¿qué es el sonido stereo_ » electrónica completa

El hombre le debe la vida al efecto estereofnico. Ciertamente en la poca del hombre cazador,adems de la vista, era el odo y su capacidad de determinar la posicin de la fuente de sonido, elque le permita estar atento en su travesa de las comarcas de caza.

La percepcin del sonido, es una caracterstica muy particular del ser humano porque difiere muchode persona a persona y es una capacidad muy susceptible de mejoramiento con la prctica constante.El ojo tambin se educa, pero mucho menos que el odo. Entre el odo de un director de unaorquesta sinfnica y el de un profano, existe una diferencia abismal con referencia a la respuesta enfrecuencia, la sensibilidad y la ubicuidad de la fuente de sonido.

Hasta el ao 1960 todas las transmisiones de radio fueron monofnicas en AM primero y en FMdespus pero el FCC (Comit Federal de Comunicaciones) estaba ya haciendo pruebas para lograrque en el mismo ancho de banda de una emisora de FM, se ubicara todo el sistema de emisinestereofnica sin perdida de respuesta en frecuencia. Y adems se buscara un sistema que fueracompatible con la televisin para ser aplicado posteriormente a la misma.

La trasmisin de FM monofnicaLas emisoras de radio de FM, estn separadas 100 KHz y para Amrica cubren la banda de 88 a 108MHz. Es decir que se ubican 20/0,1= 200 emisoras en la serie 88; 88.1; 88.2; 88.3; 88.4 .107.8; 107.9; 108. Cada emisora tiene una banda de -50KHz a +50 KHz.

En su origen, la banda otorgada estaba francamente desierta, porque como sabemos el odo humanosolo puede captar 20 KHz en el mejor de los casos. Pero el problema era de tipo tecnolgico, ya queen la banda elegida no se pueden lograr bobinas con un ancho de banda tan estrecho.

En las frecuencias cercanas a 100 MHz es difcil construir bobinas con un Q superior a 50 y unmodo de expresar el Q o factor de mrito de una bobina, es como F/F que para nuestro caso es100/40 = 25 . Es decir que las bobinas deben estar esmeradamente construidas para lograr unaselectividad adecuada del receptor.

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Observe que consideramos que la seal modulada en FM, tiene una ancho de banda similar al de unaemisora de AM, cosa que no es totalmente cierta. Pero de hecho es as, cuando la modulacin defrecuencia es de bajo ndice de modulacin tal como lo indica la norma, que solo autoriza unamodulacin de +-75 KHz, que sobre 100 MHz es del 0,75/00 es decir 0,75 por mil o 750 ppm(partes por milln).

Para que quede claro veamos un ejemplo. Si tenemos una emisora de 100 MHz y por ella estamosemitiendo un concierto, en el mximo nivel de sonido, durante un fortsimo, la frecuencia portadorasolo sube hasta 100,075 MHz y luego baja hasta 99,925 MHz, a un ritmo que depende de lafrecuencia transmitida (por ejemplo un violn que emite un tono de 1 KHz, hace que el barrido defrecuencia ocurra 1000 veces por segundo).

Poder apreciar el verdadero oscilograma y el espectro de una seal de FM es imposible, debido a subajo ndice de modulacin y su alta diferencia de frecuencia entre la portadora y la seal modulante,pero podemos mostrar en la figura 1 un oscilograma de una seal de 1 KHz modulada en 100Hz endonde si se puede apreciar la modulacin de frecuencia.

(http://electronicacompleta.com/wp-content/uploads/Sonido-Stereo-01.jpg)

Fig.1 Seal modulada en frecuencia

El prenfasis de una trasmisin de FMEn cualquier circuito de FI de FM, encontramos por lo general en alguna pata cercana a la salida deaudio demodulada, una red RC, indicada como red de desnfasis y muy pocas informaciones sobre larazn de su uso. Como este es un curso de ndole prctico vamos a tener que explicar su uso.

En principio, seria muy interesante saber que se percibe si dicha red es desconectada del circuitomientras se recibe una seal de msica. Inmediatamente percibimos que se acentan los agudos, elusuario posiblemente lo traiga al service diciendo que el sonido suena a lata o algo parecido.

Lo cierto es que en la transmisin, antes de generar una modulacin de frecuencia, se produce unaenfatizacin de agudos de la seal de audio. Es decir que se filtra la seal dndole a los agudos ms

del-tv-plasma-3/index.htm


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amplitud que a los graves y recin despus se genera la modulacin habitualmente con un diodovaricap.

Parecera que esta accin es ridcula porque en el fondo es una distorsin del proceso demodulacin. Pero en realidad es una accin premeditada para un fin determinado que es reducir elnivel de ruido de la seal recibida con el receptor.

Como sabemos el ruido de una transmisin es algo imposible de evitar. Los componenteselectrnicos, aun los ms simples como un resistor, tienen un ruido trmico propio imposible deevitar. Los circuitos y parmetros de transmisin se eligen para lograr que el ruido siempre sea elms bajo posible y el preenfasis de una transmisin de FM es una de las previsiones que se tomanpara reducir el ruido. En principio, para que el lector sea conciente de que hasta un resistor produceruido, vamos a colocar un osciloscopio sobre el y a medirlo como cualquier fuente de seal.


Fig.2 Seal de ruido sobre un resistor de 1KOhms a 27 C con un ancho de banda de100 MHz.

Nota: la fuente V1 es una necesidad de la simulacin; no forma parte realmente del circuito.

La seal observada, de unos 200 uV de pico a pico, es simplemente ruido trmico que se produceporque los electrones que circulan por el resistor lo hacen tomando diferentes caminos al azar y porlo tanto, la cada de tensin que producen es levemente diferente en cada instante. El ruido esproporcional al valor de resistencia, a la temperatura y al ancho de banda tomado.

No considere que se trata de un valor pequeo, porque en una transmisin de radio, la seal puedetener una amplitud de 1 mV pap que sera tan solo 5 veces mayor que el ruido. Esto se puedeexpresar como que el ruido es equivalente al 20% de la seal o que la relacin seal a ruido es del20%.

El radiorreceptor se disea para que esta relacin seal a ruido se reduzca hasta convertirse endespreciable. Por ejemplo, mediante la eleccin de un adecuado sistema de modulacin (FM) o uncanal de FI que tenga solo el ancho de banda necesario de 50 KHz. Y sobre todo, analizando quefrecuencias de modulacin se deben acentuar en la modulacin y atenuar en la recepcin, para queel espectro de audio conserve su caracterstica plana.



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Y lo que hay que reforzar son los agudos, porque es la parte del espectro con menos energa y por lotanto la que menores ndices de modulacin producen y estn sujetas a una peor relacin seal aruido.

Por supuesto; el realce debe estar indicado en la norma de transmisin para poder realizar unaatenuacin adecuada en el receptor. La norma del FCC indica una contante de tiempo de 75 uS y lasnormas europeas indican 50 uS. En una palabra que la seal de la fuente de audio de la emisora, sehace pasar por un filtro CR que magnifica las seales de agudos atenuando los graves.

Aplicacin del prenfasisEn la figura 3 se observa un circuito que tiene una contante de tiempo de 75 uS, realzando losagudos con una curva como la indicada en la figura 4.


Fig.3 Seccin de audio y modulacin de unaemisora de FM monofnica


Fig.4 Curvas y respuesta en frecuencia delmodulador de FM



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En este circuito se pueden apreciar 4 bloques de una emisora de FM, que cada alumno puedeadecuar a su trasmisor, de acuerdo a sus necesidades.

Esta basado en dos circuitos integrados operacionales genricos, que proveen una gran versatilidad alproyecto. U2 es el preamplificador al que se le conecta la fuente de programa (micrfono,reproductor de CD o reproductor USB). La red de realimentacin R1/R2 garantiza que la gananciadel amplificador sea igual a 10 (se puede variar cambiando R1 ya que la ganancia esaproximadamente R2/R1).

Los operacionales genricos como el LM307 tienen muy mala respuesta en alta frecuencia. Por esose agrega la red R10-C2 que mejora la respuesta hacindola plana hasta unos 20 KHZ.

R3 balancea el circuito de entrada, que posee una considerable impedancia, del orden del MOhms.La salida del operacional, es naturalmente de una baja impedancia, del orden de los 60 Ohms,perfectamente adecuada para atacar a una red RC con una resistencia de 7,5 KOhms (formada porR4). Observe que el producto de R4xC1 tiene el valor indicado por la norma, de 10.10-9 x 7,5.103 =75 uS.

La seal preenfatizada, se aplica a un amplificador de modulacin U1 para no cargar a la red depreenfasis y lograr una buena seal de modulacin. El valor de R5 ajusta la profundidad demodulacin o inclusive, si sobra seal, se puede variar la ganancia del segundo amplificador. Laprofundidad de modulacin se puede ajustar comparando su emisora con una emisora comercial paraque tengan el mismo volumen de audio.

En la curva de respuesta, se puede observar que en la salida del filtro RC la respuesta aumenta arazn de 10 veces en amplitud, cada vez que la frecuencia aumenta en la misma magnitud. En dB sedice que aumenta 20 dB por dcada. Todo esto hasta que al llegar a 20 KHz los operacionalescomienzan a amplificar menos y la curva se vuelve descendente.

Ahora que conocemos a nivel de detalles la transmisin de FM monofnica, debemos aplicar losconocimientos para realizar una transmisin de FM estereofnica.

El efecto estereofnicoEn la figura 5 podemos observar una fuente de sonido y la cabeza de un ser humano simplificadacon sus dos pabellones auditivos.



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Fig.5 Audicin de una fuente puntual desonido

Por ejemplo si una persona habla en el lugar D el odo izquierdo B escucha la seal antes que elodo derecho C y adems la escucha con mayor amplitud. El cerebro realiza entonces unaapreciacin muy precisa de la posicin de la persona D.

En realidad esta precisin depende fundamentalmente de la frecuencia de la seal emitida. Lossonidos agudos son mucho ms direccionales que los graves. Un sonido muy grave parecera estarsaliendo de toda la habitacin.

Esto tiene su explicacin en el hecho de que la fase de una seal aguda cambia mucho mas que lade una grave, al cambiar la distancia que recorren las seales.

En la figura 6 se puede observar que si la fuente de sonido se encuentra atrs de la persona, enposicin equivalente, los odos parecen recibir la misma informacin.

(http://electronicacompleta.com/wp-content



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Fig.6 Audicin de una fuente de sonidotrasera

Pero en realidad no es as. En efecto, el ser humano mueve constantemente la cabeza de formaautomtica e imperceptible, cuando est tratando de determinar la posicin de una fuente sonora yadems el pabelln auditivo este inclinado hacia delante de modo que hay un sonido mucho masatenuado en la recepcin trasera y en nuestro caso, el odo derecho mas que el izquierdo. Estos doshechos hacen que se pueda determinar fehacientemente la posicin de la fuente sonora comoadelante o atrs.

Ahora analicemos la posibilidad de transmitir la posicin de la fuente sonora con una cabeza artificialque tenga dos micrfonos en lugar de las orejas. A esos micrfonos le conectamos dos amplificadorespara un auricular y colocamos a una persona en otra habitacin tratando de determinar la posicin dela fuente sonora. Seguramente se va a confundir, porque cuando gire automticamente la cabeza, leva a parecer que la fuente de sonido gira tambin.

Por esta razn, es mucho mas realista la recepcin del sonido emitido por dos parlantes, que al usarauriculares. En la figura 7 se observa una disposicin adecuada para recibir efecto estereofnico defuentes situadas adelante del usuario.


Fig.7 Situacin de parlantes pararecepcin estereofnica

En esta habitacin se colocan dos parlantes, conectados a sendos amplificadores que reciben la sealde los micrfonos de la cabeza artificial. Si las fuentes sonoras se desplazan por delante de la cabezaartificial, el usuario ubicado sobre la lnea P-Q obtiene un efecto estereofnico aceptablemente



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bueno, sin la sensacin de que las fuentes de sonido giran al girar su cabeza. Inclusive situado entoda la zona verde oscura obtiene una sensacin estereofnica aceptable.

La seales que se envan a los parlantes se llaman genricamente I y D de izquierda y derecha (eningles L y R de Left y Rigth) y se puede demostrar que para aumentar la sensacin de potencia, noconviene aumentar la potencia de ambos canales, sino generar una nueva seal que sea la suma deambos canales y con ella alimentar un amplificador cargado con un parlante especial para bajasfrecuencias llamado boofer, colocado en cualquier lugar de la habitacin ya que como dijimos losbajos no son direccionales.

La sensacin real de sonido, que salga de los 360 alrededor del usuario, solo se puede conseguir conlos sistemas ms modernos de sonido envolvente (Surround en Ingls) que poseen 6 parlantes. Cincoson de banda completa y uno de banda baja o buffer, por lo que el sistema se llama resumidamentede 5.1 canales. Los parlantes se ubican segn la figura 8, pero hecha la salvedad que el reproductorde bajos se puede colocar en cualquier lugar de la habitacin.

Los sistemas de transmisin de radio de FM, solo contemplan la transmisin de estereofona de doscanales aunque muchos equipos de calidad como por ejemplo los Home Theater generan seales de5.1 canales, combinando las seales I y D en un sistema llamado surround virtual.


Fig.8 Ubicacin de los parlantes enel sistema de 5.1 canales

El verdadero sonido de 5.1 canales se obtiene de sistemas totalmente digitales como por ejemplo losde HDTV; las consolas de video juegos, los DVD y sus variantes mas modernas.



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Las seales I+D y I DCuando existe un sistema de transmisin y se quiere producir una mejora del mismo siempre se tratade que el nuevo sistema sea compatible y retrocompatible. En nuestro caso si un usuario tena unaradio de FM monofnica, se busca que la misma pueda sintonizar las emisoras estereofnicas aunquedesde luego en forma monofnica (compatibilidad). Pero tambin se busca que las nuevas radiosestereofnicas puedan captar las emisoras monofnicas (retrocompatibilidad).

Si de alguna manera, que an no conocemos, se pudieran transmitir las seales I y D, el sistema noseria compatible porque solo podra reproducir I o D a eleccin pero nunca una radio monofnicapodra obtener la suma de los dos canales, que representa la verdadera sensacin monofnica ya quelas viejas radios, no estn preparadas para sumar ambos canales.

Por esa razn, en todo sistema estereofnico, no se transmiten I y D sino 2 seales compuestas queson I+D y I-D. En la banda base (la misma banda que en los sistema monofnicos) se transmite I+Dy en el canal agregado se transmite I-D que no produce ningn efecto sobre la radios monofnicas.

Pero cmo se produce I y D para una radio estereofnica? Se produce con la ayuda de una etapasumadora y una etapa restadora. Matemticamente esta claro que la suma de I+D y I-D tiene porresultado a 2I y que la resta de I+D y I-D tiene por resultado a 2D. Pero por lo general al reparadorle resulta difcil imaginarse como es una etapa sumadora y como es una restadora.

Una etapa sumadora, es un atenuador con dos resistores superiores. Una etapa restadora es unamplificador inversor para una de las seales y luego un divisor con dos resistores superiores.


(http://electronicacompleta.com/wp-content



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Fig.9 Circuito sumador y restador

Con este circuito se pretende demostrar que significa sumar o restar dos seales. Ponemos comoejemplo la suma de los dos generadores V1+V2 que puede visualizarse en el haz rojo del osciloscopio(levemente desplazado hacia arriba y V1-V2 que se observa en el haz verde. Observe que ladiferencia se aprecia en la inversin de 180 de la frecuencia ms alta. Expliquemos elfuncionamiento del circuito sumador.

El componente principal del circuito es el divisor de dos entradas formado por R1, R2 y R3 quedivide las seales de entrada por 10, pero adems suma las dos componentes sobre R3. Luego elamplificador U1 recupera la amplitud de las seales de modo que en su salida tenemos unarepresentacin de V1+V2.

A la derecha, tenemos el circuito restador que es muy parecido salvo que la seal V2 se invierte enel amplificador U3, tal como se puede observar en el oscilograma de la derecha. Luego se realiza unasuma de la seal invertida y se obtiene el oscilograma verde.

Este proceso de suma y resta, puede ponderarse modificando los valores de R1 y R2 de modo deobtener una ecuacin como la siguiente AxV1+BxB2. Por ejemplo podra calcularse la ecuacin0,5.V1 + 0,3 V2. Este tipo de circuito se conoce en general como matrizador y se utiliza mucho enTV color.

Trasmisin de la banda base y unasubportadora inaudibleAun no sabemos como va a realizarse la transmisin de la seal estereofnica, pero seguramente conla modulacin de frecuencia clsica, se va a transmitir la seal I+D para que forme la banda base,que pueda ser captada por cualquier receptor de FM monofnico.

La informacin estereofnica se transmitir con la seal I-D y no debe ser audible comointerferencia en un receptor monofnico. Aplicando la teora de los sumadores, se podra sumar aI+D una seal de 31.250 Hz. Ud se preguntar para que y porque esa frecuencia. Para usarla comosubportadora del canal estereofnico y de esa frecuencia, porque es el doble de la frecuencia debarrido horizontal de TV evitando de ese modo la posibilidad de la generacin de interferencias.

Esta seal I-D agregada no puede escucharse directamente, porque es una frecuencia muy alta parael odo humano y podra modularse por alguno de los tantos modos que ya conocemos. El receptorestereofnico tendra los circuitos necesarios para detectar esta segunda seal y contando con I+D yI-D podra generarse, con un circuito matriz, las seales I y D.



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Trasmisin por doble modulacinNosotros necesitamos transmitir dos seales por la misma portadora. El modo en que se logre puedeser mltiple. Ya enunciamos uno que utiliza una subportadora inaudible, pero se podra utilizar otromtodo como por ejemplo la doble modulacin de una portadora en amplitud y frecuencia. Lamodulacin de frecuencia se realizara con la seal I+D para que los receptores de FM monofnicosque tienen un detector, que solo responde a la frecuencia, no respondan a la segunda modulacin quesera en amplitud por la seal I-D.

El problema de este sistema, es que la modulacin de AM no tiene buena relacin seal a ruido y losdetectores tienen una gran distorsin. Por eso fue dejado de lado porque los sistemas deinterportadora permite una mejora substancial de la calidad de tranmisin.

Los sistemas con subportadora suprimidaFinalmente se impuso un sistema muy perfeccionado con la transmisin de I+D en banda base conmodulacin de frecuencia y una subportadora suprimida para que el transmisor no requiera tantapotencia de salida.

En la leccin anterior indicamos la posibilidad de realizar transmisiones de AM con portadorasuprimida, e indicamos que bastaba sumar una portadora que se ajustaba en frecuencia con unaperilla que se llamaba clarificador y que inclusive se poda suprimir una banda lateral. En el sistemade FM estereofnica no se lleg a tanto porque ese tipo de transmisin empeora la relacin seal aruido pero si se llego a suprimir la subportadora estereofnica luego de modularla en amplitud adoble banda lateral.

Pero se quiso evitar el uso del clarificador y entonces se transmite una muestra de seal inaudiblesenoidal enganchada con la subportadora, que se llama seal piloto, exactamente a la mitad de lafrecuencia es decir a 15.625 Hz. Este tono sirve tambin para identificar a las emisoras de FMestereofnicas de las comunes y lograr que las radios pasen al demodulador estereofnico, slocuando la emisora es estereofnica y conecten solo el demodulador monofnico, con las emisorasmonofnicas. De este modo se logra reducir el ancho de banda y mejorar la relacin seal a ruido.

La seal I+D, junto con las bandas laterales de AM, correpondientes a una portadora de 31.250 Hz(suprimida) y la muestra piloto de baja amplitud de 15.625 Hz, forman la seal que modula enfrecuencia a la portadora principal.



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Fig.10 Ancho de banda de una emisora deFM estereofnica

En la radio, esta seal se demodula con un demodulador de FM comn, solo que de mayor ancho debanda (de 0 a 50 KHz). Esa seal demodulada pasada por un filtro pasabajos es el canal I+D. Laparte de alta frecuencia de esa seal, filtrada con un filtro pasabanda es una seal de AM, doblebanda lateral con portadora suprimida que debe ser demodulada.

Otro filtro pasabanda, pero de banda estrecha, recupera la seal piloto y engancha un oscilador de31.250 Hz que se suma a las bandas laterales, que as recuperan la portadora. Ahora, esta sealpuede ser demodulada como una simple seal de AM para recuperar la seal I-D.

Las seales de I+D y I-D se envan a un circuito matriz, para obtener finalmente las seales I y D dela radio estereofnica.

ConclusionesEn esta entrega se explica lo que es la estereofona y damos una somera explicacin del sistema detransmisin y recepcin del as llamado Sistema de Radio FM Estereo Multiplex. En la prximaentrega vamos repasar estos conocimientos realizando un diagrama en bloques del transmisor y elreceptor de FM estereofnico, analizando un detector comercial y su reparacin.

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