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Representación de muestreo de señales. La señal continua se representa con una línea de color verde, mientras que las muestras discretas se indican con líneas verticales azules.

En el procesamiento de señales , el muestreo es la reducción de una señal de tiempo continuo a una señal de tiempo discreto . Un ejemplo común es la conversión de una onda de sonido (una señal continua) en una secuencia de muestras (una señal de tiempo discreto).

Una muestra es un valor o conjunto de valores en un momento y / o espacio. Un muestreador es un subsistema u operación que extrae muestras de una señal continua . Un muestreador ideal teórico produce muestras equivalentes al valor instantáneo de la señal continua en los puntos deseados.

La señal original se puede recuperar de una secuencia de muestras, hasta el límite de Nyquist , pasando la secuencia de muestras a través de un tipo de filtro de paso bajo llamado filtro de reconstrucción .

Teoría [ editar ]

El muestreo se puede realizar para funciones que varían en el espacio, el tiempo o cualquier otra dimensión, y se obtienen resultados similares en dos o más dimensiones.

Para las funciones que varían con el tiempo, sea s ( t ) una función continua (o "señal") a muestrear, y deje que el muestreo se realice midiendo el valor de la función continua cada T segundos, lo que se denomina intervalo de muestreo o el período de muestreo . [1]   Entonces la función muestreada viene dada por la secuencia :

s ( nT ), para valores enteros de n .

La frecuencia de muestreo o la frecuencia de muestreo, f s , es el número promedio de las muestras obtenidas en un segundo ( muestras por segundo ), por lo tanto f s = 1 / T .

La reconstrucción de una función continua a partir de muestras se realiza mediante algoritmos de interpolación. La fórmula de interpolación de Whittaker-Shannon es matemáticamente equivalente a un filtro de paso bajo ideal cuya entrada es una secuencia de funciones delta de Dirac que se modulan (multiplican) por los valores de la muestra. Cuando el intervalo de tiempo entre muestras adyacentes es una constante ( T ), la secuencia de funciones delta se denomina peine de Dirac . Matemáticamente, el peine de Dirac modulado es equivalente al producto de la función peine con s ( t ). Esa abstracción puramente matemática a veces se denomina muestreo por impulsos . [2]

La mayoría de las señales muestreadas no se almacenan y reconstruyen simplemente. Pero la fidelidad de una reconstrucción teórica es una medida habitual de la eficacia del muestreo. Esa fidelidad se reduce cuando s ( t ) contiene componentes de frecuencia cuya periodicidad es menor que dos muestras; o de manera equivalente, la relación de ciclos a muestras excede ½ (ver Aliasing ). La cantidad ½  ciclos / muestra  ×  f s  muestras / seg = f s / 2 ciclos / seg ( hercios ) se conoce como la frecuencia de Nyquist del muestreador. Por lo tanto, s ( t) suele ser la salida de un filtro de paso bajo , conocido funcionalmente como filtro anti-aliasing . Sin un filtro anti-aliasing, las frecuencias más altas que la frecuencia de Nyquist influirán en las muestras de una manera que el proceso de interpolación malinterpreta. [3]

Consideraciones prácticas [ editar ]

En la práctica, la señal continua se muestrea utilizando un convertidor de analógico a digital (ADC), un dispositivo con varias limitaciones físicas. Esto da como resultado desviaciones de la reconstrucción teóricamente perfecta, denominada colectivamente distorsión .

Pueden ocurrir varios tipos de distorsión, que incluyen:

  • Aliasing . Es inevitable cierta cantidad de alias porque solo las funciones teóricas, infinitamente largas, no pueden tener contenido de frecuencia por encima de la frecuencia de Nyquist. El aliasing se puede hacer arbitrariamente pequeño usando un orden suficientemente grande del filtro anti-aliasing.
  • El error de apertura resulta del hecho de que la muestra se obtiene como un promedio de tiempo dentro de una región de muestreo, en lugar de ser simplemente igual al valor de la señal en el instante de muestreo. [4] En un circuito de muestreo y retención basado en condensadores , los errores de apertura son introducidos por múltiples mecanismos. Por ejemplo, el capacitor no puede rastrear instantáneamente la señal de entrada y el capacitor no puede aislarse instantáneamente de la señal de entrada.
  • Jitter o desviación de los intervalos de tiempo de muestra precisos.
  • Ruido , incluido el ruido del sensor térmico, el ruido del circuito analógico , etc.
  • Error de límite de velocidad de respuesta , causado por la incapacidad del valor de entrada del ADC para cambiar lo suficientemente rápido.
  • Cuantificación como consecuencia de la precisión finita de las palabras que representan los valores convertidos.
  • Error debido a otros efectos no lineales del mapeo del voltaje de entrada al valor de salida convertido (además de los efectos de la cuantificación).

Aunque el uso de sobremuestreo puede eliminar por completo el error de apertura y el alias al desplazarlos fuera de la banda de paso, esta técnica no se puede utilizar prácticamente por encima de unos pocos GHz y puede resultar prohibitivamente cara a frecuencias mucho más bajas. Además, aunque el sobremuestreo puede reducir el error de cuantificación y la no linealidad, no puede eliminarlos por completo. En consecuencia, los ADC prácticos en frecuencias de audio normalmente no presentan aliasing, error de apertura y no están limitados por errores de cuantificación. En cambio, domina el ruido analógico. En frecuencias de RF y microondas donde el sobremuestreo no es práctico y los filtros son costosos, el error de apertura, el error de cuantificación y el aliasing pueden ser limitaciones significativas.

La fluctuación, el ruido y la cuantificación a menudo se analizan modelándolos como errores aleatorios agregados a los valores de la muestra. Los efectos de retención de integración y de orden cero se pueden analizar como una forma de filtrado de paso bajo . Las no linealidades de ADC o DAC se analizan reemplazando el mapeo de función lineal ideal con una función no lineal propuesta .

Aplicaciones [ editar ]

Muestreo de audio [ editar ]

El audio digital utiliza modulación de código de pulso (PCM) y señales digitales para la reproducción de sonido. Esto incluye conversión de analógico a digital (ADC), conversión de digital a analógico (DAC), almacenamiento y transmisión. En efecto, el sistema comúnmente denominado digital es de hecho un análogo de nivel discreto en tiempo discreto de un análogo eléctrico anterior. Si bien los sistemas modernos pueden ser bastante sutiles en sus métodos, la utilidad principal de un sistema digital es la capacidad de almacenar, recuperar y transmitir señales sin pérdida de calidad.

Tasa de muestreo [ editar ]

Una unidad de frecuencia de muestreo que se ve comúnmente es Hz, que significa Hertz y significa "muestras por segundo". Por ejemplo, 48 kHz son 48.000 muestras por segundo.

Cuando es necesario capturar audio que cubra todo el rango de audición humana de 20 a 20 000 Hz , [5] como cuando se graba música o muchos tipos de eventos acústicos, las formas de onda de audio se muestrean típicamente a 44,1 kHz ( CD ), 48 kHz, 88,2 kHz o 96 kHz. [6] El requisito de aproximadamente el doble de tasa es una consecuencia del teorema de Nyquist . Las velocidades de muestreo superiores a 50 kHz a 60 kHz no pueden proporcionar más información útil para los oyentes humanos. Los primeros fabricantes de equipos de audio profesionales eligieron frecuencias de muestreo en la región de 40 a 50 kHz por este motivo.

Ha habido una tendencia en la industria hacia frecuencias de muestreo mucho más allá de los requisitos básicos: como 96 kHz e incluso 192 kHz [7] Aunque las frecuencias ultrasónicas son inaudibles para los humanos, grabar y mezclar a frecuencias de muestreo más altas es efectivo para eliminar la distorsión que puede ser causado por el alias de repliegue . Por el contrario, los sonidos ultrasónicos pueden interactuar y modular la parte audible del espectro de frecuencias ( distorsión de intermodulación ), degradando la fidelidad. [8] Una ventaja de las tasas de muestreo más altas es que pueden relajar los requisitos de diseño del filtro de paso bajo para ADC y DAC , pero con un sobremuestreo moderno.Convertidores sigma-delta esta ventaja es menos importante.

La Audio Engineering Society recomienda una frecuencia de muestreo de 48 kHz para la mayoría de las aplicaciones, pero reconoce 44,1 kHz para discos compactos (CD) y otros usos del consumidor, 32 kHz para aplicaciones relacionadas con la transmisión y 96 kHz para un mayor ancho de banda o filtrado de suavizado relajado . [9] Tanto Lavry Engineering como J. Robert Stuart afirman que la frecuencia de muestreo ideal sería de unos 60 kHz, pero como no es una frecuencia estándar, recomendamos 88,2 o 96 kHz para fines de grabación. [10] [11] [12] [13]

Una lista más completa de frecuencias de muestreo de audio comunes es:

Profundidad de bits [ editar ]

El audio se graba típicamente a una profundidad de 8, 16 y 24 bits, lo que produce una relación señal / ruido de cuantificación máxima teórica (SQNR) para una onda sinusoidal pura de, aproximadamente, 49,93  dB , 98,09 dB y 122,17 dB. . [21] El audio con calidad de CD utiliza muestras de 16 bits. El ruido térmico limita el número real de bits que se pueden utilizar en la cuantificación. Pocos sistemas analógicos tienen relaciones señal / ruido (SNR) superiores a 120 dB. Sin embargo, las operaciones de procesamiento de señales digitales pueden tener un rango dinámico muy alto, por lo que es común realizar operaciones de mezcla y masterización con una precisión de 32 bits y luego convertirlas a 16 o 24 bits para su distribución.

Muestreo de voz [ editar ]

Las señales de voz, es decir, las señales destinadas a transportar sólo el habla humana , normalmente se pueden muestrear a una velocidad mucho más baja. Para la mayoría de los fonemas , casi toda la energía está contenida en el rango de 100 Hz a 4 kHz, lo que permite una frecuencia de muestreo de 8 kHz. Esta es la frecuencia de muestreo utilizada por casi todos los sistemas de telefonía , que utilizan las especificaciones de cuantificación y muestreo G.711 . [ cita requerida ]

Muestreo de video [ editar ]

La televisión de definición estándar (SDTV) utiliza 720 por 480 píxeles (US NTSC 525 líneas) o 720 por 576 píxeles (UK PAL 625 líneas) para el área de imagen visible.

La televisión de alta definición (HDTV) utiliza 720p (progresivo), 1080i (entrelazado) y 1080p (progresivo, también conocido como Full-HD).

En video digital , la frecuencia de muestreo temporal se define como la frecuencia de fotogramas  , o más bien la frecuencia de campo  , en lugar del reloj de píxeles teórico . La frecuencia de muestreo de la imagen es la tasa de repetición del período de integración del sensor. Dado que el período de integración puede ser significativamente más corto que el tiempo entre repeticiones, la frecuencia de muestreo puede ser diferente de la inversa del tiempo de muestreo:

  • 50 Hz - vídeo PAL
  • 60 / 1,001 Hz ~ = 59,94 Hz - vídeo NTSC

Los convertidores de video digital a analógico operan en el rango de megahercios (desde ~ 3 MHz para escaladores de video compuesto de baja calidad en las primeras consolas de juegos, hasta 250 MHz o más para la salida VGA de mayor resolución).

Cuando el vídeo analógico se convierte en vídeo digital , se produce un proceso de muestreo diferente, esta vez a la frecuencia de píxeles, correspondiente a una frecuencia de muestreo espacial a lo largo de las líneas de exploración . Una frecuencia de muestreo de píxeles común es:

  • 13,5 MHz - CCIR 601 , vídeo D1

El muestreo espacial en la otra dirección está determinado por el espaciado de las líneas de exploración en el ráster . Las velocidades y resoluciones de muestreo en ambas direcciones espaciales se pueden medir en unidades de líneas por altura de imagen.

El alias espacial de los componentes de vídeo cromático o de luminancia de alta frecuencia se muestra como un patrón muaré .

Muestreo 3D [ editar ]

El proceso de renderizado de volumen muestra una cuadrícula 3D de vóxeles para producir renderizados 3D de datos cortados (tomográficos). Se supone que la cuadrícula 3D representa una región continua del espacio 3D. La reproducción de volumen es común en las imágenes médicas, la tomografía computarizada de rayos X (CT / CAT), la resonancia magnética (MRI), la tomografía por emisión de positrones (PET) son algunos ejemplos. También se utiliza para tomografía sísmica y otras aplicaciones.

Los dos gráficos superiores representan transformadas de Fourier de dos funciones diferentes que producen los mismos resultados cuando se muestrean a una velocidad particular. La función de banda base se muestrea más rápido que su tasa de Nyquist, y la función de paso de banda está submuestreada, convirtiéndola efectivamente en banda base. Los gráficos inferiores indican cómo los alias del proceso de muestreo crean resultados espectrales idénticos.

Submuestreo [ editar ]

Cuando una señal de paso de banda se muestrea más lentamente que su tasa de Nyquist , las muestras son indistinguibles de las muestras de un alias de baja frecuencia de la señal de alta frecuencia. A menudo, esto se hace a propósito de tal manera que el alias de la frecuencia más baja satisface el criterio de Nyquist , porque la señal de paso de banda sigue estando representada y recuperable de forma única. Este submuestreo también se conoce como muestreo de paso de banda , muestreo armónico , muestreo de IF y conversión de IF directa a digital. [22]

Sobremuestreo [ editar ]

El sobremuestreo se utiliza en la mayoría de los convertidores analógicos a digitales modernos para reducir la distorsión introducida por los convertidores digitales a analógicos prácticos , como una retención de orden cero en lugar de idealizaciones como la fórmula de interpolación de Whittaker-Shannon . [23]

Muestreo complejo [ editar ]

El muestreo complejo ( muestreo I / Q ) es el muestreo simultáneo de dos formas de onda diferentes pero relacionadas, lo que da como resultado pares de muestras que posteriormente se tratan como números complejos . [A]   Cuando una forma de onda   es la transformada de Hilbert de la otra forma de onda,   la función de valor complejo     se denomina señal analítica , cuya transformada de Fourier es cero para todos los valores negativos de frecuencia. En ese caso, la tasa de Nyquist para una forma de onda sin frecuencias ≥  B se puede reducir a solo B (muestras complejas / seg), en lugar de 2 B (muestras reales / seg).[B] Más aparentemente, la forma de onda de banda base equivalente ,    también tiene una tasa de Nyquist de B , porque la totalidad de su contenido de frecuencia no cero se ha desplazado en el intervalo [-B / 2, B / 2).

Aunque se pueden obtener muestras de valor complejo como se describió anteriormente, también se crean manipulando muestras de una forma de onda de valor real. Por ejemplo, la forma de onda de banda base equivalente se puede crear sin calcular explícitamente   procesando la secuencia del producto [C] a  través de un filtro de paso bajo digital cuya frecuencia de corte es B / 2. [D] El cálculo de cada dos muestras de la secuencia de salida reduce la frecuencia de muestreo en proporción con la frecuencia de Nyquist reducida. El resultado es la mitad de muestras de valor complejo que el número original de muestras reales. No se pierde información y la forma de onda s (t) original se puede recuperar, si es necesario.

Ver también [ editar ]

  • Submuestreo
  • Upsampling
  • Muestreo multidimensional
  • Conversión de frecuencia de muestreo
  • Digitalización
  • Muestreo y retención
  • Codificador beta
  • Factor Kell
  • Tasa de bits

Notas [ editar ]

  1. ^ Los pares de muestras también se ven a veces como puntos en un diagrama de constelación .
  2. ^ Cuando la frecuencia de muestreo compleja es B , un componente de frecuencia en 0,6  B , por ejemplo, tendrá un alias en −0,4  B , lo cual no es ambiguo debido a la restricción de que la señal muestreada previamente era analítica. Consulte también Aliasing § Sinusoides complejos .
  3. ^ Cuando se muestrea s (t) a la frecuencia de Nyquist (1 / T = 2B), la secuencia del producto se simplifica a
  4. ^ La secuencia de números complejos se convoluciona con la respuesta al impulso de un filtro con coeficientes de valor real. Eso equivale a filtrar por separado las secuencias de partes reales e imaginarias y reformar pares complejos en las salidas.

Referencias [ editar ]

  1. ^ Martin H. Weik (1996). Diccionario estándar de comunicaciones . Saltador. ISBN 0412083914.
  2. ^ Rao, R. (2008). Señales y Sistemas . Prentice-Hall Of India Pvt. Limitado. ISBN 9788120338593.
  3. ^ CE Shannon , "Comunicación en presencia de ruido", Proc. Instituto de Ingenieros de Radio , vol. 37, núm. 1, págs. 10-21, enero de 1949. Reimpresión como papel clásico en: Proc. IEEE , vol. 86, No. 2, (febrero de 1998) Archivado el 8 de febrero de 2010 en la Wayback Machine.
  4. ^ HO Johansson y C. Svensson, "Resolución de tiempo de interruptores de muestreo NMOS", IEEE J. Solid-State Circuits Volumen: 33, Número: 2, págs. 237–245, febrero de 1998.
  5. ^ "Rango de frecuencia de la audición humana" . El libro de datos de física .
  6. ^ Yo mismo, Douglas (2012). Explicación de la ingeniería de audio . Taylor y Francis EE. UU. págs. 200, 446. ISBN 978-0240812731.
  7. ^ "Sonido profesional digital" . Consultado el 8 de enero de 2014 .
  8. ^ Colletti, Justin (4 de febrero de 2013). "La ciencia de las tasas de muestreo (cuando más alta es mejor y cuando no lo es)" . Créame, soy un científico . Consultado el 6 de febrero de 2013 . en muchos casos, podemos escuchar el sonido de frecuencias de muestreo más altas no porque sean más transparentes, sino porque lo son menos. De hecho, pueden introducir una distorsión involuntaria en el espectro audible.
  9. ^ Un b AES5-2008: AES práctica recomendada para el audio digital profesional - Preferencia frecuencias de muestreo para aplicaciones que emplean modulación por impulsos codificados , Audio Engineering Society, 2008 , recuperada 2010-01-18
  10. ^ Lavry, Dan (3 de mayo de 2012). "La frecuencia de muestreo óptima para un audio de calidad" (PDF) . Lavry Engineering Inc . Aunque 60 KHz estaría más cerca del ideal; dados los estándares existentes, 88,2 KHz y 96 KHz son los más cercanos a la frecuencia de muestreo óptima.
  11. ^ Lavry, Dan. "La frecuencia de muestreo óptima para un audio de calidad" . Gearslutz . Consultado el 10 de noviembre de 2018 . Estoy tratando de acomodarme a todos los oídos, y hay informes de pocas personas que pueden escuchar un poco por encima de los 20 KHz. Creo que 48 KHz es un compromiso bastante bueno, pero 88,2 o 96 KHz dan un margen adicional.
  12. ^ Lavry, Dan. "¿Mezclar a 96k o no?" . Gearslutz . Consultado el 10 de noviembre de 2018 . Hoy en día, hay una serie de buenos diseñadores y especialistas en oído que encuentran que la frecuencia de muestreo de 60-70 KHz es la frecuencia óptima para el oído. Es lo suficientemente rápido para incluir lo que podemos escuchar, pero lo suficientemente lento como para hacerlo con bastante precisión.
  13. ^ Stuart, J. Robert (1998). Codificación de audio digital de alta calidad . CiteSeerX 10.1.1.501.6731 . tanto el análisis psicoacústico como la experiencia nos dicen que el canal rectangular mínimo necesario para garantizar la transparencia utiliza PCM lineal con muestras de 18,2 bits a 58 kHz. ... existen fuertes argumentos para mantener relaciones enteras con las frecuencias de muestreo existentes, lo que sugiere que se deberían adoptar 88,2 kHz o 96 kHz. 
  14. ^ http://www.voipsupply.com/cisco-hd-voice [ fuente no confiable? ]
  15. ^ "El procedimiento de restauración - parte 1" . Restoring78s.co.uk. Archivado desde el original el 14 de septiembre de 2009 . Consultado el 18 de enero de 2011 . Para la mayoría de los registros, es adecuada una frecuencia de muestreo de 22050 en estéreo. Es probable que una excepción sean las grabaciones realizadas en la segunda mitad del siglo, que pueden necesitar una frecuencia de muestreo de 44100.
  16. ^ "Transmisores inalámbricos digitales Zaxcom" . Zaxcom.com. Archivado desde el original el 9 de febrero de 2011 . Consultado el 18 de enero de 2011 .
  17. ^ "RME: Hammerfall DSP 9632" . www.rme-audio.de . Consultado el 18 de diciembre de 2018 . Frecuencias de muestra admitidas: internamente 32, 44,1, 48, 64, 88,2, 96, 176,4, 192 kHz.
  18. ^ "SX-S30DAB | Pionero" . www.pioneer-audiovisual.eu . Consultado el 18 de diciembre de 2018 . Tasas de muestreo admitidas: 44,1 kHz, 48 kHz, 64 kHz, 88,2 kHz, 96 kHz, 176,4 kHz, 192 kHz
  19. ^ Cristina Bachmann, Heiko Bischoff; Schütte, Benjamin. "Personalizar el menú de frecuencia de muestreo" . Steinberg WaveLab Pro . Consultado el 18 de diciembre de 2018 . Frecuencias de muestreo comunes: 64 000 Hz
  20. ^ "M Track 2x2M Cubase Pro 9 no puede cambiar la frecuencia de muestreo" . M-Audio . Consultado el 18 de diciembre de 2018 . [Captura de pantalla de Cubase]
  21. ^ "MT-001: Sacando el misterio de la infame fórmula," SNR = 6.02N + 1.76dB "y por qué debería importarle" (PDF) .
  22. ^ Walt Kester (2003). Técnicas de diseño de señales mixtas y DSP . Newnes. pag. 20. ISBN 978-0-7506-7611-3. Consultado el 8 de enero de 2014 .
  23. ^ William Morris Hartmann (1997). Señales, sonido y sensación . Saltador. ISBN 1563962837.

Lectura adicional [ editar ]

  • Matt Pharr, Wenzel Jakob y Greg Humphreys, Representación basada en la física: de la teoría a la implementación, 3ª ed. , Morgan Kaufmann, noviembre de 2016. ISBN 978-0128006450 . El capítulo sobre muestreo ( disponible en línea ) está muy bien escrito con diagramas, teoría básica y muestra de código. 

Enlaces externos [ editar ]

  • Revista dedicada a la teoría del muestreo
  • Datos I / Q para principiantes  : una página que intenta responder a la pregunta ¿Por qué datos I / Q?
  • Muestreo de señales analógicas  : una presentación interactiva en una demostración web en el Instituto de Telecomunicaciones de la Universidad de Stuttgart