Nivel 2 · Lección 4

La transformada de Fourier, sin ecuaciones

La idea en una imagen

Arriba, en verde, la señal: la suma de dos norias que no ves. La noria de prueba, en púrpura, gira a la velocidad que elijas. En el centro se multiplican las dos alturas instante a instante, y el área de ese producto, verde si es positiva y naranja si es negativa, mide cuánto se parecen. Abajo se apunta esa área para cada velocidad probada: el espectro, en ámbar.

En la lección 3 viste que sumar norias es fácil: se suman sus alturas en cada instante y sale la curva de un acorde, de una vocal o de un violín. Esta lección recorre el camino contrario. Te dan solo la curva final y hay que averiguar cuántas norias la forman, a qué velocidad gira cada una y de qué tamaño es, cosa que a simple vista no se lee.

Lo que se hace es preguntar. Junto a la señal se coloca una noria de prueba que gira a la velocidad que elijas, y se multiplican las dos alturas en cada instante. Si la señal lleva una noria que gira igual, las dos suben y bajan a la vez, el producto casi siempre es positivo y el área crece. Con cualquier otra velocidad, unas veces coinciden y otras se llevan la contraria, y lo positivo se compensa con lo negativo hasta dejar el área en cero. Repetir la pregunta con todas las velocidades y apuntar cada área es la idea maestra del curso: transformar es medir el parecido con una plantilla.

Paso a paso

Preguntar a una noria de prueba

Imagina que una señal esconde una sola noria y que quieres saber a qué velocidad gira. Pruebas con una noria de prueba y comparas las dos de una manera muy concreta: multiplicas sus alturas, instante a instante, y sumas el resultado, que se ve como el área entre la curva del producto y la línea del cero. Esa operación se llama correlación, y mide cuánto se parecen dos señales.

Cuando las dos suben a la vez, o bajan a la vez, el producto es positivo, y cuando una sube y la otra baja, es negativo. Si la noria de prueba gira como la escondida, el producto queda casi siempre por encima de cero y el área se hace grande. Con cualquier otra velocidad, los aciertos y los desencuentros se reparten por igual y el área se queda en torno a cero.

La señal verde esconde una noria. Mueve la velocidad de la noria de prueba hasta encontrar la que da más área.

El área se muestra de modo que una noria del mismo tamaño que gira igual dé exactamente 1.

Cuando el área se anula del todo

Para que el área se anule por completo hace falta que, en el trozo de señal que miras, quepan vueltas completas de las dos norias. Entonces lo positivo y lo negativo del producto son idénticos y se compensan sin dejar resto. Esa propiedad de las norias que dan vueltas completas, la de dar área cero al multiplicarse cuando no giran igual, se llama ortogonalidad, y es lo que permite sacar una noria de la señal sin que se mezclen las demás.

Si en el trozo sobra un pedazo de vuelta, el producto ya no se compensa y queda un resto. Ese resto se llama fuga y es el tema de la lección 5; por ahora basta con saber que existe y que explica por qué un área a veces no se anula del todo.

La señal dura un segundo y es una noria de 3 Hz. Encuentra una velocidad de prueba distinta de 3 Hz que deje el área en cero.

Dos sombras para no perder ninguna noria

Queda un problema. Una noria de la señal puede empezar en cualquier punto de su vuelta, y hay puntos de partida con los que la noria de prueba no la ve. Si la noria escondida gira igual que la de prueba pero empieza un cuarto de vuelta antes, una está en lo más alto justo cuando la otra pasa por el centro, el producto reparte lo positivo y lo negativo a partes iguales y el área sale cero aunque la noria esté ahí. Es lo que ocurre al multiplicar un seno por un coseno.

La solución es mirar cada noria de prueba con sus dos sombras, las de la lección 1: la de la pared, que es la altura y dibuja un seno, y la del suelo, que es la posición de lado y dibuja un coseno. Se hace la pregunta dos veces y salen dos áreas. Esas dos áreas son los catetos de un triángulo rectángulo: la hipotenusa es el tamaño de la noria escondida, que se llama magnitud, y el ángulo del triángulo es su punto de partida. Hecho con todas las velocidades, el conjunto de puntos de partida es el espectro de fase.

Hay una noria escondida de 4 Hz. Enciende las dos sombras y averigua su tamaño y su punto de partida.

Barrer todas las velocidades

Falta repetir la pregunta con todas las velocidades de prueba y apuntar el tamaño que sale en cada una. El resultado es una curva con la velocidad, es decir, la frecuencia, en horizontal y el tamaño de la noria en vertical: el espectro. Cada barra es una noria de la señal. La operación entera, comparar la señal con norias de prueba de todas las velocidades, es la transformada de Fourier.

Una misma señal se puede describir de dos maneras. En el dominio del tiempo se cuenta cómo cambia instante a instante, y eso es la curva verde. En el dominio de la frecuencia se cuenta qué norias lleva, y eso es el espectro. Son dos descripciones de lo mismo, y pasar de una a otra no pierde nada mientras se guarden también los puntos de partida.

La señal es un acorde de tres notas. Barre las velocidades de la noria de prueba y marca la velocidad de cada una de las tres.

Lo que el tamaño no cuenta

El espectro de tamaños es la lista de ingredientes, pero no dice en qué orden se echan. Con las mismas norias, del mismo tamaño y a las mismas velocidades, se pueden dibujar ondas muy distintas si cambia el punto de partida de cada una, y por eso la transformada guarda dos números por noria: la magnitud y la fase.

En un sonido sostenido el oído apenas nota la diferencia, pero no es sordo a la fase: cuando hay un golpe, el punto de partida de las norias decide cuándo ocurre cada cosa. De ahí saldrán el espectrograma de la lección 11 y las fases que aprovecha el sincrosqueezing al final del curso.

Cuatro norias del mismo tamaño empiezan con las cabinas arriba y suman una onda con un pico de 4. Cambia sus puntos de partida, sin tocar sus tamaños, hasta que el pico baje de 2,5.

Leer un espectro de verdad

Un espectro se lee como una receta: cada barra es una noria, con su velocidad y su tamaño. La voz y los instrumentos dibujan una fila de picos a distancias iguales, la fundamental y sus armónicos de la lección 3, y la nota que oyes es esa distancia y no el pico más alto. El más alto puede ser el segundo o el tercer armónico, y a veces el primero ni siquiera está: por teléfono, que no deja pasar los graves, una voz grave se sigue oyendo en su nota aunque su primera noria no llegue.

Fíjate también en que los picos no son agujas, sino montañas con algo de anchura. Por qué ocurre, y cuánto tiempo necesita una noria de prueba para decidir su velocidad, es la pregunta de la lección 5.

Este sonido tiene una nota, pero su primera noria no está en el espectro. Averigua cuál es esa nota, en hercios.

En tu voz

Qué grabar. Una «aaa» sostenida de unos segundos y, para comparar, un silbido: son los tramos 3 y 2 de la grabación de referencia de la serie. Si quieres, añade una «iii» en la misma nota. Graba con el micrófono si tu navegador lo deja; si no, sube un audio grabado con el móvil o prueba con los ejemplos sintéticos.

Qué mirar. El laboratorio se queda con medio segundo en el que tu nota está más estable y lanza norias de prueba de 50 a 2.000 Hz: verás crecer tu espectro a medida que gira cada una. Después enseña el espectro completo con sus picos marcados. En tu «aaa» deberían aparecer picos a distancias iguales, múltiplos de tu nota, y el más alto no tiene por qué ser el primero. El silbido deja casi un solo pico. Si ves líneas fijas en 50 Hz y sus múltiplos, no son armónicos tuyos, sino el zumbido de la red eléctrica. Todos los picos tienen unos pocos hercios de anchura, un adelanto de la lección 5.

Lo que tienes que recordar

  1. Transformar es medir el parecido: se multiplica la señal por una noria de prueba y se mira el área. Si la noria está en la señal, el área crece; repetido con todas las velocidades, el resultado es el espectro, la lista de las norias de la señal.
  2. Cada noria de prueba se mira con dos sombras, la del seno y la del coseno, para que no se escape ninguna sea cual sea su punto de partida. De las dos áreas salen el tamaño de la noria, la magnitud, y su punto de partida, la fase.
  3. El espectro de tamaños no basta para dibujar la onda, porque con otros puntos de partida cambia la forma, y tampoco dice cuándo suena cada cosa, solo qué norias hay en el trozo que se analiza. La nota se lee en la separación entre picos.

Errores típicos

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Rincón matemático

Las fórmulas, para quien las quiera. Cada una va después de su lectura en palabras.

La pregunta a la noria de prueba

La pregunta a la noria de prueba de frecuencia f se hace con sus dos sombras: se multiplica la señal por el seno y por el coseno de esa frecuencia, se suma el producto durante el tiempo T que dura el trozo y se normaliza para que una noria de tamaño 1 que gira igual dé área 1:

S(f) = \frac{2}{T}\int_0^T x(t)\,\sin(2\pi f t)\,dt, \qquad C(f) = \frac{2}{T}\int_0^T x(t)\,\cos(2\pi f t)\,dt

Tamaño y punto de partida

Si la señal es una sola noria A\,\sin(2\pi f t + \varphi), con la altura medida como en la lección 1, y la prueba gira igual y da vueltas completas en el trozo, las dos áreas valen:

S = A\,\cos\varphi, \qquad C = A\,\sin\varphi

De ahí salen el tamaño, por Pitágoras, y el punto de partida, por el ángulo del triángulo que forman las dos áreas:

A = \sqrt{S^2 + C^2}, \qquad \varphi = \operatorname{atan2}(C,\ S)

Ortogonalidad

Dos norias cuyas velocidades son números enteros de vueltas en el tiempo T se anulan al multiplicarse, y con la misma velocidad dan 1 una vez normalizadas. Se escribe, con m y n enteros positivos:

\frac{2}{T}\int_0^T \sin\!\left(\frac{2\pi m t}{T}\right)\sin\!\left(\frac{2\pi n t}{T}\right)dt = \begin{cases} 1 & m = n \\ 0 & m \neq n \end{cases}

La noria compleja

Las dos sombras juntas forman una sola noria que gira en sentido contrario, y el resultado de la pregunta es un número complejo cuyo tamaño y ángulo llevan la magnitud y la fase:

X(f) = \int_0^T x(t)\,e^{-i 2\pi f t}\,dt = \frac{T}{2}\,(C - i\,S)

Como aquí la altura se mide con el seno, la fase que sale de esta fórmula queda un cuarto de vuelta desplazada respecto a la de la lección. Es solo un cambio de origen: el módulo, el tamaño de la noria, es el mismo.

La transformada de Fourier y su inversa

La transformada mira la señal entera, de menos infinito a infinito, y su inversa vuelve a sumar las norias, cada una con su tamaño y su punto de partida:

X(f) = \int_{-\infty}^{\infty} x(t)\,e^{-i 2\pi f t}\,dt, \qquad x(t) = \int_{-\infty}^{\infty} X(f)\,e^{\,i 2\pi f t}\,df

Con muestras

Con N muestras, la noria de prueba solo se mira en los instantes de las muestras (la lección 5 lo desarrolla), y el tamaño de cada noria se recupera multiplicando por 2/N:

X[k] = \sum_{n=0}^{N-1} x[n]\,e^{-i 2\pi k n / N}, \qquad A_k \approx \frac{2}{N}\,\big|X[k]\big|

Las notas del piano

En un piano afinado en temperamento igual, cada tecla multiplica la frecuencia por la raíz duodécima de 2. Contando m semitonos desde el La de 440 Hz:

f = 440\cdot 2^{m/12}\ \text{Hz} \qquad (\text{Do}_4:\ m=-9 \Rightarrow 261{,}63\ \text{Hz})

El mapa de la cóclea

Según el modelo de Greenwood (1990), la frecuencia a la que mejor responde un punto de la membrana situado a una fracción x de su longitud, contada desde el vértice, es:

f(x) = 165{,}4\left(10^{\,2{,}1\,x} - 0{,}88\right)\ \text{Hz}

Lo que miden los filtros del oído

El ancho equivalente de los filtros del oído (Glasberg y Moore, 1990) crece con la frecuencia, que aquí va en kHz. A 1 kHz da unos 133 Hz:

\mathrm{ERB}(f) = 24{,}7\,\big(4{,}37\,f + 1\big)\ \text{Hz}

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