¿Qué son las señales y cómo se clasifican?

Si te interesa el mundo del audio, conocer sobre señales es algo que te abrirá la mente para poder transformar y crear sonidos. Así que comencemos con los conceptos básicos que son la definición de señal y la forma en que se clasifica, te daré ejemplos para que lo entiendas en detalle.

¿Qué es una señal?

La definición de señal es cualquier magnitud física que varíe con respecto al tiempo, espacio o cualquier otra variable independiente, según el libro "tratamiento digital de señales" de Proakis y Manolakis. Eso en palabras más sencillas es cualquier magnitud que podamos medir o cuantificar, todo lo que le podamos poner un valor numérico, que varíe con respecto a otra variable que sea independiente. Como ejemplo puede ser la cantidad de agua que gastas en tu casa, las pulsaciones de una persona y no puede faltar el sonido, que es el que más nos interesa en donde la magnitud a medir es la presión acústica.

¿Cuáles son los tipos de señales acorde a su continuidad?

Las señales pueden ser agrupadas de muchas maneras, pero debido a su procesamiento y la matemática que hay detrás, la continuidad juega un papel importante a la hora de analizar una señal. Comencemos con el siguiente concepto. 

¿Qué es una señal continua?

Formalmente se define como una señal que entre un intervalo de tiempo finito tiene infinitos valores en el medio. Eso significa que es una señal que siempre puede ser dividida y siempre podrá encontrar valores.  En la siguiente gráfica se muestra un ejemplo de una señal senoidal, se suele identificar con una línea continua porque representa que no hay interrupción ni en tiempo ni en amplitud. 

Un ejemplo de esto es la temperatura que varía en el tiempo. Podemos tener un valor hoy a las 12:00 AM y 1:00 AM, por lo que podemos decir que si tomamos intervalos por hora tendremos siempre un valor de esa señal. También a las 12:01 AM y 12:02, por lo que al dividirla por minutos también tendremos un valor. Si lo dividimos en segundos pasará igual porque para todo instante de tiempo también tenemos un valor de temperatura.

En el caso del audio, una señal continua que representa un sonido y que contiene valor para cualquier instante es el voltaje. Es por eso que al conectarlo a un parlante se reproduce el sonido fielmente. En los micrófonos la señal que llega también es continua. Si trabajas audio es importante tener esto claro porque puede ser común que quieras trabajar con otro tipo de señales y eso te afecte, como con la frecuencia de Nyquist, la cual limita el uso de la señal acorde a su frecuencia más alta, pero por ahora sólo entiende que es importante porque son conceptos que trataremos en otros artículos.

¿Qué es una señal discreta?

Es la señal que en un intervalo finito sólo tiene valores finitos. Por ejemplo, si tomamos una muestra de una variable cada segundo en un minuto tendremos sólo 60 valores. Y la característica más importante es que en el intermedio de cada valor será información perdida o desconocida. En la siguiente figura podemos ver la señal análoga de la gráfica anterior, pero en tiempo discreto. En este caso se representa cada valor con una línea independiente, ya que demuestra que no hay continuidad.

Una señal puede ser discreta en tiempo o en amplitud. Discreta en tiempo es el ejemplo que mencioné anteriormente, donde se tienen finitas muestras en un intervalo de tiempo. En la amplitud discreta el tiempo cumple las condiciones de una señal continua, pero los valores aceptables para la amplitud tienen que ser finitos. Las señales eléctricas de los computadores son un ejemplo de eso, ya que sólo pueden ser 1 o 0, pero en realidad esos dos valores representan un voltaje de 5v o 0v respectivamente. También se pueden tener más números si combinamos varios bits, pero siempre serán finitos porque no tenemos computadores con infinitos puertos. La siguiente imagen muestra una señal discreta en tiempo, que como se ve, el tiempo es continuo, pero sólo puede tomar 7 valores posibles en la amplitud y con ellos se aproxima a las señales de las gráficas anteriores.

Señal análoga

La señal análoga es la señal continua en amplitud y en tiempo. Son usadas por su precisión y porque los sistemas análogos responden en tiempo real. Por otro lado, es difícil almacenar dicha información porque al tener infinitos valores muy pocas pueden ser almacenadas y sólo se hacen con funciones matemáticas.

En audio la señal análoga más común es la electricidad, ya sea voltaje o corriente, que usualmente se le aplica a un parlante para reproducir un sonido. Otra señal continua de audio es la posición de partículas magnéticas en cintas y en los sistemas de grabación, también en los discos altura del relieve del disco, que es lo que hace mover la aguja y permitir la reproducción del sonido.

Señal digital

Son señales discretas tanto en tiempo como en amplitud. El mejor ejemplo es el audio digital, que para ser escrito en un computador tiene que ser expresado en secuencias binarias (de unos y ceros), usualmente de 16 o 24 bits, eso quiere decir que sólo puede almacenar números enteros entre 0 y 2¹⁶ o 2²⁴ respectivamente. Además, no podemos almacenar infinitos valores, así que se suele tomar 44.100 muestras o valores del audio por segundo, suficientes para reproducir fielmente cualquier sonido audible. En la siguiente imagen se ve una aproximación de una señal senoidal con tan sólo 7 valores posibles para el eje Y. En el eje x se ve que toma sólo un valor cada tanto y con eso ya se puede reconocer y la puedes comparar con las anteriores.

Clasificación de las señales acorde a la probabilidad

Otro tipo de clasificación es acorde a la información que tenemos para su predicción. Cuando no sabemos exactamente toda la información, entonces utilizamos la probabilidad para poder analizar y predecir comportamientos futuros. Es por eso que acorde a este parámetro también tenemos clasificaciones de señales.

Señales determinísticas o determistas

En este tipo de señales conocemos exactamente su valor en todo momento, además al ser transformadas por un sistema también conocemos toda la información para predecir la señal resultante al ser transformada. Puede sonar un poco raro, pero es el conjunto de señales de las que hemos hablado durante todo el artículo, pueden ser discretas, continuas, análogas o digitales.

Señales aleatorias o procesos estocásticos

Este conjunto de señales es el que se asume desconocido el valor exacto para cada valor de la variable independiente, pero usualmente se conoce cierta información de la tendencia. Se suele describir como una sucesión de variables aleatorias de las cuales conocemos los parámetros de la función de distribución. Este tipo de señales también se llaman procesos estocásticos. Em el audio es muy utilizada para la creación de algoritmos que disminuyen ruido o analizar reconocimiento de patrones.

Espero que con esto ya comiences a entender la terminología que utilizan muchos de los científicos en los temas de audio para que puedas usar sus aplicaciones.