prácticas de análisis y procesamiento de señales de audio para alumnos de la carrera de ...

107 Pages·2015·4.07 MB·Spanish

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD ZACATENCO
ESPECIALIDAD EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA
T E S I S
“PRÁCTICAS DE ANÁLISIS Y PROCESAMIENTO DE SEÑALES DE
AUDIO PARA ALUMNOS DE LA CARRERA DE INGENIERIA EN
COMUNICACIONES Y ELECTRONICA”
Para obtener el título de:
INGENIERO
EN COMUNICACIONES Y ELÉCTRONICA
P R E S E N T AN:
ALVARADO TINOCO SUSANA
MELO HERRERA ADRIANA
ASESORES:
ING. NIEVES GODÍNEZ JULIO CÉSAR
ING. TRINIDAD ÁVILA LUCERO IVETTE
México, D. F. Mayo del 2014.

AGRADECIMIENTOS

Dedicamos en su totalidad nuestra tesis a nuestros padres por haber estado siempre presentes,
como pilares en nuestra formación, apoyándonos y guiándonos no solamente durante la carrera,
sino a lo largo de nuestras vidas debido a que sin su guía, apoyo y sustento este trabajo no hubiese
sido posible. Los valores que nos han inculcado nos han servido para conducirnos como
profesionistas y personas morales de bien. Este amor, respeto, agradecimiento y admiración que
sentimos por ustedes no tiene descripción alguna.

A nuestra familia por su apoyo que en circunstancias difíciles sabemos que siempre han estado y
estarán a nuestro lado sin duda alguna. Los amamos.

A nuestros asesores por habernos guiado y apoyado tanto moral como formativamente a lo largo
de toda la investigación, sin ustedes este proyecto no tendría el valor y calidad que ahora
representa; especialmente al Ingeniero Julio Cesar Nieves por dedicarnos todo su tiempo, amistad
y conocimientos, la palabra gracias no es suficiente para expresar el apoyo que recibimos por
parte de él.

A nuestro amado Instituto Politécnico Nacional por abrirnos sus puertas y brindarnos las bases
primordiales de los conocimientos que nos hacen ser profesionistas. Gracias a nuestra institución
tenemos amistades que duraran toda la vida, experiencias irremplazables que nos han hecho caer,
crecer y madurar.

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“PRÁCTICAS DE ANÁLISIS Y PROCESAMIENTO DE SEÑALES
DE AUDIO PARA ALUMNOS DE LA CARRERA DE INGENIERIA
EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA”

OBJETIVO

Elaborar una serie de prácticas para el análisis de las señales de audio en materias del área de
acústica y comunicaciones.

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OBJETIVOS PARTICULARES

 Estudiar las características de las señales de audio.

 Estudiar las principales operaciones de procesamiento implicadas en la digitalización de las
señales de audio.

 Estudiar las principales operaciones para el tratamiento digital de señales.

 Estudiar y aplicar el procesamiento digital en señales de audio mediante la elaboración de
programas en MATLAB.

 Que el alumno se familiarice con el ambiente de MATLAB.

 Que el alumno obtenga la energía, potencia promedio, rango dinámico y la relación señal a
ruido de las señales de audio.

 Que el alumno realice el proceso de digitalización de una señal de voz.

 Que el alumno realice la descomposición de una secuencia de valores en sus componentes de
bajas y altas frecuencias.

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JUSTIFICACIÓN

Lo que se pretende mediante este trabajo es mostrar a los alumnos de la escuela ESIME-
ZACATENCO, que se encuentren cursando las materias de 6°, 7°, 8° y 9° semestres, las diversas
características y aplicaciones del procesamiento digital de señales, enfocado al manejo de
información de audio.

Las materias y los temas de acústica donde estas prácticas tienen aplicación son:

 6° semestre - Señales y vibraciones: Relación de la acústica con las ramas de la ingeniería
en comunicaciones y electrónica, Cadenas de audio.
 7° semestre - Electroacústica y transductores: Filtros y Audio digital.
 8° semestre – Grabación: Audio Digital y Audio para sistemas digitales.
 9° semestre - Reconocimiento y síntesis de voz: Fundamento de las señales acústicas y
Procesamiento de señales digitales.

Por otra parte, en la especialidad de comunicaciones las prácticas son aplicables en las siguientes
asignaturas:

 6° semestre - Comunicaciones digitales: Procesos de conversión A/D.
 7° semestre - Procesamiento digital de señales: Definición de señales de energía y de
potencia, Operaciones básicas de secuencias discretas en tiempo y Filtros digitales.

Las prácticas aquí presentadas surgen por la necesidad que se tiene de un manual para que el
alumno corrobore todos los conocimientos aprendidos en clase, para que una vez egresado pueda
contar con habilidades que le permitan ser más competitivo en el área laboral.

Dado que hoy en día, la tendencia en el manejo de la información se inclina al uso de los sistemas
de comunicaciones digitales, las prácticas aquí planteadas buscarán afianzar parte del
procesamiento utilizado para las señales de audio.

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PROBLEMÁTICA

Dentro de las materias impartidas en la carrera de ICE existe la necesidad de crear una serie de
prácticas para que los alumnos logren fundamentar los conocimientos adquiridos en clase sobre el
tratamiento digital de señales de audio.

Debido a que en la actualidad en las especialidades tanto de acústica como de comunicaciones se
carece de un manual de prácticas, se genera la necesidad de crear estas herramientas didácticas,
en este trabajo se propone una serie de prácticas que puedan afianzar los conocimientos
aprendidos en los cursos impartidos.

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PROPUESTA DE SOLUCIÓN

Dada la problemática existente con respeto a la falta de prácticas de laboratorio para realizarse en
varias de las asignaturas de 6°, 7°, 8° y 9° semestre, en este trabajo se propone dar solución a lo
anterior presentando una serie de ejercicios ilustrativos en los cuales se aprovecharán varios de
los conocimientos adquiridos en la carrera.

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ÍNDICE
OBJETIVO ............................................................................................................................................. 3
OBJETIVOS PARTICULARES .................................................................................................................. 4
JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................................... 5
PROBLEMÁTICA ................................................................................................................................... 6
PROPUESTA DE SOLUCIÓN .................................................................................................................. 7
CAPITULO 1 ....................................................................................................................................... 11
1.- SONIDO .................................................................................................................................... 11
1.1 LA PERCEPCIÓN DEL SONIDO .............................................................................................. 11
1.2 LA INTENSIDAD DEL SONIDO ............................................................................................... 12
2.- CARACTERÍSTICAS DE LA SEÑAL DE VOZ Y DE AUDIO .............................................................. 13
2.1 EL RANGO DEL OÍDO HUMANO ........................................................................................... 17
CAPITULO 2 ....................................................................................................................................... 22
1 ESQUEMAS DE CONVERSIÓN ANALÓGICO – DIGITAL ................................................................ 22
1.1 PCM (MODULACIÓN POR CODIFICACIÓN DE PULSOS). ...................................................... 22
1.2 CUANTIFICACIÓN UNIFORME Y NO UNIFORME .................................................................. 23
1.3 DPCM MODULACIÓN POR CODIFICACIÓN DE PULSOS DIFERENCIAL ................................. 26
1.4 MODULACIÓN DELTA .......................................................................................................... 27
2 GENERALIDADES DEL PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES .................................................. 29
2.1 OPERACIONES EN LA VARIABLE DEPENDIENTE (AMPLITUD) .............................................. 30
2.2 OPERACIONES EN LA VARIABLE INDEPENDIENTE ............................................................... 31
2.3 CONVOLUCIÓN PARA SISTEMAS LTI DISCRETOS EN EL TIEMPO. ........................................ 33
2.4 OPERACIÓN DE CORRELACIÓN PARA SEÑALES DISCRETAS EN TIEMPO. ............................ 35
3 GENERALIDADES DE FILTROS DIGITALES .................................................................................... 35
3.1 FILTROS FIR .......................................................................................................................... 37
3.2- FILTROS IIR ......................................................................................................................... 37
CAPITULO 3 ....................................................................................................................................... 39
1 TRANSMISIÓN DE SEÑALES DIGITALES EN BANDA BASE ........................................................... 39
1.1 CÓDIGOS DE LÍNEA .............................................................................................................. 40
2 TRANSMISIÓN EN PASA BANDA ................................................................................................. 42
2.1 ESQUEMAS DE MODULACIÓN DIGITAL ............................................................................... 42

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3 LA TRANSFORMADA WAVELET PARA COMPRESIÓN DE SEÑALES DE VOZ Y DE AUDIO. ........... 44
3.1 TRANSFORMADA WAVELET CONTINUA (CWT) ................................................................... 45
CAPITULO 4 ....................................................................................................................................... 49
1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................... 49
2 EJEMPLOS EN PROCESAMIENTO DE SEÑALES DE AUDIO EMPLEANDO MATLAB ...................... 49
1.1 AMBIENTACIÓN EN MATLAB ............................................................................................... 50
1.2 CARACTERÍSTICAS ESENCIALES DE LAS SEÑALES DE VOZ .................................................... 62
1.3 DIGITALIZACIÓN DE UNA SEÑAL DE VOZ............................................................................. 75
1.4 DESCOMPOSICIÓN DE UN ARCHIVO DE AUDIO EN SUS COMPONENTES DE BAJAS Y ALTAS
FRECUENCIAS ............................................................................................................................ 88
CAPITULO 5 ..................................................................................................................................... 101
1 CUESTIONARIO PARA EL SONDEO DE OPINIONES Y OBSERVACIONES .................................... 101
2 RESULTADOS ............................................................................................................................ 102
CONCLUSIONES ............................................................................................................................... 104
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................. 106

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