finalizar con 32 de corrección y reiniciándose la secuencia del modulador de registro.
Ahora la señal digital está en condiciones de viajar hacia la memoria del sistema para realizar la demodulación de la señal y la corrección de enfoque. De ahí pasará al Demultiplexor que posibilitará que la señal digital se
EL COMPACT DISC (CD).
Es el formato doméstico y profesional más utilizado hoy en día para la reproducción de audio grabado.
El CD es un disco que posee un diámetro de 12 cm y un espesor de 1,2 mm, y aunque la grabación se suele hacer en una cara, existen disco compactos con doble cara para realizar la grabación por cualquier cara del CD.
Sobre la cara que se va a realizar la grabación se protege por una capa de policarbonato transparente que le da una cierta elasticidad para impedir su rotura.
La clave del CD es que permite gran capacidad de información comprimida en un punto fijo del CD que se llama pozo.
El pozo puede considerarse como el equivalente del surco en el disco del vinilo. Los pozos compendian todas las informaciones sonoras, de control y de
sincronización. La información se introduce en la superficie plana del disco, a través de la creación de un pozo (PIT) y se recupera de él la información mediante la lectura óptica de dicho pozo.
La calidad de salida debe de contener una respuesta en frecuencia suficiente para reproducir la información de sonido y de código. Además, ha de reproducir también la información de seguimiento de los servosistemas.
Se obtendrá recuperación de alta frecuencia cuando la presencia de un pozo origina una perdida reflectada del láser óptico.
Ésta condición depende de la profundidad y anchura del pozo. Para hacer que la luz reflectada se aproxime a cero, la profundidad del pozoha de ser la cuarta parte de la longitud de la onda del láser.
Los pozos situados en el CD están separados 1,6 micro metros (0,0000016 m). Esa separación se denomina intervalo de pista.
La información del CD se graba de pozo a pozo, lo cual si se dejara un pozo sin grabar, produciría errores en la lectura del CD.
La longitud del pozo además es un factor importante a la hora de grabar y reproducir datos.
En el pozo se ha llevado la codificación de 8 a 14 bits, aunque se establece el pozo para que almacene una palabra de 8 bits permitiendo menos transiciones rápidas, reduciendo la frecuencia de la corriente de datos que inciden sobre el disco.
Por dicho motivo, si se descartan los bits agregados de la señal como los de control, verificación o errores, se podría apreciar que la longitud del pozo ronda entre los 0,833 y los 3,054 micros metros.
La variación mínima desde una longitud del pozo a la siguiente no puede ser inferior a 0,278 micro metros.
REPRODUCCIÓN DE LA GRABACIÓN.
Una vez grabado el disco compacto, para sacar la información se procede a utilizar un láser que incide sobre el pozo en el cual se ha guardado la
información previamente. El láser emite un fino rayo luminoso que refleja sobre los pozos del CD, y ese reflejo es captado por un sensor óptico que es capaz de leer la información del rayo reflejado.
El láser permite la lectura de dos pistas que están separadas 1,6 micro metros de distancia.
Tras la lectura de la pista por el receptor óptico, la información se aplica a un decodificador digital analógico que se encarga de transformar la señal digital en una señal analógica para así poder tratarla y llevarla a la salida
correspondiente. Si el sistema es digita, no hace falta la transformación de la señal digital en analógica.
Funcionamiento.
La luz láser es una luz coherente es decir, todas las ondas que forman la luz del láser están en fase unas con otras y tienen la misma frecuencia.
Como sistema láser se utiliza un diodo láser.
El haz que proviene del diodo láser sufre una adaptación través de las
dimensiones físicas de la construcción del diodo donde la longitud de onda se encuentra normalmente entre los 800 nano metros (0,0000000800 metros). La luz del diodo láser es de vital importancia, ya que si el haz emitido varía de intensidad, podría afectar a la reproducción de la señal almacenada en el CD, por lo que se regula la potencia que regula la intensidad del haz láser del diodo. El láser emite una energía lumínica invisible que opera en el radio de la
frecuencia del infrarrojo, pero puede acarrear heridas en la retina del ojo humano si se enfoca el haz de láser al ojo humano para intentar ver el haz (no lo vas a ver pero si te puedes dañar la retina poco a poco).
Cuando el haz sale del diodo, se encuentra diversos elementos que tratan el haz. Como primera etapa se encuentra una serie de elementos ópticos que se encargan de orientar el haz láser hacia un punto específico; es decir hacen una convergencia del haz. Después un Colimador mueve el haz de luz hacia una dirección paralela no divergente. El sistema óptico puede ser doble o triple, pero veremos el de haz simple.
SISTEMA DE HAZ SIMPLE.
En este sistema no existe lente reticular de difracción después del láser y lente colimadora que producirá un haz paralelo.
Este sistema favorece una iluminación del tamaño del conjunto óptico. En la superficie del pozo del disco, el modelo del haz está compuesto por un único haz en lugar de dos haces o tres con el sistema doble o triple, que requiere un sistema de lentes complejas.
Al volver del disco el haz se refleja sobre una lente cilíndrica sobre la disposición de los diodos foto receptores.
Este sistema utiliza una disposición de fotodiodos de seis segmentos, ordenados de forma diferente al anterior sistema.
Los segmentos indicados como B1 y B2 no se emplean para el seguimiento sino que se añaden a la recuperación de datos. Los cuatro segmentos
centrales sirven para el enfoque y el seguimiento. El foco se consigue mediante una lente convergente.
El seguimiento se consigue de manera diferente según el fabricante.
En este sistema no se produce la cancelación del haz al leer el pozo debido en parte a las dimensiones del haz. El haz mide sobre un micrómetro y se utiliza para leer pozos con una anchura de 0,5 micrómetros. Por tanto el haz se sometería a la interposición de la sombra a medida que pasa por encima del pozo, por lo que hay que conectar a un comparador de fase a los cuatro segmentos y a un comparador de errores para evitar malfuncionamiento en la señal de salida.
Si el punto de luz se desplaza hacia la izquierda, el segmento inferior izquierdo detectará la sombra en movimiento antes que el segmento de la izquierda superior, con una condición que puede considerarse como un alineamiento de fase dando, en este caso, una salida positiva a la salida del comparador de fase.
Si el punto de luz se desplaza hacia la derecha, el segmento inferior derecho detectará la sombra antes que el segmento derecho superior produciendo un retardo de fase a la salida del comparador.
La salida del comparador de fase se utiliza en los equipos con servo motores o servo circuitos de seguimiento.
Servosistemas.
El sistema de CD posee una capacidad para compensar la distorsión limitada aproximadamente a 1,9 milisegundos. La causa esperada de ésta distorsión reside principalmente en problemas de lectura del disco.
La solución a éste y mas problemas pasa por usar servosistemas.
SERVOSISTEMA DE ENFOQUE.
Se utiliza para guiar el haz láser de modo que pueda leer con precisión los pozos de información. Funciona mediante la lectura de la forma del haz
devuelto. Esta forma de haz reflejado originará una tensión positiva o negativa. Si el haz devuelto toma una forma circular, el voltaje de corrección será cero. Si la lectura produce una forma elíptica, se crea una corrección positiva o negativa de voltaje de corrección.
El sistema funciona mediante la agrupación de fotodiodos como el que hemos visto anteriormente.
SERVOSITEMA DE SEGUIMIENTO.
Funciona de manera que mantiene en todo momento los elementos ópticos en la trayectoria de la pista. Cuando el CD completa una revolución, la pista avanza hacia la periferia exterior del disco en un intervalo de 1,6 micrómetros. Este servosistema consiste en un circuito de activación que, cuando envía corriente a través de una bobina ligada a la lente, desplaza la posición de dicha lente. El error de seguimiento es diferente para otros sistemas ópticos láser, como el de triple haz o el haz simple.
SERVOSISTEMA DE MOTOR DE EJE.
Es el conjunto de circuitos responsables del movimiento del giro del CD. Los datos procedentes del CD deben de leerse a un ritmo constante, pero según avance el CD, el diámetro de la circunferencia se hace mayor lo que implica que el sistema sea capaz de aumentar la velocidad del CD para mantener una misma velocidad de lectura de los datos.
El sistema debe leer los pozos a velocidad constante. Para ello, el
servosistema de motor mantiene una frecuencia de 7,35 KHz, que procede de un pulso de sincronización y, que se compara con el láser para obtener una frecuencia de referencia.
Las variaciones de la frecuencia de referencia harán que se conforme una señal de error que hará se adelante la velocidad del CD respecto a la señal de error.
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Para el siguiente capítulo entraremos a estudiar el efecto preamplificador o PREVIO.
