La señal se refiere tanto al proceso como al resultado de la transmisión de datos a través de algún medio logrado mediante la incorporación de alguna variación. Las señales son importantes en múltiples campos temáticos, incluido el procesamiento de señales , la teoría de la información y la biología .
En el procesamiento de señales, una señal es una función que transmite información sobre un fenómeno. [1] Cualquier cantidad que pueda variar en el espacio o el tiempo puede usarse como señal para compartir mensajes entre observadores. [2] Las Transacciones IEEE sobre procesamiento de señales incluyen audio , video , voz, imagen , sonar y radar como ejemplos de señales. [3] Una señal también puede definirse como cualquier cambio observable en una cantidad en el espacio o el tiempo (una serie de tiempo ), incluso si no transporta información. [a]
En la naturaleza, las señales pueden ser acciones realizadas por un organismo para alertar a otros organismos, que van desde la liberación de sustancias químicas vegetales para advertir a las plantas cercanas sobre un depredador, hasta sonidos o movimientos realizados por animales para alertar a otros animales sobre la comida. La señalización ocurre en todos los organismos incluso a nivel celular, siendo la señalización celular . La teoría de la señalización , en biología evolutiva , propone que un impulsor sustancial de la evolución es la capacidad de los animales para comunicarse entre sí mediante el desarrollo de formas de señalización. En ingeniería humana, las señales suelen ser proporcionadas por un sensor y, a menudo, la forma original de una señal se convierte en otra forma de energía mediante un transductor . Por ejemplo, un micrófono convierte una señal acústica en una forma de onda de voltaje y un altavoz hace lo contrario. [1]
Otra propiedad importante de una señal es su entropía o contenido de información . La teoría de la información sirve como estudio formal de las señales y su contenido. La información de una señal suele ir acompañada de ruido , que se refiere principalmente a modificaciones no deseadas de las señales, pero a menudo se amplía para incluir señales no deseadas que entran en conflicto con las señales deseadas ( diafonía ). La reducción del ruido se cubre en parte bajo el título de integridad de la señal . La separación de las señales deseadas del ruido de fondo es el campo de la recuperación de señales , [5] una rama de la cual es la teoría de la estimación , un enfoque probabilístico para suprimir perturbaciones aleatorias.
Disciplinas de ingeniería como la ingeniería eléctrica han avanzado en el diseño, estudio e implementación de sistemas que involucran transmisión , almacenamiento y manipulación de información. En la segunda mitad del siglo XX, la propia ingeniería eléctrica se separó en varias disciplinas: la ingeniería electrónica y la ingeniería informática se desarrollaron para especializarse en el diseño y análisis de sistemas que manipulan señales físicas, mientras que la ingeniería de diseño se desarrolló para abordar el diseño funcional de señales en el usuario. –interfaces de máquina .
Las definiciones específicas de los subcampos son comunes:
Las señales se pueden clasificar de varias maneras. La distinción más común [ se necesita verificación ] es entre espacios discretos y continuos en los que se definen las funciones, por ejemplo, dominios de tiempo discretos y continuos. Las señales de tiempo discreto a menudo se denominan series de tiempo en otros campos. Las señales de tiempo continuo a menudo se denominan señales continuas .
Una segunda distinción importante es entre valores discretos y valores continuos. Particularmente en el procesamiento de señales digitales , una señal digital puede definirse como una secuencia de valores discretos, típicamente asociados con un proceso físico subyacente de valor continuo. En electrónica digital , las señales digitales son señales de forma de onda de tiempo continuo en un sistema digital, que representan un flujo de bits.
Las señales también pueden clasificarse según su distribución espacial como señales de fuente puntual (PSS) o señales de fuente distribuida (DSS). [2]
En Señales y Sistemas las señales se pueden clasificar según muchos criterios, principalmente: según la diferente característica de los valores, clasificadas en señales analógicas y señales digitales ; según la determinación de las señales, clasificadas en señales deterministas y señales aleatorias; Según la intensidad de las señales , se clasifican en señales de energía y señales de potencia.
Dos tipos principales de señales que se encuentran en la práctica son las analógicas y las digitales . La figura muestra una señal digital que resulta de aproximar una señal analógica por sus valores en instantes de tiempo particulares. Las señales digitales están cuantificadas , mientras que las señales analógicas son continuas.
Una señal analógica es cualquier señal continua para la cual la característica de variación en el tiempo de la señal es una representación de alguna otra cantidad que varía en el tiempo, es decir, análoga a otra señal que varía en el tiempo. Por ejemplo, en una señal de audio analógica, el voltaje instantáneo de la señal varía continuamente con la presión del sonido . Se diferencia de una señal digital , en la que la cantidad continua es una representación de una secuencia de valores discretos que sólo puede tomar uno de un número finito de valores. [6] [7]
El término señal analógica suele referirse a señales eléctricas ; sin embargo, las señales analógicas pueden utilizar otros medios como el mecánico , neumático o hidráulico . Una señal analógica utiliza alguna propiedad del medio para transmitir la información de la señal. Por ejemplo, un barómetro aneroide utiliza la posición giratoria como señal para transmitir información de presión. En una señal eléctrica, el voltaje , la corriente o la frecuencia de la señal se pueden variar para representar la información.
Cualquier información puede transmitirse mediante una señal analógica; A menudo, dicha señal es una respuesta medida a cambios en fenómenos físicos, como el sonido , la luz , la temperatura , la posición o la presión . La variable física se convierte en una señal analógica mediante un transductor . Por ejemplo, en la grabación de sonido, las fluctuaciones de la presión del aire (es decir, del sonido ) golpean el diafragma de un micrófono , lo que induce las correspondientes fluctuaciones eléctricas. Se dice que el voltaje o la corriente son análogos del sonido.
Una señal digital es una señal que se construye a partir de un conjunto discreto de formas de onda de una cantidad física para representar una secuencia de valores discretos . [8] [9] [10] Una señal lógica es una señal digital con solo dos valores posibles, [11] [12] y describe un flujo de bits arbitrario . Otros tipos de señales digitales pueden representar lógica de tres valores o lógica de mayor valor.
Alternativamente, se puede considerar que una señal digital es la secuencia de códigos representados por dicha cantidad física. [13] La cantidad física puede ser una corriente o voltaje eléctrico variable, la intensidad, fase o polarización de un campo óptico u otro campo electromagnético , la presión acústica, la magnetización de un medio de almacenamiento magnético , etc. Las señales digitales están presentes en toda la electrónica digital. , en particular equipos informáticos y transmisión de datos .
Con las señales digitales, el ruido del sistema, siempre que no sea demasiado grande, no afectará el funcionamiento del sistema, mientras que el ruido siempre degrada el funcionamiento de las señales analógicas hasta cierto punto.
Las señales digitales a menudo surgen a través del muestreo de señales analógicas, por ejemplo, un voltaje que fluctúa continuamente en una línea que puede digitalizarse mediante un circuito convertidor analógico a digital , en el que el circuito leerá el nivel de voltaje en la línea, digamos, cada 50 microsegundos y representan cada lectura con un número fijo de bits. El flujo de números resultante se almacena como datos digitales en una señal de amplitud cuantificada y de tiempo discreto. Las computadoras y otros dispositivos digitales están restringidos al tiempo discreto.
Según la intensidad de las señales, las señales prácticas se pueden clasificar en dos categorías: señales de energía y señales de potencia. [14]
Señales de energía: La energía de esas señales es igual a un valor positivo finito, pero sus potencias promedio son 0;
Señales de potencia: La potencia promedio de esas señales es igual a un valor positivo finito , pero su energía es infinita .
Las señales deterministas son aquellas cuyos valores en cualquier momento son predecibles y pueden calcularse mediante una ecuación matemática.
Las señales aleatorias son señales que toman valores aleatorios en cualquier instante dado y deben modelarse estocásticamente . [15]
Una señal par satisface la condición.
o de manera equivalente si la siguiente ecuación es válida para todos y en el dominio de :
Una señal impar satisface la condición.
o de manera equivalente si la siguiente ecuación es válida para todos y en el dominio de :
Se dice que una señal es periódica si cumple la condición:
o
Dónde:
= período de tiempo fundamental ,
= frecuencia fundamental .
Se repetirá una señal periódica para cada período.
Las señales se pueden clasificar en tiempo continuo o discreto . En la abstracción matemática, el dominio de una señal de tiempo continuo es el conjunto de números reales (o algún intervalo de los mismos), mientras que el dominio de una señal de tiempo discreto (DT) es el conjunto de números enteros (u otros subconjuntos de números reales). ). Lo que representan estos números enteros depende de la naturaleza de la señal; la mayoría de las veces es el momento.
Una señal de tiempo continuo es cualquier función que se define en cada momento t en un intervalo, más comúnmente un intervalo infinito. Una fuente simple para una señal de tiempo discreto es el muestreo de una señal continua, aproximando la señal mediante una secuencia de sus valores en instantes de tiempo particulares.
Si una señal se va a representar como una secuencia de datos digitales, es imposible mantener una precisión exacta: cada número de la secuencia debe tener un número finito de dígitos. Como resultado, los valores de dicha señal deben cuantificarse en un conjunto finito para una representación práctica. La cuantización es el proceso de convertir una señal de audio analógica continua en una señal digital con valores numéricos discretos de números enteros.
Las señales que se producen naturalmente se pueden convertir en señales electrónicas mediante varios sensores . Ejemplos incluyen:
El procesamiento de señales es la manipulación de señales. Un ejemplo común es la transmisión de señales entre diferentes ubicaciones. La realización de una señal en forma eléctrica se realiza mediante un transductor que convierte la señal de su forma original en una forma de onda expresada como corriente o voltaje , o radiación electromagnética , por ejemplo, una señal óptica o transmisión de radio . Una vez expresada como una señal electrónica, la señal está disponible para su posterior procesamiento mediante dispositivos eléctricos como amplificadores y filtros electrónicos , y puede transmitirse a una ubicación remota mediante un transmisor y recibirse mediante receptores de radio .
En los programas de ingeniería eléctrica (EE), las señales se tratan en una clase y campo de estudio conocido como señales y sistemas . Dependiendo de la escuela, los estudiantes universitarios de EE generalmente toman la clase como junior o senior, normalmente dependiendo del número y nivel de clases previas de álgebra lineal y ecuaciones diferenciales que hayan tomado. [19]
El campo estudia las señales de entrada y salida, y las representaciones matemáticas entre ellas conocidas como sistemas, en cuatro dominios: tiempo, frecuencia, s y z . Dado que tanto las señales como los sistemas se estudian en estos cuatro dominios, existen ocho divisiones principales de estudio. Como ejemplo, cuando se trabaja con señales de tiempo continuo ( t ), se podría transformar del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia o s ; o desde el tiempo discreto ( n ) hasta los dominios de frecuencia o z . Los sistemas también pueden transformarse entre estos dominios como señales, con continuas a s y discretas a z .
Señales y sistemas es un subconjunto del campo de la modelización matemática . Implica análisis y diseño de circuitos mediante modelos matemáticos y algunos métodos numéricos, y se actualizó hace varias décadas con herramientas de sistemas dinámicos que incluyen ecuaciones diferenciales y, recientemente, lagrangianos . Se espera que los estudiantes comprendan las herramientas de modelado, así como las matemáticas, la física, el análisis de circuitos y las transformaciones entre los 8 dominios.
Debido a que temas de ingeniería mecánica (ME) como fricción, amortiguación, etc. tienen analogías muy cercanas en la ciencia de señales (inductancia, resistencia, voltaje, etc.), muchas de las herramientas utilizadas originalmente en las transformaciones ME (transformadas de Laplace y Fourier, lagrangianas, teoría de muestreo , probabilidad, ecuaciones en diferencias, etc.) ahora se han aplicado a señales, circuitos, sistemas y sus componentes, análisis y diseño en EE. Los sistemas dinámicos que involucran ruido, filtrado y otros atractores y repelentes aleatorios o caóticos han colocado ahora a las ciencias y estadísticas estocásticas entre las funciones discretas y continuas más deterministas del campo. (Determinista, como se usa aquí, significa señales que están completamente determinadas en función del tiempo).
Los taxónomos de EE aún no han decidido dónde se ubican las señales y los sistemas dentro del campo completo del procesamiento de señales versus el análisis de circuitos y el modelado matemático, pero el vínculo común de los temas que se cubren en el curso de estudio ha aclarado los límites con docenas de libros, revistas. , etc. llamado "Señales y Sistemas", y utilizado como texto y preparación para exámenes de EE, así como, recientemente, exámenes de ingeniería informática. [20]
Una señal es una función que transmite información sobre el comportamiento de un sistema o los atributos de algún fenómeno.
En consecuencia, una señal, representada en función de una o más variables, puede definirse como un cambio observable en una entidad cuantificable.
En términos muy generales, una señal es cualquier cantidad física que varía en el tiempo.
Una representación digital sólo puede tener valores discretos específicos.
Una señal digital es una forma de onda compleja y puede definirse como una forma de onda discreta que tiene un conjunto finito de niveles.
Una señal digital es una forma especial de señal de tiempo discreto que es discreta tanto en tiempo como en amplitud, obtenida permitiendo que cada valor (muestra) de una señal de tiempo discreto adquiera un conjunto finito de valores (cuantización), asignándole un valor numérico. símbolo según un código... Una señal digital es una secuencia o lista de números extraídos de un conjunto finito.
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace ) Mantenimiento CS1: nombres numéricos: lista de autores ( enlace ){{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace )