Procesado de señal para niños
El procesado de señal es una rama de la ingeniería y las matemáticas que se encarga de estudiar y desarrollar técnicas para manipular, analizar y clasificar diferentes tipos de señales. Se basa en ideas de la teoría de la información, la estadística y las matemáticas aplicadas.
Una señal es como un mensaje o información que viene de una fuente. Puede ser de muchos tipos: mecánica, óptica, magnética, eléctrica o de sonido. Para poder trabajar con ellas, las señales suelen transformarse en señales eléctricas usando aparatos llamados transductores.
Las señales pueden venir de distintas fuentes, por ejemplo:
- Audio: para sonidos, como la música o el habla.
- Voz: para analizar lo que dice una persona.
- Video: para entender movimientos en imágenes.
Para estudiarlas mejor, las señales a menudo se representan como funciones matemáticas.
Contenido
¿Cómo se clasifican las señales?
Las señales se pueden clasificar según cómo se representan en el tiempo o el espacio:
Señales analógicas
Una señal analógica representa una cantidad de forma continua. Esto significa que puede tomar cualquier valor dentro de un rango. Por ejemplo, la señal que produce un micrófono al captar sonidos es analógica. Otros ejemplos son las señales de un termómetro (para la temperatura) o un velocímetro (para la velocidad).
Señales digitales
Una señal digital solo toma valores en puntos específicos y estos valores son limitados. Piensa en un programa de ordenador o la música de un CD. También puede ser la información de un semáforo o el código Morse.
Señales discretas
Una señal discreta es parecida a la digital porque solo tiene valores en puntos específicos. Sin embargo, a diferencia de las digitales, estos valores pueden ser cualquiera, no están limitados. Estas señales suelen venir de convertidores analógico-digitales, que transforman señales continuas en discretas. Cuando una señal discreta se limita a ciertos valores, se convierte en una señal digital.
Un aspecto importante de las señales digitales y discretas es la frecuencia de muestreo. Esto se refiere a cuántas veces por segundo se toma una "muestra" de la señal.
Tipos de procesado de señal
Existen varios tipos de procesado de señal, según la naturaleza de la señal:
Procesado digital de señales
El procesado digital de señales se usa con señales que han sido convertidas a formato digital. Estas señales pueden venir de ordenadores, de sistemas que leen discos (como un CD) o de convertidores analógico-digitales. Se representan como una serie de números. Los valores de estas señales se conocen en momentos específicos, no de forma continua. Hoy en día, la tendencia es convertir las señales a digital para procesarlas con ordenadores o microprocesadores. Hay incluso chips especiales llamados procesadores digitales de señal (DSP) diseñados para esto.
Procesado analógico de señales
El procesado analógico de señales se aplica a señales que no han sido digitalizadas. Estas señales provienen de sensores o transductores, como un micrófono, un termómetro o un acelerómetro. Las señales analógicas representan cantidades que cambian de forma continua y pueden tener, en principio, cualquier valor. Sus valores se conocen de forma continua en el tiempo.
Circuitos analógicos
El procesado de señales analógicas se realiza con circuitos electrónicos. Estos pueden ser lineales (como filtros o amplificadores) o no lineales (como mezcladores de frecuencia).
Procesado de señal en tiempo continuo
Este tipo de procesado se ocupa de señales que cambian de forma continua a lo largo del tiempo. Se utilizan métodos que analizan la señal en el dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia.
Procesado de señal en tiempo discreto
El procesado de señal en tiempo discreto se aplica a señales que se han "muestreado", es decir, se han tomado valores solo en puntos específicos del tiempo. Aunque los valores se toman en momentos discretos, la magnitud de esos valores puede ser continua.
Procesado de señales no lineales
El procesado de señales no lineales analiza y manipula señales que provienen de sistemas que no siguen una relación simple y directa. Estos sistemas pueden producir comportamientos complejos que no se pueden estudiar con métodos lineales.
Procesado estadístico de señales
El procesado estadístico de señales trata las señales como si fueran procesos aleatorios. Utiliza las propiedades estadísticas de las señales para realizar tareas. Por ejemplo, se puede usar para reducir el ruido en una imagen, entendiendo cómo se distribuye el ruido.
¿Para qué se usa el procesado de señal?
El procesado de señal tiene muchas aplicaciones importantes:
- Audio: Para señales eléctricas que representan sonidos, como la voz o la música.
- Imágenes: En cámaras digitales, ordenadores y otros sistemas de imagen.
- Video: Para entender imágenes en movimiento.
- Comunicación inalámbrica: Para crear y recibir señales de radio, filtrar el ruido y mejorar la calidad.
- Sistemas de control: Para manejar y regular procesos.
- Procesado de matrices: Para señales que vienen de grupos de sensores.
- Control de procesos: En la industria, para controlar máquinas y sistemas.
- Sismología: Para analizar datos de terremotos.
- Finanzas: Para analizar datos económicos y hacer predicciones.
- Extracción de características: Para identificar elementos importantes, como en el reconocimiento de voz.
- Mejora de calidad: Para reducir el ruido, mejorar imágenes o eliminar ecos.
- Codificación: Para comprimir audio, imágenes o video y que ocupen menos espacio.
- Genómica: En el estudio de la información genética.
- Geofísica: Para mejorar la señal en mediciones de datos geofísicos.
En los sistemas de comunicación, el procesado de señales es fundamental en varias etapas:
- En la capa física, para la modulación (preparar la señal para la transmisión) y la multiplexación (enviar varias señales a la vez).
- En la capa de enlace de datos, para corregir errores.
- En la capa de presentación, para la compresión de datos.
Dispositivos comunes
Algunos dispositivos típicos que se usan en el procesado de señal son:
- Filtros: Pueden ser analógicos o digitales, y sirven para eliminar partes no deseadas de una señal.
- Muestreadores y convertidores de analógico a digital: Se usan para tomar una señal física, convertirla a digital y luego, si es necesario, reconstruir la señal original.
- Compresores de señal: Reducen el tamaño de los datos de una señal.
- Procesador de señal digital (DSP): Un chip especializado para realizar operaciones de procesado digital de señales.
Historia del procesado de señal
Los principios del procesado de señal se remontan al siglo XVII, con las técnicas de análisis numérico. Sin embargo, el desarrollo digital de estas técnicas se vio en los sistemas de control digital de los años 40 y 50.
En 1948, Claude Shannon publicó un artículo muy importante llamado "Una teoría matemática de la comunicación". Este trabajo sentó las bases para el desarrollo de los sistemas de comunicación y el procesado de señales.
El procesado de señales creció mucho en las décadas de 1960 y 1970. En los años 80, el uso del procesado digital de señales se hizo muy común gracias a los chips procesadores de señales digitales especializados.
Véase también
En inglés: Signal processing Facts for Kids
- Procesado analógico de señal
- Procesado digital de señal
- Muestreo
- Aliasing
- Procesamiento digital de audio
- Electrónica
