¿Qué es el sonido stereo?

El hombre le debe la vida al efecto estereofónico. Ciertamente en la época del hombre cazador, además de la vista, era el oído y su capacidad de determinar la posición de la fuente de sonido, el que le permitía estar atento en su travesía de las comarcas de caza.

La percepción del sonido, es una característica muy particular del ser humano porque difiere mucho de persona a persona y es una capacidad muy susceptible de mejoramiento con la práctica constante. El ojo también se educa, pero mucho menos que el oído. Entre el oído de un director de una orquesta sinfónica y el de un profano, existe una diferencia abismal con referencia a la respuesta en frecuencia, la sensibilidad y la ubicuidad de la fuente de sonido.

Hasta el año 1960 todas las transmisiones de radio fueron monofónicas en AM primero y en FM después pero el FCC (Comité Federal de Comunicaciones) estaba ya haciendo pruebas para lograr que en el mismo ancho de banda de una emisora de FM, se ubicara todo el sistema de emisión estereofónica sin perdida de respuesta en frecuencia. Y además se buscara un sistema que fuera compatible con la televisión para ser aplicado posteriormente a la misma.

La trasmisión de FM monofónica

Las emisoras de radio de FM, están separadas 100 KHz y para América cubren la banda de 88 a 108 MHz. 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 oído humano solo puede captar 20 KHz en el mejor de los casos. Pero el problema era de tipo tecnológico, ya que en la banda elegida no se pueden lograr bobinas con un ancho de banda tan estrecho.

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

Observe que consideramos que la señal modulada en FM, tiene una ancho de banda similar al de una emisora de AM, cosa que no es totalmente cierta. Pero de hecho es así, cuando la modulación de frecuencia es de bajo índice de modulación tal como lo indica la norma, que solo autoriza una modulación de +-75 KHz, que sobre 100 MHz es del 0,75/00 es decir 0,75 por mil o 750 ppm (partes por millón).

Para que quede claro veamos un ejemplo. Si tenemos una emisora de 100 MHz y por ella estamos emitiendo un concierto, en el máximo nivel de sonido, durante un fortísimo, la frecuencia portadora solo sube hasta 100,075 MHz y luego baja hasta 99,925 MHz, a un ritmo que depende de la frecuencia transmitida (por ejemplo un violín que emite un tono de 1 KHz, hace que el barrido de frecuencia ocurra 1000 veces por segundo).

Poder apreciar el verdadero oscilograma y el espectro de una señal de FM es imposible, debido a su bajo índice de modulación y su alta diferencia de frecuencia entre la portadora y la señal modulante, pero podemos mostrar en la figura 1 un oscilograma de una señal de 1 KHz modulada en 100Hz en donde si se puede apreciar la modulación de frecuencia.

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Fig.1 Señal modulada en frecuencia

El preénfasis de una trasmisión de FM

En cualquier circuito de FI de FM, encontramos por lo general en alguna pata cercana a la salida de audio demodulada, una red RC, indicada como red de desénfasis y muy pocas informaciones sobre la razón de su uso. Como este es un curso de índole práctico vamos a tener que explicar su uso.

En principio, seria muy interesante saber que se percibe si dicha red es desconectada del circuito mientras se recibe una señal de música. Inmediatamente percibimos que se acentúan los agudos, el usuario posiblemente lo traiga al service diciendo que el sonido suena a lata o algo parecido.

Lo cierto es que en la transmisión, antes de generar una modulación de frecuencia, se produce una enfatización de agudos de la señal de audio. Es decir que se filtra la señal dándole a los agudos más amplitud que a los graves y recién después se genera la modulación habitualmente con un diodo varicap.

Parecería que esta acción es ridícula porque en el fondo es una distorsión del proceso de modulación. Pero en realidad es una acción premeditada para un fin determinado que es reducir el nivel de ruido de la señal recibida con el receptor.

Como sabemos el ruido de una transmisión es algo imposible de evitar. Los componentes electrónicos, aun los más simples como un resistor, tienen un ruido térmico propio imposible de evitar. Los circuitos y parámetros de transmisión se eligen para lograr que el ruido siempre sea el más bajo posible y el preenfasis de una transmisión de FM es una de las previsiones que se toman para reducir el ruido. En principio, para que el lector sea conciente de que hasta un resistor produce ruido, vamos a colocar un osciloscopio sobre el y a medirlo como cualquier fuente de señal.

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Fig.2 Señal de ruido sobre un resistor de 1 KOhms a 27 ºC con un ancho de banda de 100 MHz.

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

La señal observada, de unos 200 uV de pico a pico, es simplemente ruido térmico que se produce porque los electrones que circulan por el resistor lo hacen tomando diferentes caminos al azar y por lo tanto, la caída de tensión que producen es levemente diferente en cada instante. El ruido es proporcional al valor de resistencia, a la temperatura y al ancho de banda tomado.

No considere que se trata de un valor pequeño, porque en una transmisión de radio, la señal puede tener una amplitud de 1 mV pap que sería tan solo 5 veces mayor que el ruido. Esto se puede expresar como que el ruido es equivalente al 20% de la señal o que la relación señal a ruido es del 20%.

El radiorreceptor se diseña para que esta relación señal a ruido se reduzca hasta convertirse en despreciable. Por ejemplo, mediante la elección de un adecuado sistema de modulación (FM) o un canal de FI que tenga solo el ancho de banda necesario de 50 KHz. Y sobre todo, analizando que frecuencias de modulación se deben acentuar en la modulación y atenuar en la recepción, para que el espectro de audio conserve su característica plana.

Y lo que hay que reforzar son los agudos, porque es la parte del espectro con menos energía y por lo tanto la que menores índices de modulación producen y están sujetas a una peor relación señal a ruido.

Por supuesto; el realce debe estar indicado en la norma de transmisión para poder realizar una atenuación adecuada en el receptor. La norma del FCC indica una contante de tiempo de 75 uS y las normas europeas indican 50 uS. En una palabra que la señal de la fuente de audio de la emisora, se hace pasar por un filtro CR que magnifica las señales de agudos atenuando los graves.

Aplicación del preénfasis

En la figura 3 se observa un circuito que tiene una contante de tiempo de 75 uS, realzando los agudos con una curva como la indicada en la figura 4.

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Fig.3 Sección de audio y modulación de una emisora de FM monofónica

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Fig.4 Curvas y respuesta en frecuencia del modulador de FM

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

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

Los operacionales genéricos como el LM307 tienen muy mala respuesta en alta frecuencia. Por eso se agrega la red R10-C2 que mejora la respuesta haciéndola 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 por R4). Observe que el producto de R4xC1 tiene el valor indicado por la norma, de 10.10-9 x 7,5.103 = 75 uS.

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

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

Ahora que conocemos a nivel de detalles la transmisión de FM monofónica, debemos aplicar los conocimientos para realizar una transmisión de FM estereofónica.

El efecto estereofónico

En la figura 5 podemos observar una fuente de sonido y la cabeza de un ser humano simplificada con sus dos pabellones auditivos.

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Fig.5 Audición de una fuente puntual de sonido

Por ejemplo si una persona habla en el lugar D el oído izquierdo B escucha la señal antes que el oído derecho C y además la escucha con mayor amplitud. El cerebro realiza entonces una apreciación muy precisa de la posición de la persona D.

En realidad esta precisión depende fundamentalmente de la frecuencia de la señal emitida. Los sonidos agudos son mucho más direccionales que los graves. Un sonido muy grave parecería estar saliendo de toda la habitación.

Esto tiene su explicación en el hecho de que la fase de una señal aguda cambia mucho mas que la de una grave, al cambiar la distancia que recorren las señales.

En la figura 6 se puede observar que si la fuente de sonido se encuentra atrás de la persona, en posición equivalente, los oídos parecen recibir la misma información.

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Fig.6 Audición de una fuente de sonido trasera

Pero en realidad no es así. En efecto, el ser humano mueve constantemente la cabeza de forma automática e imperceptible, cuando está tratando de determinar la posición de una fuente sonora y además el pabellón auditivo este inclinado hacia delante de modo que hay un sonido mucho mas atenuado en la recepción trasera y en nuestro caso, el oído derecho mas que el izquierdo. Estos dos hechos hacen que se pueda determinar fehacientemente la posición de la fuente sonora como adelante o atrás.

Ahora analicemos la posibilidad de transmitir la posición de la fuente sonora con una cabeza artificial que tenga dos micrófonos en lugar de las orejas. A esos micrófonos le conectamos dos amplificadores para un auricular y colocamos a una persona en otra habitación tratando de determinar la posición de la fuente sonora. Seguramente se va a confundir, porque cuando gire automáticamente la cabeza, le va a parecer que la fuente de sonido gira también.

Por esta razón, es mucho mas realista la recepción del sonido emitido por dos parlantes, que al usar auriculares. En la figura 7 se observa una disposición adecuada para recibir efecto estereofónico de fuentes situadas adelante del usuario.

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Fig.7 Situación de parlantes para recepción estereofónica

En esta habitación se colocan dos parlantes, conectados a sendos amplificadores que reciben la señal de los micrófonos de la cabeza artificial. Si las fuentes sonoras se desplazan por delante de la cabeza artificial, el usuario ubicado sobre la línea P-Q obtiene un efecto estereofónico aceptablemente bueno, sin la sensación de que las fuentes de sonido giran al girar su cabeza. Inclusive situado en toda la zona verde oscura obtiene una sensación estereofónica aceptable.

La señales que se envían a los parlantes se llaman genéricamente I y D de izquierda y derecha (en ingles L y R de Left y Rigth) y se puede demostrar que para aumentar la sensación de potencia, no conviene aumentar la potencia de ambos canales, sino generar una nueva señal que sea la suma de ambos canales y con ella alimentar un amplificador cargado con un parlante especial para bajas frecuencias llamado boofer, colocado en cualquier lugar de la habitación ya que como dijimos los bajos no son direccionales.

La sensación real de sonido, que salga de los 360º alrededor del usuario, solo se puede conseguir con los sistemas más modernos de sonido envolvente (Surround en Inglés) que poseen 6 parlantes. Cinco son de banda completa y uno de banda baja o buffer, por lo que el sistema se llama resumidamente de 5.1 canales. Los parlantes se ubican según la figura 8, pero hecha la salvedad que el reproductor de bajos se puede colocar en cualquier lugar de la habitación.

Los sistemas de transmisión de radio de FM, solo contemplan la transmisión de estereofonía de dos canales aunque muchos equipos de calidad como por ejemplo los Home Theater generan señales de 5.1 canales, combinando las señales I y D en un sistema llamado surround virtual.

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Fig.8 Ubicación de los parlantes en el sistema de 5.1 canales

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

Las señales I+D y I – D

Cuando existe un sistema de transmisión y se quiere producir una mejora del mismo siempre se trata de que el nuevo sistema sea compatible y retrocompatible. En nuestro caso si un usuario tenía una radio de FM monofónica, se busca que la misma pueda sintonizar las emisoras estereofónicas aunque desde luego en forma monofónica (compatibilidad). Pero también se busca que las nuevas radios estereofónicas puedan captar las emisoras monofónicas (retrocompatibilidad).

Si de alguna manera, que aún no conocemos, se pudieran transmitir las señales I y D, el sistema no seria compatible porque solo podría reproducir I o D a elección pero nunca una radio monofónica podría obtener la suma de los dos canales, que representa la verdadera sensación monofónica ya que las viejas radios, no están preparadas para sumar ambos canales.

Por esa razón, en todo sistema estereofónico, no se transmiten I y D sino 2 señales compuestas que son I+D y I-D. En la banda base (la misma banda que en los sistema monofónicos) se transmite I+D y en el canal agregado se transmite I-D que no produce ningún efecto sobre la radios monofónicas.

¿Pero cómo se produce I y D para una radio estereofónica? Se produce con la ayuda de una etapa sumadora y una etapa restadora. Matemáticamente esta claro que la suma de I+D y I-D tiene por resultado a 2I y que la resta de I+D y I-D tiene por resultado a 2D. Pero por lo general al reparador le resulta difícil 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 un amplificador inversor para una de las señales y luego un divisor con dos resistores superiores.

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Fig.9 Circuito sumador y restador

Con este circuito se pretende demostrar que significa sumar o restar dos señales. Ponemos como ejemplo 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 la diferencia se aprecia en la inversión de 180º de la frecuencia más alta. Expliquemos el funcionamiento del circuito sumador.

El componente principal del circuito es el divisor de dos entradas formado por R1, R2 y R3 que divide las señales de entrada por 10, pero además suma las dos componentes sobre R3. Luego el amplificador U1 recupera la amplitud de las señales de modo que en su salida tenemos una representación de V1+V2.

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

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

Trasmisión de la banda base y una subportadora inaudible

Aun no sabemos como va a realizarse la transmisión de la señal estereofónica, pero seguramente con la modulación de frecuencia clásica, se va a transmitir la señal I+D para que forme la banda base, que pueda ser captada por cualquier receptor de FM monofónico.

La información estereofónica se transmitirá con la señal I-D y no debe ser audible como interferencia en un receptor monofónico. Aplicando la teoría de los sumadores, se podría sumar a I+D una señal de 31.250 Hz. Ud se preguntará para que y porque esa frecuencia. Para usarla como subportadora del canal estereofónico y de esa frecuencia, porque es el doble de la frecuencia de barrido horizontal de TV evitando de ese modo la posibilidad de la generación de interferencias.

Esta señal I-D agregada no puede escucharse directamente, porque es una frecuencia muy alta para el oído humano y podría modularse por alguno de los tantos modos que ya conocemos. El receptor estereofónico tendría los circuitos necesarios para detectar esta segunda señal y contando con I+D y I-D podría generarse, con un circuito matriz, las señales I y D.

Trasmisión por doble modulación

Nosotros necesitamos transmitir dos señales por la misma portadora. El modo en que se logre puede ser múltiple. Ya enunciamos uno que utiliza una subportadora inaudible, pero se podría utilizar otro método como por ejemplo la doble modulación de una portadora en amplitud y frecuencia. La modulación de frecuencia se realizaría con la señal I+D para que los receptores de FM monofónicos que tienen un detector, que solo responde a la frecuencia, no respondan a la segunda modulación que sería en amplitud por la señal I-D.

El problema de este sistema, es que la modulación de AM no tiene buena relación señal a ruido y los detectores tienen una gran distorsión. Por eso fue dejado de lado porque los sistemas de interportadora permite una mejora substancial de la calidad de tranmisión.

Los sistemas con subportadora suprimida

Finalmente se impuso un sistema muy perfeccionado con la transmisión de I+D en banda base con modulación de frecuencia y una subportadora suprimida para que el transmisor no requiera tanta potencia de salida.

En la lección anterior indicamos la posibilidad de realizar transmisiones de AM con portadora suprimida, e indicamos que bastaba sumar una portadora que se ajustaba en frecuencia con una perilla que se llamaba clarificador y que inclusive se podía suprimir una banda lateral. En el sistema de FM estereofónica no se llegó a tanto porque ese tipo de transmisión empeora la relación señal a ruido pero si se llego a suprimir la subportadora estereofónica luego de modularla en amplitud a doble banda lateral.

Pero se quiso evitar el uso del clarificador y entonces se transmite una muestra de señal inaudible senoidal enganchada con la subportadora, que se llama señal piloto, exactamente a la mitad de la frecuencia es decir a 15.625 Hz. Este tono sirve también para identificar a las emisoras de FM estereofónicas de las comunes y lograr que las radios pasen al demodulador estereofónico, sólo cuando la emisora es estereofónica y conecten solo el demodulador monofónico, con las emisoras monofónicas. De este modo se logra reducir el ancho de banda y mejorar la relación señal a ruido.

La señal 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 señal que modula en frecuencia a la portadora principal.

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Fig.10 Ancho de banda de una emisora de FM estereofónica

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

Otro filtro pasabanda, pero de banda estrecha, recupera la señal piloto y engancha un oscilador de 31.250 Hz que se suma a las bandas laterales, que así recuperan la portadora. Ahora, esta señal puede ser demodulada como una simple señal de AM para recuperar la señal I-D.

Las señales de I+D y I-D se envían a un circuito matriz, para obtener finalmente las señales I y D de la radio estereofónica.

Conclusiones

En esta entrega se explica lo que es la estereofonía y damos una somera explicación del sistema de transmisión y recepción del así llamado “Sistema de Radio FM Estereo Multiplex”. En la próxima entrega vamos repasar estos conocimientos realizando un diagrama en bloques del transmisor y el receptor de FM estereofónico, analizando un detector comercial y su reparación.

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