Capítulo 1 – Señales y Procesamiento de señales. Las señales

Capítulo 1 – Señales y Procesamiento de señales.
Las señales juegan un importante papel en nuestras vidas diarias. Las señales de la voz, la
música, el video o imágenes son ejemplos de señales que encontramos frecuentemente. Una
señal es una función de variables independientes como el tiempo, distancia, posición,
temperatura, y presión.
La mayoría de las señales que encontramos son generadas de forma natural, sin embargo,
también pueden ser generadas sintéticamente o por simulaciones computarizadas.
1.1 Caracterización y clasificación de las señales
Las señales se definen dependiendo de la naturaleza de las variables independientes y el valor
de la función. Por ejemplo, las variables independientes pueden ser continuas o
independientes. De igual manera, la señal puede ser también una función continua o discreta
de las variables independientes. Por otra parte la señal puede ser también una función con
valores reales o complejos.
Las señales de una sola dimensión, son funciones de una sola variable independiente, las de
dos dimensiones, son funciones de dos variables y las señales multidimensionales son
funciones de más de una variable.
1.2 Operaciones típicas para el procesamiento de señales
En el caso de señales análogas, la mayoría de las operaciones de procesamiento son
usualmente llevadas a cabo en el dominio del tiempo, mientras que, en el caso de señales de
tiempo discreto, son empleados tanto el dominio del tiempo como el de la frecuencia.
1.2.1
Operaciones elementales del dominio del tiempo
Las tres operaciones básicas de señales de dominio del tiempo son amplificación, retraso y
adición. La ampliación es simplemente la señal por una constante negativa o positiva. La
operación de retraso genera una señal que es una réplica retrasada de la señal original. La
adición es la participación de dos o más señales para generar una nueva señal.
1.2.2
Filtrado
Es una de las operaciones de procesamiento de señales complejas más utilizadas. Es usada
para pasar ciertos componentes de la frecuencia en una señal a través de un sistema sin
alguna distorsión y para bloquear otros componentes de la frecuencia.
1.2.3
Modulación y demodulación
Para la transmisión de señales a través de largas distancias se utiliza un medio de transmisión
como cable, fibra óptica, o la atmosfera. Cada uno de estos medios posee un ancho de banda
que es adecuado para la transmisión de señales de alta frecuencia. Como resultado, para la
transmisión de señales de baja frecuencia a través de un canal, es necesario transformar la
señal en una señal de alta frecuencia, por medio de una operación de modulación. En el
receptor, la señal modulada de alta frecuencia es demodulada y la señal de baja frecuencia
desechada es entonces extraída por más procesamiento. Existen cuatro tipos principales de
modulación de señales análogas: modulación de amplitud, modulación de frecuencia,
modulación de fase y modulación de amplitud de pulso.
1.2.4
Multiplexación y demultiplexación
Para una utilización eficiente del ancho de banda del canal de transmisión, muchas bandas
estrechas de señales de baja frecuencia son combinadas para formar un ancho de banda
compuesto que es transmitido como una sola señal, éste proceso es denominado
multiplexación. El proceso de recuperación de las señales originales es llamado
Demultiplexación.
1.2.7 Generación de señales
Una parte importante del procesamiento es la generación sintética de señales. Uno de los
generadores más simples de señales sintéticas es un dispositivo llamado Oscilador.
1.3 Ejemplos de señales típicas
Señal de electrocardiograma
La actividad eléctrica del corazón es representada mediante un electrocardiograma, el cual es
esencialmente una forma de onda periódica.
Señal de electroencefalograma
El resumen de la actividad eléctrica causada por el disparo al azar de billones de neuronas
individuales en el cerebro es representado mediante la señal de un electroencefalograma.
Señales sísmicas
Éste tipo de señales son causadas por los movimientos de las rocas resultado de los
terremotos, erupciones volcánicas o explosiones subterráneas. Los movimientos de la tierra
generan ondas elásticas que se propagan a través del cuerpo de la tierra en todas direcciones
desde la fuente del movimiento. Tres tipos de ondas elásticas se generan por los movimientos
terráqueos. La onda de movimiento más rápido es denominada primaria u onda-P. La más
lenta es llamada secundaria u onda-S. Y el tercer tipo de onda es conocida como onda
superficial, la cual se mueve sobre la superficie de la tierra.
Señal del motor a diesel
El procesamiento de señales juega un rol muy importante en el ajuste preciso del motor diesel
durante su producción. La operación eficiente del motor requiere la determinación exacta del
punto más alto en el viaje del pistón dentro del cilindro del motor.
Señal del habla
La teoría lineal acústica de la producción del habla ha dado lugar a expresiones matemáticas
para la representación. Una señal del habla es formada por la excitación del tracto vocal y está
compuesto por dos tipos de sonidos: sonoros y sordos.
Señales de sonidos musicales
Los sintetizadores electrónicos son un ejemplo del uso de moderno de las técnicas de
procesamiento de señales. Los sonidos naturales producidos por la mayoría de los
instrumentos musicales son producidos generalmente por vibraciones mecánicas causadas por
la activación de de algunos osciladores que causan vibraciones en otras partes del
instrumento.
Los sonidos de los instrumentos de orquesta pueden ser clasificados dentro de dos grupos:
Quasi-periodic y periodic.
Series de tiempo
Las señales descritas hasta ahora son funciones continuas con el tiempo como variable
independiente. En muchos de los casos, las señales de interés son naturalmente funciones
discretas de variables independientes. A menudo, estas señales son de duración finita. Éste
tipo de señales de medida finita, usualmente llamadas series de tiempo se producen en
negocios, economía, ciencias físicas, sociales, ingeniería, medicina, y muchos otros campos.