Señal

Una señal es tanto el proceso como el resultado de la transmisión de datos a través de algún medio , la cual se logra mediante la incorporación de alguna variación. Las señales son importantes en múltiples campos del conocimiento, incluyendo 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 magnitud que pueda variar en el espacio o el tiempo puede utilizarse como señal para compartir mensajes entre observadores. ^{[ 2 ]} Las Transacciones IEEE sobre Procesamiento de Señales incluyen audio , vídeo , voz, imagen , sonar y radar como ejemplos de señales. ^{[ 3 ]} Una señal también puede definirse como cualquier cambio observable en una magnitud 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, desde la liberación de sustancias químicas vegetales para advertir a las plantas cercanas de un depredador, hasta sonidos o movimientos emitidos por animales para alertar a otros animales sobre la presencia de alimento. La señalización ocurre en todos los organismos, incluso a nivel celular, mediante la señalización celular . La teoría de la señalización , en biología evolutiva , propone que un factor determinante de la evolución es la capacidad de los animales para comunicarse entre sí mediante el desarrollo de mecanismos 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 el 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 que a menudo se extiende para incluir señales no deseadas que entran en conflicto con las señales deseadas ( diafonía ). La reducción del ruido se trata en parte bajo el epígrafe 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 impulsado el diseño, el estudio y la implementación de sistemas que involucran la transmisión , el almacenamiento y la manipulación de información. En la segunda mitad del siglo XX, la ingeniería eléctrica se dividió 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 hombre-máquina .

Es común encontrar definiciones específicas para cada subcampo:

• En electrónica y telecomunicaciones , una señal se refiere a cualquier voltaje , corriente u onda electromagnética variable en el tiempo que transporta información.
• En el procesamiento de señales , las señales son representaciones analógicas y digitales de magnitudes 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 pronuncia por teléfono . El transmisor telefónico convierte los sonidos en una señal eléctrica. La señal se transmite al teléfono receptor mediante cables; en el receptor, se reconvierte en sonido.
• 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 propiamente dicha.

Las señales pueden clasificarse de diversas maneras. La distinción más común es entre espacios discretos y continuos sobre los que se definen las funciones; por ejemplo, dominios de tiempo discreto y continuo. En otros campos, las señales de tiempo discreto suelen denominarse series temporales , mientras que las señales de tiempo continuo suelen denominarse señales continuas .

Una segunda distinción importante radica en la diferencia entre valores discretos y continuos. En el procesamiento digital de señales , una señal digital se define como una secuencia de valores discretos, generalmente 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 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 las diferentes características 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 , clasificadas en señales de energía y señales de potencia.

Señales analógicas y digitales

En la práctica, existen dos tipos principales de señales: analógicas y digitales . La figura muestra una señal digital que se obtiene al aproximar una señal analógica mediante sus valores en instantes de tiempo específicos. Las señales digitales están cuantificadas , mientras que las analógicas son continuas.

Señal analógica

Una señal analógica es cualquier señal continua cuya característica variable en el tiempo representa otra magnitud variable en el tiempo, es decir, es 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 magnitud continua representa una secuencia de valores discretos que solo pueden 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 rotacional como señal para transmitir información sobre la 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 de la presión del aire (es decir, el sonido ) inciden sobre el diafragma de un micrófono , lo que induce fluctuaciones eléctricas correspondientes. Se dice que el voltaje o la corriente son una señal analógica del sonido.

Señal digital

Una señal digital es una señal que se construye a partir de un conjunto discreto de formas de onda de una magnitud 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 una secuencia de bits arbitraria . Otros tipos de señales digitales pueden representar lógica trivalente o lógica de valores superiores.

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

En el caso de las señales digitales, el ruido del sistema, siempre que no sea excesivo, no afectará al funcionamiento del sistema, mientras que el ruido siempre degrada en cierta medida el funcionamiento de las señales analógicas .

Las señales digitales suelen generarse mediante el muestreo de señales analógicas; por ejemplo, una tensión que fluctúa continuamente en una línea y que puede digitalizarse mediante un circuito convertidor analógico-digital . Este circuito lee el nivel de tensión en la línea, digamos, cada 50 microsegundos , y representa 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. Los ordenadores y otros dispositivos digitales están limitados al tiempo discreto. 

Par e impar

Señales pares e impares

${\displaystyle f(x)=x^{2}}$es un ejemplo de señal par.

${\displaystyle f(x)=x^{3}}$es un ejemplo de una señal extraña.

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

o equivalentemente si la siguiente ecuación se cumple para todos${\displaystyle t}$y${\displaystyle -t}$en el dominio de${\displaystyle x}$:

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

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

o equivalentemente si la siguiente ecuación se cumple para todos${\displaystyle t}$y${\displaystyle -t}$en el dominio de${\displaystyle x}$:

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

Periódico

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

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

Dónde:

${\displaystyle T}$= período de tiempo fundamental ,

${\displaystyle 1/T=f}$= frecuencia fundamental .

Lo mismo se puede aplicar a${\displaystyle N}$Una señal periódica se repetirá en cada período.

Discretización temporal

Las señales se pueden clasificar como de tiempo continuo o discreto . En la abstracción matemática, el dominio de una señal de tiempo continuo es el conjunto de los números reales (o algún intervalo del mismo), mientras que el dominio de una señal de tiempo discreto (TD) es el conjunto de los números enteros (u otros subconjuntos de números reales). Lo que representan estos números enteros depende de la naturaleza de la señal; generalmente, se trata del tiempo.

Una señal de tiempo continuo es cualquier función definida en cada instante t de un intervalo, generalmente infinito. Una forma sencilla de obtener una señal de tiempo discreto es mediante el muestreo de una señal continua, aproximando la señal a través de una secuencia de sus valores en instantes de tiempo específicos.

Las señales que se producen de forma natural pueden convertirse en señales electrónicas mediante diversos sensores . Algunos ejemplos son:

• Movimiento . El movimiento de un objeto puede considerarse una señal y puede ser monitoreado por diversos 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 generalmente es 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 pueden generarse utilizando un giroscopio . ^{[ 17 ]}
• Sonido . Dado que el sonido es una vibración de un medio (como el aire), una señal sonora asocia un valor de presión a cada valor de tiempo y posiblemente tres coordenadas espaciales que indican la dirección de propagación. Un micrófono convierte una señal sonora en una señal eléctrica, generando una señal de voltaje como análogo de la señal sonora. Las señales sonoras 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, lo que puede considerarse una señal vectorial de 2 bits. La codificación del CD se convierte en una señal eléctrica mediante la lectura de la información con un láser , transformando la señal sonora en una señal óptica. ^{[ 18 ]}
• Imágenes . Una imagen consiste en una señal de brillo o color, 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 de carga acoplada (CCD) . Una imagen 2D puede tener un dominio espacial continuo, como en una fotografía o pintura tradicional; o puede discretizarse en el espacio, como en una imagen digital . Las imágenes en color se representan típicamente como una combinación de imágenes monocromáticas en tres colores primarios .
• Vídeos . Una señal de vídeo es una secuencia de imágenes. Un punto en un vídeo se identifica por su posición bidimensional en la imagen y por el instante en que aparece, 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 exploración ) y dos dimensiones discretas (fotograma y línea).
• Temperatura , transmitida por ejemplo mediante la salida de un termopar . ^{[ 1 ]}
• pH o acidez , proporcionado por un medidor de pH . ^{[ 1 ]}
• Bioseñales . Una bioseñal es cualquier señal en un organismo vivo que puede medirse continuamente. El término bioseñal se usa a menudo para referirse a señales bioeléctricas, pero puede abarcar tanto señales eléctricas como no eléctricas. Generalmente, se entiende que se refiere únicamente a señales que varían con el tiempo, aunquea veces también se incluyen las variaciones de parámetros espaciales (por ejemplo, la secuencia de nucleótidos que determina el código genético ).
  • Potencial de membrana . Esta bioseñal es el voltaje a través de una membrana biológica . Su alcance es más difícil de determinar. Algunas células u orgánulos presentan el mismo potencial de membrana en toda su extensión; las neuronas, en general, tienen potenciales diferentes en distintos puntos. Estas señales tienen energías muy bajas, pero son suficientes para el funcionamiento del sistema nervioso; pueden medirse en conjunto mediante técnicas de electrofisiología .

El procesamiento de señales consiste en el análisis y la manipulación de señales. Un ejemplo común es la transmisión de señales entre diferentes ubicaciones. La representación de una señal en forma eléctrica se realiza mediante un transductor que la convierte de su forma original a una forma de onda expresada como corriente o voltaje , o a radiación electromagnética , por ejemplo, una señal óptica o una transmisión de radio . Una vez expresada como 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 abordan en una asignatura y un campo de estudio conocido como señales y sistemas . Dependiendo de la universidad, los estudiantes de ingeniería eléctrica de pregrado generalmente toman esta asignatura en su tercer o cuarto año, dependiendo normalmente del número y el nivel de las asignaturas previas de álgebra lineal y ecuaciones diferenciales que hayan cursado. ^{[ 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. Por ejemplo, al trabajar con señales de tiempo continuo ( t ), se puede transformar del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia o s ; o del tiempo discreto ( n ) al dominio de la frecuencia o z . Los sistemas también pueden transformarse entre estos dominios, al igual que las señales, de continuo a s y de discreto a z .

El campo de las señales y los sistemas es una subdisciplina del modelado matemático . Incluye el análisis y diseño de circuitos mediante modelado matemático y algunos métodos numéricos, y se actualizó hace varias décadas con herramientas de sistemas dinámicos , como ecuaciones diferenciales, y más 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 ocho dominios.

Debido a que temas de ingeniería mecánica (IM) como la fricción, la amortiguación, etc., tienen analogías muy estrechas con la ciencia de señales (inductancia, resistencia, voltaje, etc.), muchas de las herramientas utilizadas originalmente en transformaciones de IM (transformadas de Laplace y Fourier, lagrangianos, teoría del muestreo, probabilidad, ecuaciones en diferencias, etc.) se han aplicado ahora a señales, circuitos, sistemas y sus componentes, así como al análisis y diseño en ingeniería eléctrica (EE). Los sistemas dinámicos que involucran ruido, filtrado y otros atractores y repulsores aleatorios o caóticos han situado a las ciencias estocásticas y la estadística entre las funciones discretas y continuas más deterministas del campo. (Determinista, en este contexto, significa señales que están completamente determinadas como funciones del tiempo).

Los taxónomos de EE aún no se ponen de acuerdo sobre 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 aclarado los límites con docenas de libros, revistas, etc., llamados "Señales y Sistemas", y que se utilizan como texto y preparación para exámenes de EE, así como, más recientemente, para exámenes de ingeniería informática. ^{[ 20 ]}

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  Un señalero envía un mensaje por semáforo desde una torre de control de Pearl Harbor, alrededor de 1960 .
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  Una señal de proximidad finlandesa en la aproximación occidental a la estación de Muhos muestra "Esperar parada" .
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  Una mujer que pide un taxi está enviando una señal de que está disponible para que la recojan.
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  Una bengala es un medio común para hacer señales en condiciones de oscuridad o humo.

• Una teoría matemática de la comunicación – Artículo académico de Claude Shannon, 1948 
• Faro
• 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.