Desde las épocas remotas de la evolución del universo y durante el desarrollo de la humanidad han existido fenómenos naturales que los seres humanos hemos tratado de explicar, representándolos y generando modelos del mundo y de los fenómenos. De estas representaciones ha surgido el concepto que conocemos actualmente de señales. Probablemente las primeras abstracciones de señales se presentaron cuando los humanos enviaban mensajes entre dos poblaciones vecinas a través de emisiones de humo.
Los seres humanos realizamos a diario tareas de procesamiento de señales (PS) de una forma casi automática; por ejemplo, reconocer, clasificar, comparar, agrupar, abstraer, comprimir, almacenar, cuantificar, inferir, predecir etcétera. Estas tareas son efectuadas sobre información que percibimos del mundo real representada en imágenes, sonidos, etcétera que en general puede ser caracterizada como señales. Los seres humanos procesamos una gran cantidad de información en tiempos muy cortos.
Una señal se puede considerar como una manifestación de la evolución o el estado de un fenómeno o variable física que nos provee información. La variable física puede experimentar cambios en el tiempo, el espacio u otra variable independiente. Para su análisis formal, una señal se representa como una función matemática de una o varias variables, y debido a la gran importancia del tiempo en la existencia humana, un modelo de las señales se representa como una función del tiempo.
Una vez determinado un modelo aproximado al fenómeno natural podremos estudiarlo, entenderlo, predecirlo, transformarlo, en general se puede decir que podemos procesar las señales asociadas. El campo del PS es un área que se encuentra relacionada con una gran cantidad de aplicaciones modernas, tal es el caso de señales ambientales, la voz humana, el audio, las imágenes, señales biomédicas, señales cósmicas, las comunicaciones, el video, etc. En la actualidad la mayoría de las tareas del PS se realiza digitalmente debido al incremento de velocidad y flexibilidad de los sistemas digitales, dando lugar al procesamiento digital de señales (PDS). Con el avance de la ciencia y la tecnología, se han desarrollado máquinas especializadas que realizan algunas tareas del procesamiento de señales en forma eficaz.
Un ejemplo concreto se ilustra en la figura 1, donde se representa una señal de Electrocardiograma (ECG) contaminada con ruido de 60 Hertz de la corriente eléctrica, como se observa en la gráfica (a) la señal de ECG es totalmente imperceptible. En la gráfica (b) se presenta la señal filtrada a través del PDS y utilizando una máquina digital que podría ser una computadora personal (PC). Evidentemente de la primera gráfica un médico no puede dar ningún diagnóstico sobre el paciente en estudio. Incluso si se contara con un sistema remoto de adquisición, procesamiento y transmisión de señales médicas, el paciente podría enviarle de forma inmediata sus estudios a un médico a una distancia lejana y recibir en respuesta algún diagnóstico.
En nuestro mundo moderno las exigencias de procesamiento de señales cada día son mayores, por ejemplo, las aplicaciones multimedia están presentes en muchas actividades de la vida diaria tales como la televisión, los videojuegos, la videoconferencia, el videoteléfono, los dispositivos móviles, la televisión digital de alta definición, etcétera. Estas aplicaciones requieren grandes cantidades de memoria para almacenar la información y en el caso de que se realice transmisión, se requieren medios o canales con gran ancho de banda, es decir un amplio intervalo de frecuencias. Sin embargo, no siempre se cuenta con todos los recursos disponibles, o los dispositivos se hacen más voluminosos, consumen más potencia y por ello crece su costo.
Para realizar el procesamiento de señales se requieren gran capacidad de almacenamiento, gran poder de cálculo y equipo de alto desempeño para transferir la información. Este desafío científico y tecnológico nos está llevando de una forma acelerada a que las computadoras realicen las tareas cotidianas de PS que los seres humanos efectuamos a diario, en un futuro no muy lejano observaremos máquinas inteligentes y muy poderosas que emulan el comportamiento humano.
Algunos ejemplos que involucran los avances actuales del PS utilizando máquinas digitales o computadoras de alto desempeño pueden ser: la síntesis de voz, traducción de texto a voz, reconocimiento de voz, reconocimiento de imágenes, reconocimiento de huellas dactilares, sistemas que reconocen a las personas a través del iris del ojo, los sistemas multimedia, la telefonía celular, los robots que realizan tareas y aceptan órdenes. Todas estas aplicaciones no serían posibles sin la potencialidad de los sistemas digitales y las computadoras actuales.
*Facultad de Ingeniería, UNAM.
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