Il videoregistratore

Il videoregistratore è l’apparecchio che consente di memorizzare, in un nastro magnetico, il segnale video proveniente dalla telecamera. Il principio di funzionamento si basa sulla conversione della corrente elettrica in campo magnetico e viceversa.

Magnetismo ed elettromagnetismo

Prima di descrivere il principio di funzionamento della videoregistrazione, è necessario richiamare alcune nozioni di magnetismo ed elettromagnetismo.
Tutti conosciamo la calamita e la forza di repulsione di attrazione fra poli rispettivamente omonomi e contrari. La sfera di influenza dei magneti sopra descritta , è denominata campo magnetico, esso può essere facilmente evidenziato cospargendo della limatura di ferro su un foglio di carta, sotto il quale è ubicata una calamita.
Così facendo si vedrà la limatura disporsi lungo delle linee curve uscenti dal polo nord, ed entranti nel polo sud, come è visibile in figura.
Il campo magnetico esercita una forza su altri campi ( vedi la deflessione del raggio catodico nei cinescopi) e le linee visibili nella figura sono denominate linee di forza.
L’effetto magnetico descritto, presente in natura in alcune leghe ferrose e nella magnetite, può essere creato, facendo scorrere una corrente elettrica in un conduttore.
La verifica sperimentale di questo fenomeno si ha notando la deviazione dell’ago della bussola, quando essa è avvicinata ad un campo magnetico, prodotto dal passaggio di una corrente continua. L’equivalente di una calamita è quindi una bobina composta da un certo numero di spire, dove l’intensità del campo magnetico H è direttamente proporzionale al numero della spire n, all’intensità della corrente circolante i ed inversamente proporzionale alla lunghezza l della bobina.
Introducendo una barretta di materiale ferro magnetico nell’interno della bobina, l’induzione magnetica B aumenta in proporzione al valore della permeabilità del materiale (che rappresenta l’attitudine della sostanza a divenire sede di un campo magnetico) secondo la formula B = micro H, dove micro è la permeabilità magnetica del mezzo in cui si svolge il campo.
Ultimo parametro da considerare è il flusso magnetico, ossia il numero della linee di forza che si ottiene moltiplicando l’induzione B per la superficie S del mezzo immerso perpendicolarmente al campo magnetico.
Sino ad ora si è considerato l’effetto magnetico prodotto dal passaggio, in un conduttore di una corrente costante nel tempo, : ora vedremo cosa succede se la corrente è variabile, per esempio un onda sinusoidale della corrente alternata.
Una spira s se è immersa in un campo magnetico con flusso se il generatore G è una tensione continua il voltmetro V, inserito ai capi della spira , rimane nella posizione zero.
Ora alimentiamo il circuito per mezzo del generatore G, con una tensione variabile, in questo caso si leggerà nel voltmetro V una tensione, dovuto al flusso variabile concatenato nella spira. In alter parole se accoppiamo una o più spire ad un campo magnetico variabile, oppure avviciniamo od allontaniamo una o più spire ad un campo magnetico uniforme, si ottiene una tensione indotta, direttamente proporzionale alla variazione del flusso.
Il principio di funzionamento dei trasformatori di alimentazione delle apparecchiature elettroniche si basa su questo principio.

Registrazione

Dopo questa breve illustrazione degli elementi fondamentali dei fenomeni magnetici, esaminiamo in dettaglio processi di registrazione e di riproduzione del nastro magnetico.
Nel paragrafo precedente si è visto che, facendo percorrere una corrente in una bobina avvolta in un nucleo di grande permeabilità, si ottiene un campo magnetico proporzionale alla intensità della corrente.
Ora se interrompiamo il circuito magnetico nel nucleo, mediante una feritoia (traferro) e facciamo scorrere, a velocità costante, un nastro magnetico (ossia composto da un da un materiale che si magnetizza) il flusso residuo, trovando una via di minor riluttanza ( minor resistenza al passaggio delle linee di forza)indurrà una magnetizzazione nel nastro.
Teniamo presente che il supporto magnetico del nastro è composto da tanti piccoli magneti, i quali si orientano in certe direzioni memorizzando l’intensità del flusso indotto.
In figura è rappresentata come avviene la magnetizzazione ; per comodità di studio si prende come esempio una corrente sinusoidale. Nella prima parte della sinusoide si ha, nell’istante 1, corrente zero e quindi magnetizzazione zero, negli altri istanti i magneti sono orientati tutti nello stesso senso, con linee di forza proporzionali al valore della corrente.
Nella seconda parte della sinusoide si ha nell’istante 5, magnetizzazione zero e nei altri istanti i magneti sono orientati inversamente secondo il senso della corrente.
In questo modo si è ottenuto, grazie alla velocità relativa del nastro, una variazione magnetica in funzione dello spazio, da una variazione di corrente in funzione del tempo.
La caratteristica di magnetizzazione del nastro non è lineare (causa del ciclo di isteresi) e per non incorrere a notevoli distorsioni del segnale si sovrappone, al segnale d’ingresso, un segnale ad alta frequenza, il segnale bias, in modo da far lavorare il sistema nei tratti rettilinei della curva.
Il ciclo di isteresi è dovuto al fatto che la curva di magnetizzazione e di smagnetizzazione di un materiale magnetico non è simmetrico lineare ma ondulante come si vede in figura.

Riproduzione

Precedentemente si è visto che, concatenando un flusso magnetico in una bobina, si ottiene ai capi di essa una tensione variabile.
Nella riproduzione magnetica si sfrutta questo fenomeno, facendo scorrere il nastro davanti alla testina, simile a quella di registrazione; le linee di flusso, emergenti dal nastro, a contatto con il traferro, gap, si chiudono nel nucleo della testina inducendo ai capi di essa una forza elettromotrice f.e.m.) e.
Bisogna tener presente che, il segnale elettrico disponibile, è proporzionale alla velocità di variazione del flusso e = ad una costante per la variazione del flusso nell’unità di tempo dt
Il valore della frequenza di un segnale è pari al numero dei cicli completi al secondo ( vedere in seguito l’appendice tecnica), ossia maggiore è la frequenza minore è il tempo di durata del ciclo, quindi la f.e.m. è proporzionale, oltre che alla corrente di registrazione, anche alla frequenza in gioco (la dt piccola ossia frequenza alta dato che la frequenza di una sinusoide è inversamente proporzionale al tempo della durata di un ciclo completo) .
In alter parole più veloce è la variazione nel flusso del nastro, più ampio è il segnale uscente dalla testina. La curva di trasferimento di una testina di riproduzione no è lineare, per questo motivo, vedere la figura.
Questa ha , infatti, un livello di uscita, dalla frequenze basse alle alte, variabile di 6 dB per ottava, raddoppia al raddoppiare della frequenza del segnale, (Un’ottava superiore significa raddoppiare la frequenza, vedi nel campo musicale).
Nel punto di frequenza fo, la curva scende a zero, dovuto al fatto che la larghezza del gap o traferro, è pari alla frequenza che compete alla lunghezza d’onda alla fo, in questo caso il flusso si annulla.
Nel campo delle frequenze acustiche, 20-20000 KHz, (pari a 10 ottave), si riesce a linearizzare la curva di uscita usando dei filtri equalizzatori.
Il segnale video, avendo una estensione in frequenza sino a 3-4 MHz (18 ottave) non può essere registrato in banda base ed è necessario un processo di modulazione o trasporto di frequenza.

Modulazione

Il processo di modulazione consiste nel variare uno dei parametri dell’onda sinusoidale ad alta frequenza, la portante, con un segnale di bassa frequenza, la modulante.
Rammentiamo che sia nella videoregistrazione che nella trasmissione radio e televisiva, il segnale audio e video non può essere trasmesso così come è, in banda base, ma devono essere trasposti in frequenza, utilizzando come supporto un’alta frequenza.
A secondo del parametro interessato si può modulare in ampiezza, come nelle vecchie radio delle onde medie e nella televisione terrestre, o di frequenza come nella televisione satellitare e nella radio a modulazione di frequenza.
L’espressione matematica dell’onda sinusoidale, la portante ad alta frequenza è v = V sen w t dove V è l’ampiezza massima e variando questa si ha la modulazione d’ampiezza, wt la frequenza e la sua variazione comporta ad una modulazione di frequenza, in questo caso le variazioni di ampiezza della modulante sono convertite in variazioni di frequenza.
Come si è visto precedentemente in riproduzione, in riproduzione per poter equalizzare correttamente il livello d’uscita, bisogna ridurre l’estensione di banda.
Senza andar troppo nel merito, data la difficoltà della materia, con un processo di modulazione di frequenza si ottiene una trasposizione della frequenza.
Nel caso della videoregistrazione amatoriale si ha una portante con frequenza di circa 4 MHz e le bande laterali, il livello del bianco è a 4,4 MHz (ampiezza 0,7 Volt) e quello dei sincronismi a 3,4 MHz (ampiezza -0.3 Volt). Quindi, la banda base video 50 KHz-4 MHz, che comporta una estensione di 18 ottave, è trasferita nella banda da 1-7 MHz, così facendo la larghezza di banda risulta identica con una estensione di sole 3 ottave (1= 2 MHz, 2=4 MHz, 3=8 MHz).
Ulteriore vantaggio della modulazione di frequenza è la bassa sensibilità alle variazioni di ampiezza del segnale, per esempio quando le testine si allontanano dal nastro, visto che l’informazione utile dipende dalla variazione di frequenza.

Cancellazione o erase

Un importante vantaggio della video registrazione è la possibilità di cancellare il segnale memorizzato per poter registrarne un’altro.
La cancellazione consiste nella totale smagnetizzazione del nastro tale che i magnetini sono orientati in un modo casuale.
Questa operazione è effettuata facendo scorrere il nastro davanti al traferro della testina di cancellazione ; questa, venendo percorsa da una corrente ad alta frequenza, genera un flusso che, a seconda della posizione del nastro durante lo scorrimento, prima cresce sino al massimo, quindi decresce gradualmente sino a zero.

Registrazione del segnale video

Nel processo di registrazione si è visto che il periodo del segnale viene convertito in un tratto di spazio nel nastro grazie alla velocità relativa del nastro-testina ; quindi l’espressione della lunghezza d’onda corrisponde ad una frequenza del segnale da registrare è pari a :

lunghezza d’onda (spazio nel nastro) = velocità (nastro-testina) / frequenza del segnale

Per elevare il limite superiore della banda riproducibile da una testina, si può diminuire il traferro, in modo che il punto fo, sia spostato verso le frequenze alte, oppure aumentare la velocità relativa nastro-testina.
Per riprodurre una frequenza di 10 MH, con un traferro di un milionesimo di metro, occorre una velocità nastro-testina di 10 metri al secondo.
Nella registrazione audio è usato il sistema della pista longitudinale, non attuabile nel sistema televisivo, sia per la conseguente enorme velocità del nastro, sia per la sua eccessiva lunghezza necessaria per registrare l’intero segnale video.
Nel campo video, per ovviare agli inconvenienti sopra elencati, si è adottato il sistema delle testine rotanti, in pratica le testine di registrazione e riproduzione, sono installate su un tamburo rotante, in modo che l’effetto combinato della rotazione del tamburo e del moto di avanzamento del nastro aumenta la velocità nastro.testina.

Sistemi di registrazione

Vi sono tre sistemi di registrazione, che, secondo la posizione della pista magnetica nel nastro, sono denominati longitudinale, traversale ed elicoidale.
Il sistema longitudinale, come si è visto precedentemente è usato unicamente nella banda audio, 20-20KHz.
Il sistema traversale, usato anni addietro nei videoregistratori professionali a due pollice, l’Ampex, è composto da 4 testine installate alla periferia di un tamburo rotante, il cui asse è parallelo alla direzione dello scorrimento del nastro.
Il sistema elicoidale ha il nastro avvolto attorno al tamburo porta testine, ad arco di elicoide.
Sia nel campo amatoriale che professionale, il sistema usato è quello elicoidale, di cui pertanto si descrive il principio di funzionamento.
Il sistema elicoidale, come si è visto prima, ha il nastro che scorre attorno al tamburo porta testina ; la traccia è obliqua e questo comporta ad un angolo di inclinazione, fra il nastro e la testina da 2° a 20°. In ogni traccia è magnetizzato un segnale video pari ad un semiquadro (vedi le note precedenti sul sistema video) denominato sistema non segmentato (il sistema segmentato memorizza unicamente il segnale video di un certo numero di righe di scansione) ; con questo sistema si ha la possibilità di eseguire il fermo immagine e lo slow motion.
Normalmente nel tamburo sono installate due testine ed ogni testina registra e riproduce un semiquadro per volta.
In questo caso ha molta importanza il perfetto sincronismo dell’apparato testina e traccia magnetica, il tracking, tale da ottenere una perfetta sequenzialità dei due segnali.
Come si può notare in figura, la componente cromatica C è separata dalla luminanza Y e sistemata nello spettro delle frequenze basse della banda.
Lo spettro di frequenza non è altro che la visualizzazione dell’energia presente, sotto forma di segnale elettrico, nelle varie frequenze della banda interessata (visualizza nel dominio delle frequenze, mentre la forma d’onda vista con l’oscillografo è nel dominio del tempo).
La modulazione usata è di frequenza, quindi le variazioni di ampiezza, relative al segnale video, la modulante, corrispondono a ben determinate frequenze dello spettro (l’interno del tratteggio il livello del bianco a 4,4MHz, il livello dei sincronismi a 3,4 MHz ; le bande laterali, direttamente proporzionali alla larghezza di banda del segnale.

Struttura del videoregistratore

Il videoregistratore si differenzia dalle altre apparecchiature per la presenza della parte meccanica, indispensabile per il trascinamento del nastro e la rotazione delle testine.
In figura sono visibili i vari componenti elettrici e meccanici essenziali per il funzionamento.
Partendo dalla sinistra della figura si ha :
la bobina donatrice, inserita nella videocassetta
la testina di cancellazione totale, audio e video
i rulli tendi nastro e i rullini guida nastro, indispensabili per mantenere il nastro aderente e nella stessa posizione
il tamburo o drum porta testine
la testina di registrazione e riproduzione audio a traccia longitudinale
il rullo pressore o pinch roll, che preme o libera il nastro dal sistema di trascinamento
il capstan, comandato dal motore del trascinamento del nastro
la bobina raccoglitrice, inserita nella videocassetta
Come è facilmente intuibile, per il funzionamento dell’apparato la velocità nastro-testina deve essere rigorosamente costante nel tempo, questo si ottiene con l’impiego dei servosistemi.
Il principio del funzionamento dei servosistemi si basa sul confronto fra un segnale elettrico prodotto dal movimento dell’oggetto controllato ed un segnale campione di riferimento.
Il risultato del confronto può essere zero, nessun errore, oppure un segnale elettrico di errore che è utilizzato per la correzione del movimento.
L’applicazione del servosistema nei videoregistratori è usato per i seguenti motivi :garantisce, in fase di registrazione che, secondo standard l’inclinazione nastro-testina sia rigorosamente rispettata,come pure la spaziatura delle tracce.
Controlla la rotazione del tamburo e la velocità del nastro affinché in riproduzione passino perfettamente sulle tracce registrate, servosistema del capstan
sincronizza e mette in fase il segnale video uscente dal videoregistratore, per le lavorazioni di post produzione con altre sorgenti video
La parte meccanica si differenzia da sistema a sistema (caricamento del nastro, dimensioni delle videocassette, ecc.) : il pricipio di funzionamento elettronico è invece simile a tutti gli apparati.
In figura è visibile lo schema a blocchi del videoregistratore funzionante in registrazione, record,.
Il segnale video è inserito nell’amplificatore d’ingresso, la relativa regolazione del livello d’ampiezza è molto importante , da essa dipende il valore della deviazione di frequenza relative al modulatore.
Nel successivo circuito il segnale della luminanza Y è separato dalla crominanza C mediante dei filtri passa alto (transitano unicamente le frequenze alte attorno a 4.43 MHz) e passa basso (transitano unicamente le frequenze basse, sotto i 4,43 MHz, la luminanza).
Il segnale di luminanza Y è preenfatizzato, ossia le frequenze alte del canale sono aumentate secondo una curva definita.
Nella riproduzione avviene il fenomeno inverso le frequenze alte sono attenuate secondo una curva complementare alla precedente, la deenfasi.
In questo modo il livello del rumore alle alte frequenze, il più frequente, che nasce durante il processo di registrazione e di riproduzione, è attenuato.
Il circuito modulatore è costituito da un oscillatore, la cui frequenza istantanea dipende dal valore della tensione di controllo che nel nostro caso è il segnale video.
Il segnale di crominanza segue un altro percorso .
La banda passante del canale cromatico, ossia le frequenze che competono al segnale colore, è attorno alla frequenza di 4,43 MHz, demoninata sottoportante colore, vedi le note relativa alla tv colore.
Essa è un’onda sinusoidale ad alta frequenza che è di supporto, come nel processo di modulazione nella tv e radio, al segnale di bassa frequenza, la modulante, ossia la variazione del livello dei colori rosso e blu.
Come è visibile in figura, il canale della crominanza è trasferito nelle frequenze basse, libere nello spettro, 600 KHz, questo si ottiene generando un battimento nel circuito miscelatore, fra la sottoportante a colori 4.43 MHz e l’oscillatore locale a 5 MHz, pari alla differenza delle due frequenze.
In ultimo i segnali della luminanza e della crominanza sono sommati ed inviati all’amplificatore finale che collega, mediante un commutatore, le testine video in uscita.
In figura è visibile lo schema a blocchi del videoregistratore in funzione come riproduttore , play. Le uscite delle testine sono collegate al circuito equalizzatore, dove la curva livello frequenza del segnale è linearizzata.
Poiché il segnale utile è fornito alternativamente da una testina alla volta, per ripristinare la continuità della radio frequenza occorre commutare sequenzialmente le due uscite.
Il circuito separatore Y / C divide la luminanza dalla crominanza n modo simile alla registrazione. Il segnale y viene fatto passare in un circuito limitatore per eliminare le inevitabili variazioni di ampiezza, fonti di disturbi, quindi viene demodulato.
Per processo di demodulazione s’intende ricavare, dal segnale ad alta frequenza , la portante, il segnale modulante che, nel nostro caso, è la luminanza Y.
In pratica consiste nel trasformare le variazioni di frequenza istantanee, in variazioni di livello elettrico.
Il segnale di crominanza è riconvertito alla frequenza della sottoportante colore, 4,43 MHz, e quindi sommato al segnale di luminanza (previa deenfatizzazione) per ottenere in uscita il segnale video composito.
Bisogna tener presente che il segnale video, ottenuto dalla riproduzione videomagnetica, risente della instabilità del trascinamento meccanico del nastro, quindi i tempi di durata dei sincronismi non sono né stabili né corretti.
Nell’utilizzo amatoriale, dove il videoregistratore è collegato ad un monitore od a un ricevitore televisivo, l’inconveniente non crea problemi di visione : nell’utilizzo broadcasting, dove i sincronismi devono essere privi di errori e disturbi, il videoregistratore è equipaggiato da una apparecchiatura correttore della base dei tempi il TBC