Distorsión

En el procesamiento de señales , la distorsión es la alteración de la forma original (u otra característica) de una señal . En comunicaciones y electrónica, significa la alteración de la forma de onda de una señal portadora de información , como una señal de audio que representa sonido o una señal de video que representa imágenes, en un dispositivo electrónico o canal de comunicación .

La distorsión no suele ser deseada, por lo que los ingenieros se esfuerzan por eliminarla o minimizarla. Sin embargo, en algunas situaciones, la distorsión puede ser deseable. Por ejemplo, en sistemas de reducción de ruido como el sistema Dolby , una señal de audio se distorsiona deliberadamente de manera que se enfaticen los aspectos de la señal que están sujetos al ruido eléctrico , y luego se "desdistorsiona" simétricamente después de pasar por un canal de comunicación ruidoso, lo que reduce el ruido en la señal recibida. La distorsión también se utiliza como efecto musical , en particular con guitarras eléctricas .

La adición de ruido u otras señales externas ( zumbido , interferencia ) no se considera distorsión, aunque los efectos de la distorsión de cuantificación a veces se incluyen en el ruido. Las medidas de calidad que reflejan tanto el ruido como la distorsión incluyen la relación señal-ruido y distorsión (SINAD) y la distorsión armónica total más ruido (THD+N).

En telecomunicaciones y procesamiento de señales , un sistema libre de ruido se puede caracterizar por una función de transferencia , de modo que la salida se puede escribir como una función de la entrada como${\displaystyle y(t)}$${\estilo de visualización x}$

${\displaystyle y(t)=F(x(t))}$

Cuando la función de transferencia comprende únicamente una constante de ganancia perfecta A y un retardo perfecto T

${\displaystyle y(t)=A\cdot x(tT)}$

La salida no está distorsionada. La distorsión ocurre cuando la función de transferencia F es más complicada que esto. Si F es una función lineal , por ejemplo un filtro cuya ganancia y/o retardo varía con la frecuencia, la señal sufre una distorsión lineal. La distorsión lineal no introduce nuevos componentes de frecuencia en una señal, pero sí altera el equilibrio de los existentes.

Este diagrama muestra el comportamiento de una señal (compuesta por una onda cuadrada seguida de una onda sinusoidal ) a medida que pasa a través de varias funciones distorsionadoras.

1. La primera traza (en negro) muestra la entrada. También muestra la salida de una función de transferencia no distorsionante (línea recta).
2. Un filtro de paso alto (trazo verde) distorsiona la forma de una onda cuadrada al reducir sus componentes de baja frecuencia. Esta es la causa de la "caída" que se observa en la parte superior de los pulsos. Esta "distorsión de pulso" puede ser muy significativa cuando un tren de pulsos debe pasar a través de un amplificador acoplado a CA (filtrado de paso alto). Como la onda sinusoidal contiene solo una frecuencia, su forma no se altera.
3. Un filtro de paso bajo (trazo azul) redondea los pulsos eliminando los componentes de alta frecuencia. Todos los sistemas son de paso bajo en cierta medida. Tenga en cuenta que la fase de la onda sinusoidal es diferente para los casos de paso bajo y paso alto, debido a la distorsión de fase de los filtros.
4. Una función de transferencia ligeramente no lineal (violeta), que comprime suavemente los picos de la onda sinusoidal, como suele ocurrir en un amplificador de audio a válvulas . Esto genera pequeñas cantidades de armónicos de orden bajo.
5. Una función de transferencia con recorte fuerte (en rojo) genera armónicos de orden alto. Algunas partes de la función de transferencia son planas, lo que indica que se ha perdido toda la información sobre la señal de entrada en esta región.

La función de transferencia de un amplificador ideal, con ganancia y retardo perfectos, es sólo una aproximación. El comportamiento real del sistema suele ser diferente. Las no linealidades en la función de transferencia de un dispositivo activo (como tubos de vacío , transistores y amplificadores operacionales ) son una fuente común de distorsión no lineal; en componentes pasivos (como un cable coaxial o fibra óptica ), la distorsión lineal puede ser causada por inhomogeneidades, reflexiones , etc. en la trayectoria de propagación .

La distorsión de amplitud es una distorsión que ocurre en un sistema, subsistema o dispositivo cuando la amplitud de salida no es una función lineal de la amplitud de entrada en condiciones específicas.

La distorsión armónica agrega sobretonos que son múltiplos de números enteros de las frecuencias de una onda de sonido. ^[1] Las no linealidades que dan lugar a la distorsión de amplitud en los sistemas de audio se miden con mayor frecuencia en términos de los armónicos (sobretonos) agregados a una onda sinusoidal pura alimentada al sistema. La distorsión armónica se puede expresar en términos de la fuerza relativa de los componentes individuales, en decibeles , o la raíz cuadrada media de todos los componentes armónicos: Distorsión armónica total (THD), como porcentaje. El nivel en el que la distorsión armónica se vuelve audible depende de la naturaleza exacta de la distorsión. Diferentes tipos de distorsión (como la distorsión de cruce ) son más audibles que otros (como el recorte suave ) incluso si las mediciones de THD son idénticas. La distorsión armónica en aplicaciones de radiofrecuencia rara vez se expresa como THD.

La respuesta de frecuencia no uniforme es una forma de distorsión que se produce cuando se amplifican distintas frecuencias en un filtro en cantidades diferentes . Por ejemplo, la curva de respuesta de frecuencia no uniforme de un amplificador en cascada acoplado a CA es un ejemplo de distorsión de frecuencia. En el caso del audio, esto se debe principalmente a la acústica de la sala, altavoces y micrófonos deficientes, cables de altavoz largos en combinación con una impedancia de altavoz dependiente de la frecuencia , etc.

Esta forma de distorsión se produce principalmente debido a la reactancia eléctrica . En este caso, todos los componentes de la señal de entrada no se amplifican con el mismo desfase, por lo que algunas partes de la señal de salida quedan desfasadas con respecto al resto de la salida.

Se puede encontrar únicamente en medios dispersivos . En una guía de ondas , la velocidad de fase varía con la frecuencia. En un filtro, el retardo de grupo tiende a alcanzar su pico cerca de la frecuencia de corte , lo que produce distorsión de pulso. Cuando los troncales analógicos de larga distancia eran comunes, por ejemplo en la portadora de 12 canales , la distorsión del retardo de grupo debía corregirse en los repetidores .

Como la salida del sistema está dada por y(t) = F(x(t)), entonces si se puede encontrar la función inversa F ⁻¹ y usarla intencionalmente para distorsionar la entrada o la salida del sistema, entonces se corrige la distorsión.

Un ejemplo de una corrección similar es cuando las grabaciones de LP/ vinilo o las transmisiones de audio FM se enfatizan previamente deliberadamente mediante un filtro lineal ; el sistema de reproducción aplica un filtro inverso para que el sistema general no quede distorsionado.

La corrección no es posible si no existe la función inversa, por ejemplo, si la función de transferencia tiene puntos planos (la función inversa asignaría múltiples puntos de entrada a un único punto de salida). Esto produce una pérdida de información incorregible. Esta situación puede ocurrir cuando se sobrecarga un amplificador, lo que provoca distorsión por recorte o velocidad de respuesta cuando, por un momento, las características del amplificador por sí solas y no la señal de entrada determinan la salida.

Muchos circuitos electrónicos simétricos reducen la magnitud de los armónicos pares generados por las no linealidades de los componentes del amplificador, combinando dos señales de mitades opuestas del circuito, donde los componentes de distorsión son aproximadamente de la misma magnitud pero desfasados. Algunos ejemplos son los amplificadores push-pull y los pares de cola larga .

En la señalización binaria, como FSK , la distorsión es el desplazamiento de los instantes significativos de los pulsos de señal desde sus posiciones adecuadas con respecto al comienzo del pulso de inicio. La magnitud de la distorsión se expresa en porcentaje de una longitud de pulso unitaria ideal . Esto a veces se denomina distorsión de polarización .

La distorsión telegráfica es un problema similar y más antiguo, que distorsiona la relación entre los intervalos de marca y espacio . ^[2]

Formas de onda distorsionadas

Un ejemplo de audio de una muestra corta seguida de diferentes versiones distorsionadas de la misma.

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Con respecto al audio, la distorsión se refiere a cualquier tipo de deformación de una forma de onda de salida en comparación con su entrada, generalmente recorte , distorsión armónica o distorsión de intermodulación ( fenómenos de mezcla ) causados ​​por el comportamiento no lineal de los componentes electrónicos y las limitaciones de la fuente de alimentación. ^[3] Los términos para tipos específicos de distorsión de audio no lineal incluyen: distorsión de cruce y distorsión inducida por slew (SID).

Otras formas de distorsión de audio son la respuesta de frecuencia no plana , la compresión , la modulación , el aliasing , el ruido de cuantificación , el wow y el flutter de los medios analógicos, como los discos de vinilo y las cintas magnéticas . El oído humano no puede oír la distorsión de fase , excepto que puede afectar a la imagen estéreo .

En la mayoría de los campos, la distorsión se caracteriza como un cambio no deseado en una señal. La distorsión en la música suele usarse intencionalmente como un efecto cuando se aplica a una señal de guitarra eléctrica en estilos de música rock como el heavy metal y el punk rock .

En las artes visuales, una distorsión es cualquier cambio que un artista realiza en el tamaño, la forma o el carácter visual de una forma con el fin de expresar una idea, transmitir un sentimiento o mejorar el impacto visual. Tales distorsiones o "abstracciones" se refieren principalmente a desviaciones intencionadas de la perspectiva fotorrealista o de la proporcionalidad realista. Algunos ejemplos son " La mujer que llora " de Picasso y " La adoración de los pastores " de El Greco, cuyos temas humanos están proporcionados de forma irregular y (como suele ocurrir con las distorsiones físicas) asimétrica, de una manera que no es posible en la perspectiva estándar .

En óptica , la distorsión de imagen/óptica es una divergencia de la proyección rectilínea causada por un cambio en el aumento con el aumento de la distancia desde el eje óptico de un sistema óptico.

En cartografía , una distorsión es la representación errónea del área o la forma de una característica. La proyección de Mercator , por ejemplo, distorsiona exagerando el tamaño de las regiones en latitudes altas .

 Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de MIL-STD-188 ).

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