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SC · Muestreo y tiempo discreto

Sistemas LTI discretos

Un sistema LTI discreto queda totalmente determinado por su respuesta al impulso h[n]. Si tomas la h[n] que sale al aplicar un impulso δ[n] y la deslizas sobre la entrada multiplicando y sumando, obtienes la salida para cualquier entrada; eso es la convolución discreta. En esta lección mueves la intensidad de suavizado y ves cómo h[n] recorta el ruido de la entrada.

Recorta el ruido con la respuesta al impulso

La gráfica de arriba dibuja con barras, de n = 0 a 20, la respuesta al impulso de este filtro digital, h[n] = (1 − α)αⁿ; si aplicas un solo impulso δ[n], sale exactamente esta forma. En la gráfica de abajo, la línea tenue es la entrada x[n], un escalón que sube de 0 a 1 en n = 10 con ruido mezclado, y las barras doradas son la salida y[n]. La salida es la convolución discreta: h[n] deslizada sobre la entrada, multiplicando y sumando. Con la α = 0,2 inicial, la cola de h[n] es corta y el ruido pasa casi sin cambios. Sube la intensidad de suavizado α para alargar la cola y el filtro promediará más vecinos y recortará el ruido, pero si la subes demasiado la esquina del escalón se desdibuja y sube tarde.

respuesta al impulso h[n] = (1−α)αⁿ
entrada x[n] (tenue) y salida y[n] (dorada)
intensidad de suavizado α0.20
Filtro y salida
α = 0.20 · h[n] = 0.80·0.20^n
memoria ≈ 1.3 muestras (IIR)
El suavizado es débil, así que la respuesta al impulso h[n] tiene una cola corta. La salida casi no promedia a sus vecinos, de modo que el ruido pasa tal cual y las barras de salida quedan tan dentadas como la entrada. Este estado dura mientras α sea menor que 0,45.
Queda ruido

La respuesta al impulso es todo el sistema

Un sistema LTI discreto es lineal (si sumas entradas, las salidas también se suman) e invariante en el tiempo (si retrasas la entrada, la salida se retrasa lo mismo). Un sistema así queda totalmente determinado por su respuesta al impulso h[n], la salida que se obtiene al aplicar un impulso δ[n] (1 en n = 0, 0 en el resto). Esta sola respuesta basta porque cualquier entrada x[n] se puede descomponer en una suma de impulsos, Σ x[k]·δ[n−k]. Como el sistema es lineal e invariante en el tiempo, la salida para cada impulso x[k]δ[n−k] es x[k]·h[n−k], y al sumarlas todas se obtiene la salida total.

Observaentrada δ[n] ⟶ salida h[n]
La salida al aplicar δ[n] es la respuesta al impulso h[n].
Eligey[n] = Σₖ h[k] ?
La salida es la convolución discreta de h y x.
CompletaIIR y[n] = α y[n−1] + (1−α) ?
Una recursión realimenta salidas pasadas.
Por tu cuentafinita h[n] = FIR, recursiva = ?
Con recursión, la respuesta continúa sin fin: IIR.

La salida es una suma ponderada deslizante

Esa suma, y[n] = Σₖ h[k]·x[n−k], es la convolución discreta. Para cada instante de salida n, se invierte en el tiempo la respuesta al impulso h, se coloca sobre la entrada en la posición n, se multiplican las muestras que coinciden y se suman todas; luego se avanza un paso para obtener la siguiente salida. Frente a la convolución continua del capítulo B, solo cambió la integral ∫ por la suma Σ y las curvas por muestras; el principio es idéntico. Una h[n] corta mezcla solo unos pocos puntos cercanos; una larga llega más lejos en el pasado. Una h con forma de promedio uniforme se vuelve un filtro pasa bajos que recorta el ruido, y una h con forma de diferencia entre muestras vecinas se vuelve un filtro pasa altos que amplifica los cambios.

FIR e IIR, y la ecuación en diferencias

Si la respuesta al impulso termina tras una longitud finita, el filtro es FIR (respuesta finita al impulso). La media móvil de longitud M, h[n] = 1/M (n = 0, …, M−1), es el ejemplo clásico; como solo hace una suma ponderada de muestras de entrada, siempre es estable. En cambio, si el filtro es una recursión que realimenta salidas pasadas, su respuesta al impulso continúa sin fin y el filtro es IIR (respuesta infinita al impulso). El filtro de la primera pantalla, y[n] = α·y[n−1] + (1 − α)·x[n], es un ejemplo: su respuesta al impulso h[n] = (1 − α)αⁿ arrastra una cola para siempre. Esa recursión es la ecuación en diferencias, y al aplicarle la transformada z como en la unidad E3 se obtiene H(z) = (1 − α)/(1 − α z⁻¹), con el polo en z = α. El polo debe estar dentro del círculo unitario (|α| < 1) para que la respuesta al impulso se apague y el filtro sea estable; los IIR, que producen respuestas largas con pocos coeficientes, son eficientes, pero pueden diverger si un polo sale del círculo.

De vuelta a la primera pantalla

La única respuesta al impulso de la parte de arriba de la primera pantalla, h[n] = (1 − α)αⁿ, era todo este filtro. Al subir la intensidad de suavizado α se alargó la cola de h[n], así que la convolución discreta promedió más vecinos y se recortó el ruido de la salida; al subirla demasiado, la esquina del escalón se desdibujó. La salida siempre fue y[n] = Σₖ h[k]x[n−k], una suma ponderada de h deslizada sobre la entrada. Si conoces la respuesta a un solo impulso, al deslizarla puedes producir la salida para cualquier entrada. Todo lo que define a un sistema LTI discreto estaba contenido en esa pequeña h[n].

Un sistema LTI discreto es lineal e invariante en el tiempo, así que queda totalmente determinado por su respuesta al impulso h[n] (la salida para δ[n]). La salida para cualquier entrada es la convolución discreta y[n] = Σₖ h[k]x[n−k], una suma ponderada de la entrada y la h invertida y deslizada (la versión discreta de la convolución del capítulo B, con ∫ → Σ). Si la respuesta al impulso es finita, el filtro es FIR (siempre estable); si es una recursión que realimenta salidas pasadas, es IIR y continúa sin fin. La transformada z de la recursión (la ecuación en diferencias) da los polos de H(z), y los polos deben estar dentro del círculo unitario para que haya estabilidad (unidad E3). Una h con forma de promedio es pasa bajos, y una con forma de diferencia es pasa altos.
Hacia la próxima unidad

Ya viste el resultado de filtrar por convolución en el tiempo, pero aún no viste con números qué frecuencias conserva exactamente este filtro y cuáles elimina. La siguiente unidad, La DTFT y la DFT, despliega la respuesta al impulso sobre la frecuencia. Evaluar la transformada z H(z) de la respuesta al impulso sobre el círculo unitario, z = ejω, da la DTFT, la respuesta en frecuencia de un sistema discreto, y para una h con forma de promedio aparece una forma pasa bajos que se reduce a ω altas. Muestrear la DTFT, que no tiene fin, en un número finito de frecuencias para que una computadora pueda calcularla da la DFT, y el algoritmo que la calcula rápido es la FFT. La convolución en el tiempo vuelve a ser multiplicación en el dominio de la frecuencia.