En los campos de las comunicaciones, el procesamiento de señales y la ingeniería eléctrica en general, una señal es cualquier cantidad que varía en el tiempo.

El concepto es amplio y difícil de definir con precisión. Las definiciones específicas de los subcampos son comunes. Por ejemplo, en la teoría de la información, una señal es un mensaje codificado, es decir, la secuencia de estados en un canal de comunicaciones que codifica un mensaje. En un sistema de comunicaciones, un transmisor codifica un mensaje en una señal, que se transmite a un receptor por el canal de comunicaciones. Por ejemplo, las palabras "Mary had a little lamb" (María tenía un corderito) pueden ser el mensaje pronunciado en un teléfono. El transmisor telefónico convierte los sonidos en una señal de tensión eléctrica. La señal se transmite al teléfono receptor por medio de cables; y en el receptor se reconvierte en sonidos.

Tipos básicos de señales

  • Señales analógicas: varían de forma continua en el tiempo y en amplitud (por ejemplo, la tensión de salida de un micrófono, la señal de radio AM/FM).
  • Señales digitales: se representan por valores discretos en el tiempo y/o en amplitud (por ejemplo, una secuencia de bits transmitida por una red, audio digital almacenado en un archivo).
  • Señales deterministas: su evolución puede describirse exactamente mediante una fórmula o modelo conocido (por ejemplo, una onda sinusoidal pura).
  • Señales aleatorias o estocásticas: contienen incertidumbre y se describen en términos estadísticos (por ejemplo, ruido térmico, muchas señales biomédicas como el EEG).

Representaciones y dominios

Una señal puede representarse en distintos dominios según la propiedad que se quiera analizar:

  • Dominio del tiempo: la señal se expresa como función del tiempo x(t) o x[n] (discreta).
  • Dominio de la frecuencia: mediante transformadas (Fourier, Laplace, z), se representa la distribución espectral de la energía o potencia de la señal.
  • Dominios combinados: espectrogramas o transformadas de tiempo-frecuencia permiten estudiar señales no estacionarias cuya energía varía en el tiempo.

Propiedades importantes

  • Anchura de banda (bandwidth): rango de frecuencias que ocupa la mayor parte de la energía de la señal; clave en comunicaciones para dimensionar canales.
  • Energía y potencia: la energía se calcula integrando el cuadrado de la señal; para señales perpetuas se define la potencia media.
  • Causalidad y estabilidad: en sistemas que procesan señales, estas propiedades determinan respuesta y comportamiento temporal.
  • Periodocidad: una señal periódica se repite cada cierto intervalo; muchas señales de prueba son periódicas (seno, coseno).

Operaciones comunes sobre señales

En el procesamiento y en las comunicaciones se realizan numerosas operaciones:

  • Filtrado: eliminar o atenuar componentes indeseadas (ruido) o extraer bandas de interés.
  • Muestreo: convertir una señal continua en una discreta tomando valores a intervalos regulares; la teoría de muestreo (Shannon–Nyquist) indica la tasa mínima para evitar aliasing.
  • Cuantización: discretizar amplitudes en un conjunto finito de niveles (paso clave en la conversión analógico–digital).
  • Modulación y demodulación: adaptar la señal a las características del canal (por ejemplo, AM, FM, PSK) y luego recuperar el mensaje en el receptor.
  • Detección y estimación: extraer parámetros o decidir entre posibles mensajes en presencia de ruido.

Ejemplos prácticos de señales

  • Audio: voz y música, tanto en forma analógica (ondas de presión convertidas a tensión) como digital (archivos MP3, WAV).
  • Imágenes y vídeo: señales bidimensionales (intensidad/píxeles) y temporales en video.
  • Señales biomédicas: ECG (electrocardiograma), EEG (electroencefalograma), que se analizan para diagnóstico.
  • Señales de sensores: temperatura, presión, aceleración, etc., en sistemas de control e instrumentación.
  • Señales electromagnéticas: ondas de radio y microondas usadas en enlaces inalámbricos.

Señal, ruido y rendimiento

En cualquier sistema real, la señal útil suele verse contaminada por ruido (fuentes térmicas, interferencias, errores de cuantización). Dos conceptos clave son:

  • Relación señal a ruido (SNR): mide la calidad relativa de la señal frente al ruido; mejora la probabilidad de recuperación correcta del mensaje.
  • Capacidad del canal: según la teoría de la información, la máxima tasa de transmisión confiable depende del ancho de banda y la SNR.

Aspectos prácticos y modernos

En sistemas actuales (por ejemplo, teléfonos móviles, redes de datos, equipos médicos) las señales suelen convertirse rápidamente a formato digital para aprovechamiento de técnicas avanzadas de procesamiento: compresión, corrección de errores, filtrado adaptativo y aprendizaje automático. Consideraciones prácticas incluyen la tasa de muestreo, la resolución en bits, la latencia, el consumo energético y la robustez frente a interferencias.

Resumen

Una señal es una representación física o matemática de información que varía en el tiempo (y a veces en el espacio). Entender sus tipos, representaciones, propiedades y las operaciones aplicables es esencial en comunicaciones, procesamiento de señales e ingeniería eléctrica para diseñar sistemas eficientes y fiables que transmitan, procesen y recuperen información en presencia de ruido y limitaciones físicas.