Procesamiento de señales I
M3 · Sesión S3
Objetivos
- Adquirir y describir un registro: ficha, clase, descriptores
- Justificar \(f_{\mathrm s}\), duración, rango y bits
- Interpretar la DFT: amplitud, fase, bins, fuga, relleno
- Estimar la PSD (periodograma, Welch) con unidades y Parseval
- Interpretar con prudencia: un pico no es un modo ni un daño
Ruta (240 min)
| 0:00 |
Reto Torroja + diagnóstico |
10 min |
| 0:10 |
M3.1 Clasificación y ruido |
30 min |
| 0:40 |
M3.2 Descriptores |
30 min |
| 1:10 |
M3.3 Muestreo y cuantificación |
25 min |
| 1:35 |
M3.4 Nyquist y aliasing |
25 min |
| 2:00 |
Descanso |
15 min |
| 2:15 |
M3.5 DFT y FFT |
35 min |
| 2:50 |
M3.6 PSD y Welch |
35 min |
| 3:25 |
Caso Palma del Río |
25 min |
| 3:50 |
Test de salida |
10 min |
Reto inicial
- Puente de Eduardo Torroja, 22-06-2018, GS4, canal Z, 300 s a 100 Hz
- ¿Periódica, aleatoria o transitoria?
- ¿RMS y pico?
- ¿Se ven en el tiempo las frecuencias a las que vibra?
Respuesta al final de M3.6
M3.1 Clasificación
La clase decide la herramienta
| armónica, periódica |
líneas |
amplitud y fase |
| casi periódica |
líneas no armónicas |
amplitud |
| transitoria (impulso, escalón, libre, barrido) |
continuo |
energía |
| aleatoria estacionaria |
continuo |
media, varianza, PSD |
| no estacionaria |
cambia |
por tramos, tiempo-frecuencia |
Estacionariedad
- Estricta (todo) · débil (media y autocorrelación) · ergódica (un registro basta)
- Se rompe en media (deriva), en varianza (tráfico) o en frecuencia (barrido, sismo)
- Media y RMS por ventanas: necesario, no suficiente
- Ventana corta: dispersión por azar; larga: esconde cambios
Ruido
- Lo que no interesa en este análisis (en OMA, la vibración ambiental es la señal)
- Espectro: blanco · rosa (\(1/f\), −10 dB/déc.) · marrón (\(1/f^2\), −20 dB/déc.) · banda limitada · banda estrecha
- Distribución: gaussiano · uniforme (cuantificación) · impulsivo
- Origen: mecánico y ambiental · eléctrico · digital
Ruido eléctrico
- Térmico: \(\overline{v^2}=4k_{\mathrm B}TR\,\Delta f\) (1 MΩ, 300 K, 1 kHz → 4,1 µV)
- De disparo (\(2qI\Delta f\)) · de parpadeo (\(1/f\), a baja frecuencia)
- Red: líneas a 50, 100, 150 Hz; bucles de masa
- Interferencias electromagnéticas · triboeléctrico (cable piezo) · diafonía
- En los datos del curso no hay líneas de red claras; su SNR y el ruido del sensor se ven en M4.5 y M8.3
M3.2 Qué mide cada descriptor
- \(\mu\): nivel (componente continua) · \(\sigma^2\): potencia de la vibración · \(\sigma\): su escala
- RMS: la continua que disipa la misma potencia; \(\tfrac12m\overline{v^2}=\tfrac12m(\mu_v^2+\sigma_v^2)\)
- Asimetría: cola hacia un lado · curtosis: peso de los extremos (\(3\sigma\) pesa 81 veces más que \(1\sigma\))
Fórmulas
| RMS total |
\(\sqrt{\overline{x^2}}\) |
u |
| RMS fluctuante |
\(\sigma\) |
u |
| relación |
\(\mathrm{RMS}^2=\mu^2+\sigma^2\) |
u² |
| cresta |
pico / RMS |
– |
| curtosis |
\(\overline{(x-\mu)^4}/\sigma^4\) (exceso: \(-3\)) |
– |
Sinusoide: cresta \(\sqrt2\), curtosis 1,5 · gaussiana: curtosis 3
Mismo RMS, distinta señal
| sinusoide |
1,41 |
1,5 |
| ruido gaussiano |
3,9 |
3,0 |
| impactos (1/s) |
5,2 |
11 |
El RMS no ve los picos
M3.3 Cadena de medida
Cuantificación
\[q=\frac{2R}{2^B},\qquad \sigma_e\approx\frac{q}{\sqrt{12}},\qquad \mathrm{SNR}_q\approx6{,}02B+1{,}76\ \mathrm{dB}\]
- \(\pm2\) g, 16 bits: \(q=0{,}061\) mg, \(\sigma_e=0{,}018\) mg
- Torroja (0,4–1,6 mg RMS): solo 28–39 dB
- El offset gasta rango; la saturación no se arregla después
Escalera del convertidor
M3.4 Aliasing
\[f_{\mathrm a}=\left\lvert f-f_{\mathrm s}\,\operatorname{round}(f/f_{\mathrm s})\right\rvert\]
- 117 Hz a 100 Hz → 17 Hz
- Las muestras de 117 y de 17 Hz son idénticas
- Filtro antialiasing analógico, antes del convertidor
- Margen: \(f_{\mathrm s}\) algo más de \(2{,}5\,f_{\max}\) según el filtro
El teorema no es de una sola persona
- Borel (1897), E. T. Whittaker (1915), Ogura, J. M. Whittaker
- Nyquist (1928): el intervalo crítico en telegrafía
- Kotelnikov (1933), Raabe, Someya, Shannon (1948–1949)
- Fuente leída: Meijering (2002)
M3.5 DFT y FFT
\[X[k]=\sum_{n}x[n]e^{-i2\pi kn/N},\qquad \Delta f=\frac{f_{\mathrm s}}{N}=\frac1T\]
- DFT = proyección sobre sinusoides; FFT = algoritmo \(O(N\log N)\)
- Unilateral: \(\times2\) salvo DC y Nyquist
- Más \(f_{\mathrm s}\) con la misma \(T\): más banda, no más resolución
Fuga
Separar dos tonos
- Bins distintos (\(T=1/\delta\)) no es resolver
- Rectangular, iguales, sin ruido: \(T\approx2/\delta\) (36 % de fases con \(1/\delta\))
- Hann: \(T\approx3/\delta\)
- Relleno con ceros: interpola, no informa
- Además: anchura física del pico \(\approx2\zeta f_n\)
M3.6 PSD
\[P[k]=\frac{c_k\lvert X_w[k]\rvert^2}{f_{\mathrm s}\sum w^2}\ \left[\tfrac{u^2}{\mathrm{Hz}}\right],\qquad \sum_k P\,\Delta f=\frac{\sum (xw)^2}{\sum w^2}\]
- Ruido: lo propio de la señal es la densidad
- Periodograma: varianza que no baja con \(T\)
- RMS en banda: \(\sqrt{\sum_{\text{banda}}P\Delta f}\)
Welch
- \(K\) segmentos de \(L\) muestras · Hann · solape 50 % (fijos; elección en M4)
- \(\Delta f=f_{\mathrm s}/L\) · varianza \(\approx1/K\)
- \(T\) fija: resolución o promedio
- Parseval: exacto con los segmentos ponderados, aproximado con el registro
Una medida, cuatro decisiones
- Método: periodograma o Welch (\(L\), ventana, solape)
- Magnitud: amplitud, potencia por bin, PSD, ASD, bandas
- Normalización: ninguna, máximo, suma (NPSD) o integral
- Escala: lineal, log, dB con referencia (10 log para potencias, 20 log para amplitudes)
ANPSD (ampliación)
\[\mathrm{NPSD}_j=\frac{P_j}{\sum_{\mathcal B}P_j},\qquad \mathrm{ANPSD}=\frac1J\sum_j\mathrm{NPSD}_j\]
- Adimensional; misma rejilla y banda
- Pierde la amplitud: los canales débiles o ruidosos pesan igual
- No es el promedio de Welch
Caso: Palma del Río, set1
- 512 Hz · 300 s · transversal · con tráfico
- Cresta ≈ 13, curtosis ≈ 23, RMS por segundo ×40 → no estacionario
- Primer minuto: un tercio de la potencia de los 5 min
- Picos cerca de modos FDD… y otros que no lo están
Para llevarte
- Lo que se pierde antes del registro digital no se recupera
- \(\Delta f=1/T\); el relleno no resuelve
- Una figura espectral sin método, magnitud, unidades y referencia no se puede comparar
- Un pico no es un modo; un cambio de descriptor no es un daño