1 TEOREMA DEL MUESTREO Diana Vanessa Gómez TrejosDouglas Hernández Heredia Pablo Alejandro Bedoya Bedoya

2 TEOREMA DEL MUESTREO El teorema de muestreo fue desarrollado en 1928 por Nyquist Shannon y probado matemáticamente por Claude Shannon en 1949.

3 ¿Qué es el muestreo? Es la conversión de una señal en tiempo continuo a una señal en tiempo discreto. Se obtiene tomando muestras periódicas de esa señal continua cada T segundos.

4 Muestreo Periódico X(n) = Xa(nT) Donde X(n) es la señal en tiempo discreto obtenida de las muestras hechas a la señal analógica Xa(t) cada T segundos.

5 Muestreo Periódico

6 Muestreo Periódico El muestreo periódico establece una relación entre las variables t de tiempo continuo y n de tiempo discreto mediante: t= nT= n/T (Velocidad de muestreo) Se considera una señal analógica de la siguiente forma Xa(t) = Acos(2πFt + Θ) Cuando se muestrea periódicamente a una velocidad de Fs = 1/T muestras por segundo, queda de la siguiente forma: X(n) = Acos((2πnF / Fs) + Θ)

7 Muestreo Periódico Ejemplo: Se considera la siguiente señal analógica: Xa(t) = 3cos(100π t) a) Si la señal de muestrea a una velocidad de Fs = 200 Hz. ¿Cuál es la señal de tiempo discreto obtenidas tras el muestreo? b) Si la velocidad de muestreo cambia a Fs= 75 Hz. a) X(n) = 3cos((100 π / 200) * n)

8 Antecedentes Históricos

9 Teorema del Muestreo Según algunos autores, los orígenes de la teoría del muestreo pueden rastrearse hasta el trabajo de Cauchy, Borel, Lagrange, Laplace y Fourier, si no más atrás. Como muchos otros teoremas fundamentales, fue desarrollado gradualmente por varios científicos, y no es sencillo determinar la fecha exacta de su aparición

10 Harry Nyquist

11 Claude E. Shannon

12 Otros Descubridores Edmund Taylor Whittaker-1915Vladimir A. Kotelnikov-1933 John Macnaghten Whittaker-1935 Dennis Gabor-1946

13 Teorema del muestreo Higgins (1985) resalta que el teorema del muestreo debe en realidad considerarse en dos partes: la primera donde se demuestra que es posible recuperar exactamente una señal de ancho de banda limitada a partir de sus muestras; la segunda, que describe cómo reconstruir la función utilizando estas muestras (problema de interpolación)

14 Cronología de trabajos sobre teorema del muestreo

15 Porque se llamo teorema de muestreo de NyquistEl término teorema de muestreo de Nyquist apareció en 1959 en un libro de su ex empleador, Bell Labs, y apareció de nuevo en 1963.

16 Algunos Casos Reales En un CD (Compact Disk) de audio, la frecuencia de muestreo es de muestras/segundo. Esto significa que la máxima componente de frecuencia representada es igual a Hz. En un SuperAudio CD, la frecuencia de muestreo es igual a MHz. En el sistema Dolby Digital las frecuencias de muestreo son de 32 kHz, 44.1 kHz y 48 kHz En el sistema DTS (Digital Theather System) las frecuencias de muestreo son 32 kHz, kHz, 48 kHz y 192 kHz

17 Aplicación del teorema del muestreoUn ejemplo donde vemos la utilización del muestreo de señales es en el audio digital, pero ¿Qué es e l audio digital? Es la representación de una señal de audio mediante números, en general codificados en forma binaria (es decir con ceros y unos). ¿Por qué se utiliza el audio digital? Porque tiene algunas ventajas sobre el audio analógico que lo hacen insustituible. En primer lugar permite ser almacenado en forma inalterable. Dado que lo que se almacenan son números, es decir símbolos, es mucho mas difícil alterar la información.

18 Aplicación del teorema del muestreoOsciloscopios Digitales Los osciloscopios digitales al igual que los osciloscopios análogos, son instrumentos que permiten visualizar y medir una señal eléctrica, con la diferencia que utilizan la digitalización de la señal de entrada.  La digitalización consiste en asignar un código binario a muestras que se toman de la señal de entrada análoga.  Estos códigos se ordenan y almacenan secuencialmente de modo que pueda reproducir la señal de entrada en cualquier momento.  Para realizar la digitalización se necesita un circuito que obtenga las muestras y un conversor análogo-digital (ADC); para su almacenamiento es necesario una memoria.  Después que los datos están almacenados, se pueden hacer diferentes tipos de cálculos realizados por el mismo osciloscopio o asistido por computador.

19 Aplicación del teorema del muestreo

20 Ejemplo del teorema de muestreo

21 Aliasing El aliasing es un fenómeno propio de la conversión A/D, en el cual la frecuencia de la señal reconstruida es menor que el de la señal original, lo cual ocurre cuando la frecuencia de muestreo es demasiado baja; estos efectos pueden reducirse utilizando filtros

22 CRITERIO DE NYQUIST SHANNONEl criterio de Nyquist-Shannon, también denominado Teorema del Muestreo Pasabanda, establece que la frecuencia mínima de muestreo necesaria para evitar el “aliasing” debe ser. 𝑓𝑠=2 𝐵𝑤 donde : 𝐹𝑠=𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑒𝑜 𝐵𝑊=𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒ñ𝑎𝑙 𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑟 BW= F max – F min

23 Ejemplo aplicación del CRITERIO DE NYQUIST SHANNONse quiere muestrear una señal de la que se sabe se encuentra compuesta por frecuencias entre 12 MHz y 13 Mhz, la aplicación del Teorema general del muestreo plantearía que la señal debe muestrearse como mínimo a: fs = 2 F máx fs = 2 (13 MHz) fs = 26 MHz Frecuencia que es que es demasiado alta para un muestreo típico.

24 Ejemplo aplicación del CRITERIO DE NYQUIST SHANNONPor el contrario, al aplicar el criterio de Nyquist Shannon, sería suficiente con: fs = 2 BW fs = 2 (F máx - F mín) fs = 2 (13 MHz - 12 MHz) fs = 2 MHz Frecuencia de muestreo que puede ser más sencilla de implementar

25 Cosas que debemos saber…¿Cómo se elige la cantidad de sub-intervalos en que se divide el rango útil de la señal? Normalmente se elige como una potencia de 2, de manera que los valores asignados a las muestras están entre 0 y (2^n) - 1, donde n corresponde a la cantidad de bits, es decir de dígitos binarios ¿Qué es la frecuencia de muestreo? También llamada tasa de muestreo , es la cantidad de muestras por unidad de tiempo. Cuanto mayor sea, mayor es la respuesta en frecuencia del sistema. El estándar para los discos compactos (CD) es de 44,1 kHz. ¿Cómo se elige la frecuencia de muestreo? Debe ser mayor que el doble de la máxima frecuencia fmáx presente en la señal. Esta condición se denomina condición de Nyquist. Obsérvese que no es suficiente que sea mayor que el doble de la máxima frecuencia útil, ya que si hay ruido por encima de ésta, podría producirse un tipo de distorsión denominado aliasing

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34 Conclusión El teorema del muestreo para funciones tipo pasabajos es vital en la ingeniería de comunicaciones, vinculando las señales continuas con las discretas. Los distintos nombres que el teorema ha recibido –Shannon, Nyquist, Kotelnikov, Whittaker, Someya, etc.– indica la independencia de los diferentes enfoques. Esta historia también pone de manifiesto un proceso muchas veces aparente en los problemas teóricos en física o tecnología: en primer lugar los experimentadores establecen un conjunto de reglas empíricas, luego los teóricos desarrollan la solución general, y finalmente alguien descubre que los matemáticos habían resuelto el problema matemático subyacente con anterioridad, pero en “magnífica soledad”.

35 Gracias