sesgo adaptativo

En la grabación en cinta magnética , la polarización adaptativa es la técnica de variar continuamente la corriente de polarización del cabezal de grabación en función del nivel de las señales de audio de alta frecuencia. Con la polarización adaptativa, los altos niveles de señales de audio de alta frecuencia provocan una disminución proporcional de la corriente de polarización mediante un sistema de control de prealimentación o, preferiblemente, de retroalimentación negativa . En comparación con el uso de una corriente de polarización fija, la polarización adaptativa proporciona un nivel de salida máximo más alto y un mayor rango dinámico en el extremo superior del espectro audible y, en menor medida, en las frecuencias medias. El efecto de la polarización adaptativa es más pronunciado en los casetes compactos y en las cintas de bobina abierta de baja velocidad . La primera implementación comercial, el sistema de prealimentación Dolby HX, fue desarrollado por Dolby Laboratories en 1979 y rechazado por la industria. El posterior sistema de retroalimentación negativa Dolby HX Pro fue desarrollado por Bang & Olufsen y comercializado por Dolby, convirtiéndose en el estándar de facto de la industria de alta fidelidad para el consumidor a mediados de la década de 1980.

La polarización de la cinta es una corriente alterna fuerte y de alta frecuencia que se alimenta al cabezal de grabación junto con la señal de audio con el propósito de linealizar la respuesta inherentemente no lineal de las partículas magnéticas en el recubrimiento magnético de la cinta. ^{[ 3 ]} La frecuencia de la señal de polarización en las pletinas de casete de consumo suele estar fijada entre 80 y 100 kHz . La calidad de la señal de polarización es fundamental porque el ruido , el zumbido y la corriente continua en la polarización degradan gravemente la fidelidad del audio. ^{[ 4 ]} El nivel de la señal de polarización define la pendiente y la forma de la curva de magnetización resultante. ^{[ 5 ]}

El nivel de polarización óptimo para cada formulación de cinta es un compromiso entre los niveles máximos de salida, el ruido, la distorsión y la respuesta en frecuencia. ^{[ 6 ] [ 7 ]} La polarización nominal, que corresponde a la sensibilidad máxima y/o la salida máxima a 10  kHz, es menos deseable para frecuencias de rango medio. La sobrepolarización es más adecuada para frecuencias medias y bajas, pero reduce la sensibilidad de la cinta en frecuencias más altas y degrada la relación señal-ruido . ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} Como beneficio adicional, la polarización óptima mejora la respuesta a las pérdidas de cinta porque los campos magnéticos más fuertes penetran más profundamente en el recubrimiento magnético. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} La subpolarización causa distorsión excesiva y ruido de modulación , y aumenta la susceptibilidad a las pérdidas, por lo que no es deseable. ^{[ 4 ] [ 10 ]} En la práctica, la cinta siempre está ligeramente sobrepolarizada; la corriente de polarización óptima se establece en dos o tres decibelios (dB) por encima del valor nominal. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 11 ] [ 10 ]} Esta configuración óptima mejora la linealidad en las frecuencias medias, pero reduce el rango dinámico y provoca una caída en la respuesta de alta frecuencia, que se compensa con el preénfasis en la cadena de grabación. ^{[ 9 ] [ 11 ]}

Grabar longitudes de onda muy bajas a velocidades de cinta de 4,76 cm/s (1,87 pulg/s) y 9,53 cm/s (3,75 pulg/s) presenta otro desafío. ^{[ 12 ] [ 4 ]} Los componentes audibles de alta frecuencia de la señal grabada actúan como corrientes de polarización, lo que resulta en una polarización excesiva que se manifiesta en compresión del rango dinámico y aparición temprana de saturación en altas frecuencias, especialmente cuando se graba en cintas de baja calidad con bajos niveles de saturación. ^{[ 4 ] [ 10 ]} En la década de 1970, la música que normalmente se publicaba en discos de vinilo o se transmitía por radio FM no contenía mucha energía de alta frecuencia y por lo general no podía llevar la cinta a la saturación. ^{[ 11 ]} Sin embargo , las grabaciones de música disco y masterizadas digitalmente de finales de la década de 1970 y principios de la de 1980 a menudo contienen suficiente información de alta frecuencia, o agudos "calientes", para provocar la sobrecarga de la cinta. ^{[ 11 ]}    

A finales de la década de 1970, la industria discográfica propuso tres soluciones al problema. ^{[ 13 ]} Las cintas de partículas metálicas tenían niveles de salida máximos y niveles de saturación de agudos muy altos, pero eran prohibitivamente caras para la mayoría de los usuarios domésticos. ^{[ 13 ]} Las primeras cintas metálicas tenían un alto nivel absoluto de siseo y había temores de que la cinta metálica se degradara rápidamente ^{[ 13 ]} pero esto no sucedió. La segunda solución fue desarrollada independientemente por Tandberg y Akai , y se basaba en limitar los niveles de grabación. ^{[ 13 ]} Los circuitos patentados Tandberg Dyneq y Akai ADRS comprimían electrónicamente la señal antes de que pudiera sobrecargar la cinta. ^{[ 13 ]} En 1979, Kenneth James Gundry de Dolby Laboratories propuso la tercera alternativa: adaptar la corriente de polarización al contenido de agudos de la señal de origen. ^{[ 13 ] [ 11 ]} El aumento de energía de alta frecuencia, que efectivamente polariza excesivamente la cinta, se compensaría con una disminución recíproca en la salida del generador de polarización. ^{[ 13 ]}

El efecto de dicha compensación es evidente en las curvas de magnetización típicas. ^{[ 2 ]} Por defecto, cuando la energía de agudos de la señal de fuente es baja, la grabadora opera con una corriente de polarización óptima fija I _b.opt. (curva azul). ^{[ 2 ]} La sobrepolarización inicial asegura una buena linealidad, pero baja sensibilidad y bajos niveles de saturación. ^{[ 2 ]} El valor reducido de la corriente de polarización I _b.red. permite operar con niveles de entrada y salida más altos, aunque con una mayor sensibilidad (curva roja). ^{[ 2 ] [ 10 ]} Un circuito de polarización adaptativa bien diseñado debe disminuir gradualmente la corriente de polarización para que el aumento de sensibilidad compense los efectos de saturación. ^{[ 2 ]} La nueva curva de magnetización adaptativa permanece recta (línea de puntos verde) hasta la corriente de grabación máxima I _af.1 . ^{[ 2 ]} Debido a los efectos de autopolarización, la distorsión en frecuencias medias permanece baja y la intermodulación disminuye. ^{[ 13 ]}

La ubicación del punto de ruptura I _af.o en la curva de control y la pendiente de su segmento de alto nivel dependen de la frecuencia de la señal de entrada y de los mecanismos de pérdida de energía en la cinta y el cabezal de grabación. ^{[ 2 ]} Un sistema práctico de polarización adaptativa debe emplear ponderación heurística sobre las frecuencias agudas para lograr el mejor rendimiento de una grabadora específica. ^{[ 9 ]} El efecto de los cambios en las formulaciones de la cinta es insignificante en el caso de las cintas férricas . ^{[ 9 ]} Diferentes cintas requieren diferentes configuraciones de polarización óptimas, pero la curva de control de polarización puede ser idéntica para todas las cintas férricas. ^{[ 9 ]}

El Dolby HX original (por 'Headroom eXtension'), diseñado por Gundry para Dolby Laboratories, funcionaba como un complemento del codificador de reducción de ruido Dolby B. El circuito integrado (CI) Dolby B extrae la envolvente de los componentes de frecuencia media y agudos de las señales de origen y la utiliza para modular la ganancia de su canal lateral . ^{[ 13 ]} El circuito HX combina las señales de envolvente de ambos canales estéreo. ^{[ 13 ]} La envolvente compuesta modula la salida de una fuente de voltaje que alimenta el generador común de borrado/polarización, ^{[ 13 ]} variando así la corriente de polarización. Simultáneamente, la misma envolvente modula el nivel de preénfasis de alta frecuencia de los dos canales de grabación. ^{[ 13 ]} Se consideró aceptable controlar ambos canales estéreo con un único modulador de polarización debido al alto grado de correlación entre las señales estéreo izquierda y derecha, y la escasa separación de canales de las fuentes analógicas existentes disponibles para el consumidor. ^{[ 14 ]} Controlar simultáneamente las corrientes de borrado y polarización podría provocar caídas repentinas en la efectividad del borrado, pero esto solo ocurrió durante los pasajes más fuertes con mucho contenido de agudos, que era suficientemente superior a cualquier señal residual no borrada como para hacerlas inaudibles. ^{[ 15 ]}

Pruebas independientes demostraron que Dolby HX podía aumentar los niveles de saturación a 10–12  kHz en 10  dB. ^{[ 13 ]} Según Dolby, la mejora fue más pronunciada con cintas de alta calidad y alta coercitividad . Las cintas de baja calidad no respondieron significativamente a la polarización adaptativa. ^{[ 16 ]}

Dolby Laboratories lanzó Dolby HX en el Consumer Electronics Show en junio de 1979. ^{[ 17 ]} El sistema se ofreció a los licenciatarios existentes de Dolby B sin cargo adicional. ^{[ 17 ]} En 1980-1981 , Aiwa , Harman Kardon y TEAC ^{[ 18 ]} integraron Dolby HX en sus reproductores de casete, pero ningún otro fabricante siguió su ejemplo. ^{[ 19 ]} A pesar de las críticas favorables, Dolby HX fue un fracaso de marketing e ingeniería. ^{[ 19 ]} Fue probado y rechazado por ingenieros de audio; ^{[ 19 ]} si bien la mayoría no reveló sus hallazgos, Willi Studer habló públicamente en contra de la adopción de Dolby HX. ^{[ 19 ]} Según Studer, las deficiencias de Dolby HX superaban ampliamente sus beneficios previstos. ^{[ 19 ]} Un comunicado de prensa de Dolby de 1981 para el mercado alemán culpó indirectamente del fracaso del sistema al conservadurismo de la industria. Según Dolby, Dolby HX «interviene profundamente en el desarrollo de las grabadoras y no se puede simplemente añadir a la electrónica existente. Requiere un rediseño fundamental del amplificador de grabación». ^{[ 20 ]} Sin embargo, Dolby aún esperaba que Dolby HX fuera bien recibido «porque permite una alta fidelidad de calidad con las futuras grabadoras de microcasetes con una velocidad de cinta de 2,4 cm/s». ^{[ 21 ]} Esta última promesa tampoco se materializó.

El principal inconveniente de Dolby HX era que, al ser un control de alimentación directa , monitorizaba la señal en su origen pero ignoraba la señal que llegaba al cabezal de grabación. ^{[ 14 ] [ 22 ]} Las variaciones en la ganancia o la respuesta en frecuencia de la cadena de grabación interrumpían la curva de control de polarización. ^{[ 14 ]} El subcircuito de preénfasis ajustable era innecesariamente complejo y caro para la industria de consumo. ^{[ 14 ]} El detector de envolvente Dolby B, que por diseño era bastante lento , no podía rastrear de forma fiable los transitorios rápidos . ^{[ 14 ]} La peor de todas las deficiencias era la combinación de la polarización adaptativa con la reducción de ruido a nivel de hardware. ^{[ 14 ]} El usuario no podía desactivar el decodificador Dolby B y seguir utilizando Dolby HX durante la grabación. ^{[ 23 ]} Esto desincentivaba el uso de la reducción de ruido dbx, más eficaz . ^{[ 23 ]} La ganancia de 30  dB en la relación señal/ruido proporcionada por dbx hacía que Dolby HX fuera prácticamente innecesario. ^{[ 23 ]}

En 1980, Jørgen Selmer Jensen de Bang & Olufsen (B&O) patentó una implementación alternativa de polarización adaptativa . ^{[ 24 ]} A diferencia del Dolby HX de alimentación directa, el circuito de B&O era un sistema de retroalimentación . ^{[ 22 ]} Según la patente, monitorizaba la tensión de alta frecuencia en el extremo "caliente" del cabezal de grabación, extrayendo la envolvente combinada de las señales de audio de polarización y agudos. ^{[ 24 ] [ 22 ]} Un amplificador de error comparaba continuamente la envolvente con el nivel de referencia preestablecido y ajustaba la corriente de polarización que se alimentaba al cabezal de grabación ^{[ 22 ]} a través de un optoacoplador resistivo . ^{[ 24 ] [ a ]} ​​El circuito mono era fácilmente escalable para grabación estereofónica y multipista , y permitía ajustes sencillos del nivel de polarización normal. ^{[ 24 ]}

Según B&O, su sistema aseguraba  una ganancia de solo 3-5 dB en la saturación de agudos, mucho menor que Dolby HX. ^{[ 14 ]} El sistema de B&O no dependía del Dolby IC y podía usarse con o sin ningún sistema de reducción de ruido. ^{[ 14 ]} La retroalimentación negativa compensaba las variaciones en la ganancia y la respuesta de frecuencia en la cadena de grabación, eliminando la principal deficiencia de Dolby HX. ^{[ 14 ]} Como beneficio adicional, el sistema de B&O también era eficaz en grabadoras de bobina abierta. ^{[ 14 ] [ 25 ]}

Dolby Laboratories adquirió los derechos de la patente de B&O y se convirtió en su único distribuidor mundial. ^{[ 22 ]} El nuevo sistema se denominó Dolby HX Professional, que posteriormente se abrevió a Dolby HX Pro. B&O conservó los derechos para usar Dolby HX Pro en sus productos y, según fuentes afiliadas a Selmer, recibió una parte de los ingresos futuros por licencias. ^{[ 26 ]}

En su lanzamiento, Dolby dirigió HX Pro a los mercados profesionales. ^{[ 14 ]} En agosto de 1982, el fabricante de duplicadoras de cintas industriales Electro Sound introdujo HX Pro en su catálogo de duplicadoras de casetes. ^{[ 27 ]} Warner Records se convirtió en el primer sello discográfico importante en adoptar HX Pro para la duplicación masiva. ^{[ 28 ]} Para febrero de 1983, según Dolby, la compañía tenía dos licenciatarios en la industria del audio doméstico: Aiwa y Harman Kardon . ^{[ 29 ]} Los primeros en adoptarlo tuvieron que construir circuitos Dolby HX Pro con amplificadores operacionales de propósito general y amplificadores de transconductancia hasta la introducción en 1985 de un circuito integrado dedicado, el NEC μPC1297. ^{[ 30 ]} La nueva propuesta fue bien recibida por la industria y para 1986, Dolby HX Pro se convirtió en una característica estándar en el segmento superior de las pletinas de casete para el consumidor. ^{[ 28 ]} En los años siguientes, Dolby HX Pro migró al segmento de consumo de nivel básico, convirtiéndose en el equipo estándar de facto en el hi-fi de consumo, y también se integró en grabadoras profesionales de carrete a carrete. ^{[ 25 ]}

En 1983, la polarización adaptativa ganó popularidad en la Unión Soviética . La primera implementación, publicada por Nikolay Sukhov, se desarrolló después de Dolby HX Pro. Combinaba elementos de HX Pro (control de retroalimentación) y Dolby HX, variando la tensión de alimentación al generador común de borrado/polarización, y añadía protecciones contra sobrecargas transitorias, un problema común al grabar desde discos LP desgastados . ^{[ 14 ]} El diseño revisado, que utilizaba un nuevo circuito integrado rectificador de precisión , se publicó en 1987. ^{[ 9 ]}

En consonancia con los gustos de la comunidad de audio doméstico, que aún prefería las cintas de carrete a los casetes, la versión de 1987 estaba dirigida a reproductores de casete y grabadoras de carrete. ^{[ 9 ]} La polarización adaptativa no puede mejorar sustancialmente el rendimiento de la cinta de un cuarto de pulgada (0,64 cm) que funciona a 19,5 cm/s (7,5 in/s) o velocidades superiores en grabadoras de carrete estándar; su envolvente de saturación es suficientemente alta para señales musicales. Sin embargo, la polarización adaptativa permite una disminución en la ecualización de agudos de los 50 μs estándar a 10 μs. ^{[ 9 ]} Una reducción de cinco veces de la constante de tiempo corresponde a una disminución de cinco veces en el nivel de ruido aparente en frecuencias medias y agudas. Según Sukhov, su sistema permite una relación señal/ruido práctica de más de 80 dB, sin reducción de ruido. ^{[ 9 ]} Los diseños de Sukhov fueron objeto de cinco patentes emitidas entre 1984 y 1989, todas las cuales hacían referencia a la patente anterior de Selmer como estado de la técnica . ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]}