Señal

El término señal hace referencia tanto al proceso como al resultado de la transmisión de datos a través de algún medio, que se logra incorporando alguna variación. Las señales son importantes en múltiples campos temáticos, entre ellos, 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 se puede utilizar 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 temporal ), 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 de un depredador, hasta sonidos o movimientos realizados por animales para alertar a otros animales de la comida. La señalización se produce en todos los organismos, incluso a nivel celular, con 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 la 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 utilizando 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 el estudio formal de las señales y su contenido. La información de una señal a menudo va acompañada de ruido , que se refiere principalmente a modificaciones no deseadas de las señales, pero a menudo se extiende 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 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 interfaces usuario-máquina .

Las definiciones específicas de los subcampos son comunes:

• En electrónica y telecomunicaciones , una señal se refiere a cualquier voltaje , corriente u onda electromagnética que varía en el tiempo y que transporta información.
• En el procesamiento de señales , las señales son representaciones analógicas y digitales de cantidades físicas analógicas.
• En teoría de la información , una señal es un mensaje codificado, es decir, la secuencia de estados en un canal de comunicación que codifica un mensaje.
• En un sistema de comunicación, un transmisor codifica un mensaje para crear una señal que se transmite a un receptor a través del canal de comunicación. Por ejemplo, las palabras " María tenía un corderito " podrían ser el mensaje que se transmite a un teléfono . El transmisor del teléfono convierte los sonidos en una señal eléctrica. La señal se transmite al teléfono receptor a través de cables; en el receptor se reconvierte en sonidos.
• En las redes telefónicas, la señalización , por ejemplo la señalización de canal común , se refiere al número de teléfono y otra información de control digital en lugar de a la señal de voz real.

Las señales se pueden clasificar de varias maneras. La distinción más común ^{[ se requiere verificación ] es entre espacios discretos y continuos en los que se definen las funciones, por ejemplo, dominios de tiempo discreto y continuo.} Las señales de tiempo discreto suelen denominarse series temporales en otros campos. Las señales de tiempo continuo suelen denominarse señales continuas .

Una segunda distinción importante es entre valores discretos y valores continuos. En particular, en el procesamiento de señales digitales , una señal digital puede definirse como una secuencia de valores discretos, normalmente asociados a un proceso físico subyacente de valor continuo. En electrónica digital , las señales digitales son las señales de forma de onda de tiempo continuo en un sistema digital, que representan un flujo de bits.

Las señales también pueden clasificarse por sus distribuciones espaciales 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 las diferentes características de los valores, se clasifican en señales analógicas y señales digitales ; según la determinación de las señales, se clasifican en señales deterministas y señales aleatorias; según la intensidad de las señales , se clasifican en señales de energía y señales de potencia.

Los 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 en la que la característica de variación temporal de la señal es una representación de alguna otra cantidad variable en el tiempo, es decir, análoga a otra señal variable en el tiempo. Por ejemplo, en una señal de audio analógica , el voltaje instantáneo de la señal varía continuamente con la presión sonora . Se diferencia de una señal digital , en la que la cantidad continua es una representación de una secuencia de valores discretos que solo puede tomar uno de un número finito de valores. ^{[6] [7]}

El término señal analógica generalmente se refiere a señales eléctricas ; sin embargo, las señales analógicas pueden utilizar otros medios, como mecánicos , neumáticos o hidráulicos . Una señal analógica utiliza alguna propiedad del medio para transmitir la información de la señal. Por ejemplo, un barómetro aneroide utiliza la posición rotatoria como señal para transmitir información de presión. En una señal eléctrica, el voltaje , la corriente o la frecuencia de la señal 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 en la presión del aire (es decir, el sonido ) golpean el diafragma de un micrófono , lo que induce fluctuaciones eléctricas correspondientes. Se dice que el voltaje o la corriente son un análogo 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 lógicas de valores superiores.

Alternativamente, una señal digital puede considerarse como la secuencia de códigos representados por dicha cantidad física. ^[13] La cantidad física puede ser una corriente eléctrica o voltaje variable, la intensidad, fase o polarización de un campo óptico u otro campo electromagnético , presión acústica, la magnetización de un medio de almacenamiento magnético , etc. Las señales digitales están presentes en toda la electrónica digital , en particular en los equipos de computación y transmisión de datos .

Con 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 suelen surgir a partir del muestreo de señales analógicas, por ejemplo, un voltaje que fluctúa continuamente en una línea que puede digitalizarse mediante un circuito convertidor de analógico a digital , en el que el circuito leerá el nivel de voltaje en la línea, por ejemplo, cada 50  microsegundos y representará 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 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;

${\displaystyle 0<E=\int _{-\infty}^{\infty}s^{2}(t)dt<\infty}$

Señales de potencia: La potencia media de esas señales es igual a un valor positivo finito , pero su energía es infinita .

${\displaystyle P=\lim _{T\rightarrow \infty }{\frac {1}{T}}\int _{-T/2}^{T/2}s^{2}(t)dt}$

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 de tiempo dado y deben modelarse estocásticamente . ^[15]

Una señal par satisface la condición${\displaystyle x(t)=x(-t)}$

o equivalentemente si la siguiente ecuación es válida para todos y en el dominio de :${\estilo de visualización t}$${\estilo de visualización -t}$${\estilo de visualización x}$

${\displaystyle x(t)-x(-t)=0.}$

Una señal impar satisface la condición${\displaystyle x(t)=-x(-t)}$

o equivalentemente si la siguiente ecuación es válida para todos y en el dominio de :${\estilo de visualización t}$${\estilo de visualización -t}$${\estilo de visualización x}$

${\displaystyle x(t)+x(-t)=0.}$

Se dice que una señal es periódica si satisface la condición:

${\displaystyle x(t)=x(t+T)\quad \para todo t\en [t_{0},t_{max}]}$o${\displaystyle x(n)=x(n+N)\quad \para todo n\en [n_{0},n_{max}]}$

Dónde:

${\estilo de visualización T}$= período de tiempo fundamental ,

${\estilo de visualización 1/T=f}$= frecuencia fundamental .

Lo mismo se puede aplicar a . Una señal periódica se repetirá para cada período.${\estilo de visualización N}$

Las señales se pueden clasificar como continuas o discretas . En la abstracción matemática, el dominio de una señal continua es el conjunto de números reales (o algún intervalo de los mismos), mientras que el dominio de una señal discreta (DT) es el conjunto de números enteros (u otros subconjuntos de números reales). Lo que estos números enteros representan depende de la naturaleza de la señal; lo más frecuente es que sea el tiempo.

Una señal de tiempo continuo es cualquier función que se define en cada instante 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 se va a representar una señal como una secuencia de datos digitales, es imposible mantener una precisión exacta: cada número de la secuencia debe tener una cantidad finita de dígitos. Como resultado, los valores de dicha señal deben cuantificarse en un conjunto finito para una representación práctica. La cuantificación 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 de forma natural se pueden convertir en señales electrónicas mediante diversos sensores . Algunos ejemplos son:

• Movimiento . El movimiento de un objeto puede considerarse una señal y puede ser monitoreado por varios sensores para proporcionar señales eléctricas. ^[16] Por ejemplo, el radar puede proporcionar una señal electromagnética para seguir el movimiento de una aeronave. Una señal de movimiento es unidimensional (tiempo) y el rango es generalmente tridimensional. La posición es, por lo tanto, una señal de 3 vectores; la posición y orientación de un cuerpo rígido es una señal de 6 vectores. Las señales de orientación se pueden generar utilizando un giroscopio . ^[17]
• Sonido . Dado que un sonido es una vibración de un medio (como el aire), una señal de sonido asocia unvalor de presión a cada valor de tiempo y posiblemente tres coordenadas espaciales que indican la dirección de viaje. Una señal de sonido se convierte en una señal eléctrica mediante un micrófono , generando una señal de voltaje como análogo de la señal de sonido. Las señales de sonido se pueden muestrear en un conjunto discreto de puntos de tiempo; por ejemplo, los discos compactos (CD) contienen señales discretas que representan el sonido, grabadas a 44.100 Hz ; dado que los CD se graban en estéreo , cada muestra contiene datos para un canal izquierdo y derecho, que pueden considerarse una señal de 2 vectores. La codificación del CD se convierte en una señal eléctrica leyendo la información con un láser , convirtiendo la señal de sonido en una señal óptica. ^[18]
• Imágenes . Una imagen o dibujo consiste en una señal de brillo o color, una función de una ubicación bidimensional. La apariencia del objeto se presenta como luz emitida o reflejada , una señal electromagnética. Se puede convertir en formas de onda de voltaje o corriente utilizando dispositivos como el dispositivo acoplado a carga . Una imagen 2D puede tener un dominio espacial continuo, como en una fotografía o pintura tradicional; o la imagen puede estar discretizada en el espacio, como en una imagen digital . Las imágenes en color se representan típicamente como una combinación de imágenes monocromas en tres colores primarios .
• Vídeos . Una señal de vídeo es una secuencia de imágenes. Un punto de un vídeo se identifica por su posición bidimensional en la imagen y por el momento en el que se produce, por lo que una señal de vídeo tiene un dominio tridimensional. El vídeo analógico tiene una dimensión de dominio continuo (a lo largo de una línea de barrido ) y dos dimensiones discretas (fotograma y línea).
• Potenciales de membrana biológicos . El valor de la señal es un potencial eléctrico (voltaje). El dominio es más difícil de establecer. Algunas células u orgánulos tienen el mismo potencial de membrana en toda su extensión; las neuronas generalmente tienen potenciales diferentes en diferentes puntos. Estas señales tienen energías muy bajas, pero son suficientes para hacer funcionar los sistemas nerviosos; se pueden medir en conjunto mediante técnicas de electrofisiología .
• La salida de un termopar , que transmite información de temperatura. ^[1]
• La salida de un medidor de pH que transmite información de acidez. ^[1]

El procesamiento de señales es la manipulación de señales. Un ejemplo común es la transmisión de señales entre diferentes ubicaciones. La materialización de una señal en forma eléctrica se realiza mediante un transductor que convierte la señal de su forma original a una forma de onda expresada como una corriente o un voltaje , o radiación electromagnética , por ejemplo, una señal óptica o transmisión de radio . Una vez expresada como señal electrónica, la señal está disponible para su posterior procesamiento por parte de dispositivos eléctricos como amplificadores y filtros electrónicos , y puede transmitirse a una ubicación remota mediante un transmisor y recibirse utilizando receptores de radio .

En los programas de ingeniería eléctrica (EE), las señales se cubren en una clase y un campo de estudio conocido como señales y sistemas . Dependiendo de la escuela, los estudiantes de pregrado de EE generalmente toman la clase como estudiantes de penúltimo o último año, normalmente dependiendo de la cantidad y el 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 las señales y los sistemas se estudian en estos cuatro dominios, hay 8 divisiones principales de estudio. Como ejemplo, cuando se trabaja con señales de tiempo continuo ( t ), se puede transformar del dominio del tiempo a un dominio de frecuencia o s ; o del tiempo discreto ( n ) a los dominios de frecuencia o z . Los sistemas también se pueden transformar entre estos dominios como las señales, con continuo a s y discreto a z .

Señales y sistemas es un subconjunto del campo de modelado matemático . Implica el análisis y diseño de circuitos a través del modelado matemático 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 los temas de ingeniería mecánica (ME) como fricción, amortiguamiento, 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, lagrangianos, teoría de muestreo, probabilidad, ecuaciones diferenciales, 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 ahora han colocado a las ciencias estocásticas y estadísticas entre las funciones discretas y continuas más deterministas en el campo. (Determinista como se usa aquí significa señales que están completamente determinadas como funciones del tiempo).

Los taxonomistas de EE aún no han decidido dónde se ubican las señales y los sistemas dentro del campo del procesamiento de señales frente al análisis de circuitos y el modelado matemático, pero el vínculo común de los temas que se cubren en el curso de estudio ha difuminado las fronteras con docenas de libros, revistas, etc. llamados "Señales y sistemas", y se utilizan como texto y preparación para exámenes de EE, así como, recientemente, para exámenes de ingeniería informática. ^[20]

• 
  Un señalero envía un mensaje de semáforo desde una torre de control de Pearl Harbor, c.  1960 .
• 
  Una señal distante finlandesa en el acceso occidental a la estación de Muhos muestra "Esperar parada" .
• 
  Una mujer que pide un taxi está enviando una señal de disponibilidad para ser recogida.
• 
  Una bengala es un medio común para hacer señales en condiciones de oscuridad o de mucho humo.

Wikilibros tiene un libro sobre el tema: Señales y sistemas

• Una teoría matemática de la comunicación  : artículo académico de Claude Shannon de 1948
• Bucle de corriente : un sistema de señalización de uso generalizado para el control de procesos
• Relación señal-ruido

• Hsu, PH (1995). Teoría y problemas de Schaum: señales y sistemas . McGraw-Hill. ISBN 0-07-030641-9.
• Lathi, BP (1998). Procesamiento de señales y sistemas lineales . Berkeley-Cambridge Press. ISBN 0-941413-35-7.