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Matemáticas para ingeniería

Muestreo, reconstrucción y aliasing

Una cámara no guarda cada instante de un movimiento: toma imágenes separadas. Con una señal pasa algo parecido. Veremos cuándo una lista de muestras permite recuperar la curva y cuándo dos curvas diferentes dejan la misma lista. Empezaremos calculando puntos; después pondremos nombre al límite de información que encontramos.

1. Guardar puntos exige decir qué sabemos de la curva entre ellos

Muestrear con intervalo T significa guardar x[n]=x(nT).

El índice n cuenta datos; nT es el instante. Si conocemos una fórmula, calcular muestras es sustituir. Si solo conocemos las muestras, recuperar una fórmula requiere hipótesis adicionales.

Aunque hubiera infinitas muestras uniformes, una función cualquiera no queda determinada: se le puede añadir una oscilación que se anule justo en la rejilla. No basta con unir puntos y llamar original al resultado.

Convertir el contador en un instante antes de evaluar

x(t)=cos(4πt), con fₛ=12 Hz.

  1. Intervalo

    T=1/12 s.
    La muestra n está en t=n/12.
  2. Sustituir

    x[n]=cos(4πn/12)=cos(πn/3).
    Las muestras n=0,1,2,3 son 1, 1/2, −1/2 y −1.
  3. Interpretar

    Se guardan seis muestras por vuelta de una oscilación de dos hercios. La unidad Hz significa vueltas por segundo, no altura de la gráfica.

Resultado

La regla discreta es cos(πn/3).

Lo comprobamos

En n=6 se ha avanzado medio segundo: vuelve a uno tras una vuelta completa.

Añadir una curva invisible para esa rejilla

T=1/4 s; comparar f(t) y g(t)=f(t)+sin(8πt).

  1. En la rejilla

    Para t=n/4, el término añadido es sin(2πn)=0.
  2. Fuera de ella

    En t=1/16, vale sin(π/2)=1, así g y f difieren en uno.
  3. Conclusión

    Sus listas completas de muestras coinciden, pero sus curvas no. Una hipótesis sobre las frecuencias admitidas puede excluir una de las dos.

Resultado

Los datos solos no seleccionan cualquier función continua.

Lo comprobamos

El ejemplo no afirma que ambas pertenezcan a una misma banda suficientemente pequeña.

2. La banda y la frecuencia de muestreo son dos datos distintos

Una señal limitada en banda a B Hz no contiene frecuencias de módulo mayor que B.

La frecuencia de muestreo fₛ=1/T la elige la adquisición.

Para la reconstrucción ideal básica usaremos fₛ>2B, con rejilla uniforme infinita, datos exactos y las hipótesis del teorema. Para señales de energía, las igualdades se interpretan en el marco L² y con el representante correspondiente.

2B es la tasa de Nyquist de esa banda; fₛ/2 es la frecuencia de Nyquist de esa adquisición. No son dos nombres para cualquier número que aparezca. La condición estricta es una garantía suficiente que evita problemas de tonos en el borde; existen formulaciones críticas L² con condiciones más precisas.

Comprobar la banda antes de decidir que una toma sirve

B=150 Hz y fₛ=400 Hz.

  1. Doble de banda

    2B=300 muestras por segundo.
  2. Comparar

    400>300.
    Equivale a 150<400/2=200 Hz.
  3. Alcance

    En el modelo ideal se cumple la condición. No se ha afirmado que un registro corto o un filtro real reconstruyan exactamente cualquier medición.

Resultado

La banda queda por debajo de la frecuencia de Nyquist.

Lo comprobamos

Cambiar amplitudes no cambia esta desigualdad de frecuencias.

Un número de muestras no es una banda

Se guardan 400 muestras durante un segundo, con separación uniforme de 1/400 s.

  1. Muestreo

    El dato relevante de separación es fₛ=400 Hz; un bloque de 400 instantes termina en 399/400 s si empieza en cero.

  2. Dato que falta

    La cantidad guardada no dice si la señal contiene 50 Hz, 150 Hz o 900 Hz.

  3. Decisión

    Si B=150 se cumple 400>300; si B=250 no se cumple 400>500.

    La misma adquisición recibe dos diagnósticos según la señal admitida.

Resultado

Frecuencia máxima y tamaño del registro cumplen papeles distintos.

Lo comprobamos

No se deduce fₛ solo de decir cuatrocientas muestras si no se conoce su separación.

3. El criterio del doble evita que se solapen copias del espectro

En el modelo ideal, multiplicar por un tren de impulsos de separación T crea copias del espectro cada fₛ hercios: Xₛ(f)=fₛΣₘX(f−mfₛ), usando Fourier en Hz. El factor fₛ cambia escala; el desplazamiento mfₛ cambia ubicación. Esta fórmula se entiende bajo las hipótesis adecuadas o en distribuciones.

El intervalo entre copias decide si se mezcla la información
B=3 Hz; copias cada fₛfₛ=10: queda un hueco-10010Frecuencia f en Hzfₛ=5: se superponen-505Frecuencia f en HzSe dibujan soportes, no amplitudes.
Se muestran tres soportes espectrales de anchura seis hercios, centrados en menos fs, cero y fs. Con fs diez, el central termina en tres y el siguiente empieza en siete. Con fs cinco, el siguiente empieza en dos y se solapa entre dos y tres con el central. Las cajas representan soporte, no la escala vertical del espectro muestreado.

Si la copia central termina en B, la siguiente empieza en fₛ−B.

Para dejar espacio exigimos B<fₛ−B, es decir, fₛ>2B.

En ese caso un filtro ideal selecciona el centro y usa ganancia T para deshacer el factor fₛ. La transición perfectamente abrupta es ideal, no un filtro causal finito realizable.

Leer los extremos de dos soportes vecinos

B=3 Hz y fₛ=10 Hz.

  1. Centro

    La copia central ocupa [−3,3].

  2. Siguiente

    La centrada en diez ocupa [7,13], porque 10−3=7 y 10+3=13.
  3. Separación

    Entre tres y siete queda un hueco de cuatro hercios.

    El factor de escala es diez y se corrige con T=1/10.
Resultado

Las copias no se mezclan.

Lo comprobamos

La separación sale también de fₛ−2B=10−6=4.

Ver dónde empieza la mezcla al reducir la frecuencia

La misma banda B=3, pero ahora fₛ=5 Hz.

  1. Centro

    Sigue ocupando [−3,3].

  2. Vecina

    La copia positiva ocupa [2,8].

  3. Solapamiento

    Entre dos y tres, el espectro muestreado puede sumar aportaciones de dos copias. Seleccionar solo una franja después no separa esas contribuciones desconocidas.

Resultado

5<6 no garantiza reconstrucción de toda esa familia.

Lo comprobamos

Una señal particular podría recuperarse con información extra; el fallo es de la garantía general.

4. La sinc conserva cada muestra y aporta una curva entre ellas

La sinc normalizada es sinc(u)=sin(πu)/(πu) para u≠0 y sinc(0)=1 por límite. En cada entero no nulo vale cero. Por eso sinc(t/T−n) deja pasar la muestra de índice n y se anula en los demás instantes de la rejilla.

La interpolación cardinal suma curvas completas, no solo puntos
Cada muestra aporta una sinc2 sinc(t) + sinc(t−1)-10123Azul: muestra 2 en ceroRojo: muestra 1 en unoVerde: suma de aportacionesEn t=1/2: 4/π + 2/π = 6/π
Para T uno, la curva verde es dos sinc(t) más sinc(t menos uno). Vale dos en cero, uno en uno y cero en los otros enteros. En medio, ambas aportaciones cuentan y suman seis dividido por pi. Es una construcción cardinal de banda hasta un medio de hercio; no es una prueba de reconstrucción universal de tonos situados justo en la frontera.

La reconstrucción cardinal suma x[n]sinc(t/T−n) sobre todos los enteros. En los instantes medidos solo sobrevive un sumando; entre ellos intervienen muchos. La identidad en los nodos es algebraica. Recuperar también la señal original entre nodos exige el teorema y sus hipótesis; truncar la suma añade un problema de aproximación y de bordes.

Comprobar una base cardinal sin dividir por cero

T=1 y φₙ(t)=sinc(t−n).

  1. Su propio nodo

    En t=n, el argumento es cero y el valor definido por límite es uno.

  2. Otro nodo

    En t=m con m entero distinto de n, sin(π(m−n))=0 y el denominador no es cero: φₙ(m)=0.

  3. Dato conservado

    En Σx[n]φₙ(m), queda x[m]. Esta propiedad no autoriza a sustituir la familia de señales admisibles por cualquier función.

Resultado

La sinc tiene una función concreta en cada muestra.

Lo comprobamos

No se calcula sinc(0) como cero dividido entre cero.

Sumar dos aportaciones entre dos nodos

Construimos r(t)=2sinc(t)+sinc(t−1), con T=1.

  1. Nodos

    r(0)=2 y r(1)=1; en los demás enteros vale cero.
  2. Punto medio

    sinc(1/2)=sinc(−1/2)=2/π.
    Así r(1/2)=4/π+2/π=6/π.
  3. Marco

    Esta construcción cardinal es una señal L² de banda hasta 1/2 Hz. Es un caso crítico válido; no prueba recuperación universal de tonos de fase arbitraria exactamente en Nyquist.

Resultado

El valor medio es aproximadamente 1,910, no el promedio lineal 1,5.

Lo comprobamos

El ejemplo separa conservar nodos de elegir una regla entre ellos.

5. El alias se obtiene con múltiplos de fₛ y cuidando la fase

En las muestras, exp(i2π(f+mfₛ)n/fₛ)=exp(i2πfn/fₛ), pues el factor añadido exp(i2πmn) vale uno. Para representar una frecuencia restamos múltiplos de fₛ hasta llevarla a [−fₛ/2, fₛ/2). Esto da una frecuencia con signo.

El aliasing conserva las muestras, no la curva original
Mismos puntos; curvas distintasfₛ=4 Hz: 1 Hz y 5 Hz01234n=t/T; puntos en n enteroAzul: cos(2πt)Rojo: cos(10πt)Entre muestras no son iguales.
Con intervalo T un cuarto de segundo, coseno de uno y de cinco hercios coinciden en las cinco muestras mostradas. El eje horizontal se expresa en n igual a t dividido por T; solo sus enteros son instantes guardados. Entre esos puntos las dos curvas son diferentes.
Para un coseno real, cos(−v+φ)=cos(v−φ).

Convertir una frecuencia negativa en positiva cambia también el signo de la fase. En un seno la simetría es distinta; no se toma un valor absoluto y se conserva todo lo demás sin comprobar.

Una vuelta adicional entre muestras puede ser invisible

fₛ=4 Hz; comparar cos(2πt) y cos(10πt).

  1. Frecuencias

    Son uno y cinco hercios; se diferencian exactamente en fₛ.

  2. Muestras

    Las fases son πn/2 y 5πn/2, separadas por 2πn.

    En n=0,…,4 ambas dan [1;0;−1;0;1].
  3. Entre puntos

    En t=1/8 la primera vale √2/2 y la segunda −√2/2: no son la misma señal continua.

Resultado

La frecuencia cinco tiene representante uno para esta adquisición.

Lo comprobamos

Más puntos dibujados por interpolación no revelarían cuál curva se midió.

La fase cambia al escribir un alias con frecuencia positiva

x(t)=cos(2π·440t+π/6), muestreada a 600 Hz.

  1. Representante con signo

    440−600=−160 Hz, que está entre −300 y 300.
  2. Conservar fase

    Las muestras son cos(2π(−160)n/600+π/6).

  3. Frecuencia positiva

    Usando la paridad, equivalen a cos(2π·160n/600−π/6). El signo de la fase pasa a menos.

Resultado

Un alias positivo es 160 Hz con fase −π/6.

Lo comprobamos

En n=0 ambos dan √3/2; otro índice permite detectar que conservar +π/6 sería incorrecto.

6. En el borde de Nyquist una fase puede volverse invisible

Si f=fₛ/2, la fase sin desplazamiento es πn.

El seno da cero en todos los enteros aunque no sea cero entre ellos. El coseno da (−1)ⁿ. La fase decide qué parte de esa oscilación consigue aparecer en los datos.

Por eso aquí usamos una desigualdad estricta como regla suficiente para una señal de banda conocida. Que exista un coseno concreto visible en el borde no demuestra que todas sus fases sean recuperables. Tampoco contradice los teoremas L² críticos: los tonos infinitos no son señales de energía finita.

Una oscilación no nula que deja una lista de ceros

fₛ=400 Hz y x(t)=sin(2π·200t).

  1. Sustituir

    En t=n/400, x[n]=sin(πn)=0.
  2. Mirar entre nodos

    En t=1/800 vale sin(π/2)=1.
  3. Comparar

    La señal cero y esta oscilación tienen las mismas muestras. No hay una regla basada solo en esa lista que distinga ambas sin restricciones extra.

Resultado

En la frontera falla una promesa universal para tonos de cualquier fase.

Lo comprobamos

El periodo del seno es 1/200 s; la adquisición solo guarda sus cruces por cero.

Amplitud y fase pueden quedar mezcladas

En el mismo borde, A cos(πn+φ)=A cosφ·(−1)ⁿ.

  1. Expandir

    cos(πn+φ)=cosπn cosφ−sinπn sinφ; el segundo término desaparece.

  2. Dos señales

    A=2 y φ=π/3 producen (−1)ⁿ.
    A=1 y φ=0 también producen (−1)ⁿ.
  3. Pérdida

    Los datos fijan A cosφ, pero no separan A y φ por sí solos.

Resultado

Ver alternancia no significa conocer toda la oscilación original.

Lo comprobamos

Las dos curvas tienen la misma frecuencia, pero amplitud y fase continuas diferentes.

7. El antialias debe actuar antes del paso que mezcla frecuencias

Un filtro analógico antialias atenúa frecuencias que podrían plegarse sobre la banda útil antes del muestreo. Un filtro real necesita transición y una atenuación especificada: no basta pedir un corte ideal justo en fₛ/2 sin margen.

También al reducir una secuencia guardando una de cada M muestras puede aparecer aliasing. Entonces el filtrado previo puede ser digital, porque todavía se conserva la rejilla más rápida. La ubicación antes o después de la pérdida importa más que el nombre del dispositivo.

Después del pliegue, un filtro ve dos señales iguales

Se muestrean cosenos de 100 y de 900 Hz a 1000 Hz.

  1. Fase

    900=1000−100; en la rejilla, cos(1,8πn)=cos(0,2πn).
  2. Después

    Ambas entradas generan exactamente la misma secuencia. Un mismo procesamiento digital recibe el mismo dato en los dos casos.

  3. Antes

    Un filtro previo que conserve 100 Hz y atenúe 900 Hz cambia la adquisición antes de que se confundan. Su rechazo real determina cuánto alias residual queda.

Resultado

No se elimina una componente de 900 plegada conservando una de 100 indistinguible.

Lo comprobamos

Se necesita información adicional o prevenir la mezcla antes de adquirir.

Bajar la tasa también cambia el límite permitido

Una secuencia adquirida a 1000 Hz se reduce tomando una de cada cuatro muestras.

  1. Nueva tasa

    El intervalo se multiplica por cuatro: fₛ nuevo=250 Hz y su Nyquist es 125 Hz.

  2. Filtrar antes

    Una componente de 200 Hz cabe en la adquisición original, pero no en la nueva banda base. Hay que atenuarla antes de descartar muestras.

  3. Alias sin filtro

    200−250=−50; para un coseno de fase cero aparece como 50 Hz. Interpolar la secuencia reducida no recupera la distinción perdida.

Resultado

El antialias se coloca antes de la reducción.

Lo comprobamos

La banda útil se elige por debajo de 125 Hz, dejando transición para un filtro realizable.

8. Un registro finito y una interpolación aproximada requieren sus propios límites

La fórmula sinc ideal no usa solo las muestras visibles en una pantalla: necesita toda la rejilla. Un registro finito obliga a elegir qué hacer fuera y a truncar o aproximar el núcleo. Con ruido, error de reloj y amplitudes redondeadas tampoco se tienen las muestras exactas del modelo ideal.

La interpolación lineal puede ser útil y sencilla, pero impone segmentos. Aumentar el número de valores calculados no aumenta las observaciones originales. El sobremuestreo real sí adquiere nuevos instantes y facilita filtros; no corrige por sí solo saturación ni cualquier otro error de medida.

Un segmento conserva extremos, pero puede fallar en medio

x(t)=cos(2πt), T=1/8; interpolar entre t=0 y t=1/8.

  1. Extremos

    Son uno y √2/2.

  2. Segmento en el medio

    En t=1/16, la interpolación lineal vale (1+√2/2)/2≈0,853553.
  3. Curva conocida

    La fórmula original da cos(π/8)≈0,923880.

    El error es aproximadamente −0,070326, aunque los extremos coincidan.

Resultado

Pasar por los datos no garantiza recuperar cada punto intermedio.

Lo comprobamos

La diferencia se calcula contra una curva original conocida, no contra una imagen dibujada.

Una lista finita permite muchas extensiones si no se restringe la familia

Solo se conocen valores en t=0, T,…,7T.

  1. Construcción

    A cualquier curva compatible podemos añadir a·exp(−t²)·∏ⱼ₌₀⁷(t−jT), con a real.

  2. Nodos

    En cada uno de los ocho instantes, algún factor del producto es cero; los datos permanecen iguales.

  3. Alcance

    Fuera de ellos cambian valores si a≠0.

    Este ejemplo usa funciones generales, no afirma que todas tengan una misma banda limitada.

Resultado

Un registro requiere un modelo y una estimación, además de puntos.

Lo comprobamos

Ni ocho ni ocho mil datos determinan una función arbitraria sin hipótesis adicionales.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Una frecuencia que se disfraza

Muestrea cos(2π·900t) a fₛ=1000 Hz. ¿Qué coseno de baja frecuencia coincide en sus muestras?

  1. Datos

    La señal es cos(2π·900t) y fₛ=1000 Hz, luego T=1/1000 s.
  2. Tomar muestras

    x[n]=cos(2π·900n/1000)=cos(1,8πn).
  3. Restar la tasa

    900−1000=−100 Hz.
    En fase, 1,8πn=2πn−0,2πn.
  4. Usar índice entero

    El término 2πn es un número entero de vueltas y no cambia el coseno.

  5. Paridad

    cos(−0,2πn)=cos(0,2πn): el representante positivo es 100 Hz, con fase cero.

  6. Comprobar y limitar

    La igualdad vale para todo entero n. Se comparan muestras, no curvas continuas: fuera de la rejilla las señales de 900 y de 100 Hz pueden diferir.

Resultado

Alias de 100 Hz.

Lo comprobamos

cos(1,8πn)=cos(2πn−0,2πn)=cos(0,2πn) para todo entero n.

EJEMPLO RESUELTO 2

Elegir frecuencia de muestreo

Una señal está limitada a 200 Hz. ¿Sirve fₛ=500 Hz en el modelo ideal?

  1. Banda

    B=200 Hz describe la frecuencia absoluta máxima admitida.
  2. Tasa requerida

    La condición suficiente estricta es fₛ>2B=400 Hz.
  3. Comparar

    500>400: sí se cumple.
  4. Misma comprobación

    La frecuencia de Nyquist de la adquisición es 500/2=250 Hz; la banda 200 queda por debajo.

  5. Separación espectral

    La copia central termina en 200; la siguiente empieza en 500−200=300.

    Queda margen de 100 Hz entre soportes.

  6. Modelo

    Esto confirma la condición del modelo ideal. Un registro finito, ruido o un filtro real necesitan un análisis adicional de aproximación.

Resultado

Sí, satisface la condición ideal.

Lo comprobamos

Las comprobaciones 500>400 y 200<250 son equivalentes y sostienen la misma conclusión.

Los símbolos que hemos usado

x(t), x[n]
Señal continua y sus muestras de índice entero.
T, fₛ
Intervalo positivo de muestreo y frecuencia de muestreo fₛ=1/T.
B
Mayor frecuencia absoluta permitida por la hipótesis de banda limitada, en Hz.
f, Ω
Frecuencia continua en Hz y frecuencia angular discreta Ω=2πf/fₛ.
X(f)
Transformada de Fourier continua con exponente −2πift.
sinc(v)
Sinc normalizada: sin(πv)/(πv) para v distinto de cero y valor uno en cero.
fₛ/2
Frecuencia de Nyquist del muestreo; es el borde del intervalo principal de frecuencias reales positivas.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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