Señales

Señales
Una señal contiene información cuantitativa sobre un parámetro o fenómeno físico. Esta información se
despliega en la forma de un patrón que describe las variaciones del valor o magnitud de dicho
parámetro o fenómeno. Las señales pueden ser de naturaleza eléctrica, magnética, hidráulica,
mecánica, neumática, térmica, luminosa, etc.
Una señal puede ser generada de forma natural o artificial. Algunos ejemplos de señales naturales son la
temperatura de un sitio, la radiación electromagnética del sol u otra estrella, el nivel de la marea, la
velocidad del viento, la humedad, etc. Algunos ejemplos de señales artificiales son las ondas emitidas de
radio, televisión, teléfonos celulares, satélites y radares, el audio producido por un reproductor de
archivos mp3, el video generado por un reproductor de DVD, etc.
Una señal se representa mediante una función matemática de una o más variables independientes. El
tiempo es, sin duda alguna, la variable independiente más común, ya que muchos de los fenómenos
físicos varían con respecto al tiempo. Una imagen en la pantalla de una computadora puede ser
considerada una función de dos variables, ya que los atributos de un pixel , tales como color, contraste e
intensidad, dependen de las coordenadas x y y dentro de la imagen. Este curso se enfoca a señales de
naturaleza eléctrica variantes en el tiempo.
Básicamente hay dos tipos de señales: señale análogas y señales digitales. Una señal análoga, como se
muestra en la Figura 2.1, puede ser una señal de tiempo continuo (CT) o de tiempo discreto (DT). Una
señal de tiempo discreto no es una señal digital , ya que en una señal de tiempo discreto la amplitud no
has sido discretizada (la amplitud es continua porque puede adquirir cualquier valor dentro de un rango
determinado). Una señal de tiempo discreto sigue siendo una señal análoga a menos de que sea pasada
a través de un Convertidor Análogo Digital (convertidor A/D) para discretizar su magnitud. La salida del
convertidor A/D proporciona una señal digital (versión digital de la señal de tiempo discreto), ya que
tanto el tiempo como la magnitud o amplitud son discretos. La señal digital se representa en función de
la variable entera n, obviándose el valor del periodo de muestreo T, como si T fuera normalizado a 1 s.
Esto permite considerar los valores de la señal en tiempos que son múltiplos enteros de T. fd(5), por
ejemplo, representa el valor de la señal digital en el tiempo 5T. A pesar de obviarse T es necesario
tenerse en cuenta para conocer el tiempo real correspondiente a cada muestra de la señal.
Una de las maravillas del procesamiento digital es que las técnicas matemáticas usadas para señales
digitales y señales de tiempo discreto son las mismas. Es por esto que f(nt) y fd(n) pueden ser utilizadas
de manera indistinta en los procesos matemáticos usados en el procesamiento digital.
El procesamiento de las señales es requerido para mejorar la calidad de la señal con respecto a la señal
original. Ejemplos de procesamiento sería el filtrado o eliminación de ruido y la mejoría de la calidad de
una imagen en términos de brillo, contraste y color. El procesamiento de señales puede ser clasificado
en tres tipos: Procesamiento Análogo, Procesamiento Digital y Procesamiento Mixto, tal como se puede
apreciar en la Figura 2.2.
El Procesamiento Análogo de Señales se requirió ya que la gran mayoría de las señales se presentan de
manera natural en forma análoga. El Procesamiento Digital de Señales es la opción adecuada cuando las
señales a procesar son digitales, pero puede ser utilizado en también en el procesamiento de señales
análogas de tiempo discreto. Por ejemplo, se puede recaudar información cada año sobre la
precipitación pluvial en un sitio determinado. La precipitación es un valor continuo, pero esta
información se adquiere en tiempo discreto, cada año. La información puede ser alimentada en una
supercomputadora para estimar la precipitación pluvial del siguiente año, lo cual podría considerarse un
procesamiento digital de la señal que representa la precipitación pluvial. La computadora realiza las
operaciones básicas asociadas al procesamiento digital de señales: multiplicación, suma y retardos (uso
de valores anteriores).
Figura 2.1. Tipos de señales.
Figura 2.2. Tipos de Procesamiento de Señales.
El procesamiento digital de señales puede presentar muchas ventajas sobre el procesamiento análogo
de señales, además puede ser una opción de procesamiento de señales económica ya que los circuitos y
procesadores para implementar el procesamiento digital de señales se ha abaratado
considerablemente. Las señales análogas también pueden ser procesadas digitalmente mediante un
esquema como el que se muestra en la Figura 2.3, en el que la señal es muestreada, digitalizada
mediante un convertidor análogo/digital (A/D) y procesada digitalmente; posteriormente se obtiene una
versión análoga de las señal digital ya procesada mediante un convertidor digital/análogo (D/A) y,
finalmente, a través de un filtro análogo pasa bajos, se extrae la señal análoga requerida.
Figura 2.3. Esquema para el procesamiento digital de señales análogas.
Hold es el proceso mediante el cual se mantiene fijo el valor de las muestras de una señal entre el
periodo de tiempo comprendido entre el momento de la adquisición de la muestra y hasta que se toma
la siguiente muestra de la señal. Este proceso puede apreciarse en la siguiente gráfica:
Figura 2.4. Hold de una muestra de señal.
Ventajas del Procesamiento Digital de Señales (DSP) sobre el Procesamiento Análogo de Señales
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Menos sensibilidad a la tolerancia de componentes y cambios ambientales.
Producción en volumen sin la necesidad de ajuste durante la construcción o uso.
Propicio para una integración completa. La inductancia y transformadores, por ejemplo no
pueden ser implementados en un circuito integrado para procesar señales análogamente.
La precisión se incrementa al incrementar la longitud de palabra (número de bits usados para
representar valores)
El rango dinámico se incrementa con aritmética de punto flotante.
Un procesador puede ser compartido en tiempo, por lo que puede realizar múltiples tareas
aprovechando los tiempos muertos entre el procesamiento de una muestra de señal a otra. En
esta forma, se pueden procesar varias señales a la vez, lo cual resulta imposible al procesar una
señal análoga de tiempo continuo.
Un procesador de señales digitales puede ser ajustado fácilmente para operar bajo
características diferentes cambiando algunos valores, coeficientes. En un sistema de
procesamiento de señales análogas deben cambiarse resistencia, capacitores e inductores, lo
cual puede ser una operación compleja.
Se pueden diseñar sistemas con fase linear exacta, lo cual elimina distorsiones por retardos. Esto
es imposible en el ASP.
Las diferentes partes de un procesador de señales digitales pueden operar a distintas
frecuencias. No hay problema al realizar incrementar o disminuir el muestreo de señales, por
ejemplo.
No existen problemas de carca al conectar en cascada circuitos digitales.
Las señales digitales pueden ser fácilmente almacenadas en distintos medios, tales como discos
duros, discos ópticos, cintas, etc.
Es fácil realizar el procesamiento de señales digitales en frecuencias muy bajas. No se presentan
los problemas por inductancia propios de los sistemas análogos.
Desventajas del Procesamiento Digital de Señales (DSP) sobre el Procesamiento Análogo de Señales
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Una complejidad considerablemente mayor resultante de la interconectividad de las distintas
fases o módulos requeridos en el procesamiento digital.
El rango de frecuencias para la operación de DSP es limitado debido al rango limitado para
efectuar el muestreo y el hold de señales. Además, la velocidad de los convertidores A/D es
limitada.
Una alta disipación de poder, ya que en un procesador de señales digitales consiste en miles de
componentes activos, tales como transistores, mismos que disipan una gran cantidad de poder.
Actualmente Texas Instruments está trabajando en la construcción de procesadores y
dispositivos que no requieren de baterías, con lo cual se pretende tener una disipación de poder
nula.
A pesar de estas pocas desventajas del procesamiento de señales digitales, es la mejor opción para el
procesamiento de señales.