Nivel 3 · Lección 10

El ruido tiene colores

La idea en una imagen

Tres ruidos con la misma potencia total. A la izquierda, un instante de cada uno, en coral: tres marañas que nunca se repiten. A la derecha, el espectro de cada uno, en ámbar, con la frecuencia en octavas y los tres igualados en 1.000 Hz; el número al final de cada línea son los decibelios que baja por octava. Con «Trozos promediados» verás cómo se alisa el temblor del espectro sin que cambie su inclinación.

La luz blanca es la mezcla de todos los colores en la misma cantidad, y el color de una luz es la manera en que reparte su energía entre ellos. Con el ruido ocurre algo parecido, solo que el reparto es entre frecuencias: dibujado en el tiempo, un ruido es siempre una maraña que no se repite, y lo que lo distingue de otro es la forma de su espectro, que puede ser plana, inclinada o más inclinada.

El espectro de un solo instante sale peludo, porque el ruido es distinto cada vez, pero la inclinación está ahí siempre. Mueve los trozos promediados y verás que promediar quita el temblor sin mover la recta: elimina lo que cambia y deja lo que se mantiene. Esa misma idea servirá más adelante para sacar una señal minúscula de entre el ruido.

Paso a paso

Un temblor sin memoria

Un ruido aleatorio es una señal que no se puede predecir: aunque conozcas todas las muestras anteriores, no sabes cuál va a venir ahora. Lo que sí se mantiene es su carácter, como lo fuerte que suena o cómo se reparte entre graves y agudos, y por eso dos trozos distintos de un mismo ruido suenan igual aunque no se parezcan en nada.

El más sencillo es el ruido blanco, en el que cada muestra no tiene nada que ver con la anterior, como una tirada de dados. Se llama blanco por la luz: la luz blanca lleva todos los colores en la misma cantidad, y el ruido blanco lleva la misma potencia en cada hercio. El movimiento al azar de los electrones de un circuito produce ruido blanco, igual que el agua de la ducha al caer sobre el plato, y suena como la estática de una radio.

Los otros dos tienen más potencia en los graves: el ruido rosa puede recordar a la lluvia, y el ruido marrón, a una cascada. Qué los distingue exactamente es el tema de los pasos que vienen, pero ya se pueden oír.

Escucha los tres ruidos y di cuál es el blanco, cuál el rosa y cuál el marrón. Los tres suenan igual de fuerte: solo cambia cómo reparten su potencia entre graves y agudos.

Si no puedes escuchar, «Ver los espectros» dibuja el de cada ruido: el blanco es el más plano, y cuanto más cae un espectro hacia los agudos, más grave suena ese ruido.

El ruido que resultó ser el universo

Todo conductor, por el hecho de estar a una temperatura, tiene electrones que se agitan al azar, y esa agitación produce un ruido térmico. Lo midió J. B. Johnson y lo explicó H. Nyquist, los dos en 1928. Es prácticamente blanco en las bandas de radio y de audio, y su potencia crece con la temperatura, de modo que los radioastrónomos describen el ruido de una antena con una temperatura de ruido: la temperatura, en kelvin (grados sobre el cero absoluto), a la que tendría que estar una resistencia para producir el mismo ruido.

Entre julio de 1964 y abril de 1965, Arno Penzias y Robert Wilson, de los Laboratorios Bell, midieron el ruido de una antena de bocina de unos 6 metros, en Holmdel (Nueva Jersey), a 4.080 MHz. Al apuntar hacia arriba, la temperatura de ruido total era de 6,7 K. Sabían explicar 2,3 K de la atmósfera, 0,8 K de las pérdidas de la propia antena y menos de 0,1 K de los lóbulos traseros, y todavía sobraban unos 3,5 K, iguales en todas direcciones y en todas las estaciones del año.

El exceso no subía al apuntar hacia Nueva York ni hacia el horizonte y no encajaba con las fuentes de radio conocidas, que tienen otro espectro, así que sospecharon de la antena. Dentro de la bocina anidaba una pareja de palomas que lo había cubierto todo, según contó Wilson, de «un material blanco familiar para cualquiera que viva en una ciudad». Las desalojaron y limpiaron, y la temperatura apenas bajó. En la primavera de 1965 volvieron a limpiar a fondo y taparon con cinta de aluminio las juntas remachadas, y el exceso tampoco bajó.

La explicación llegó por una conversación con Bernard Burke, del MIT, que les habló del trabajo de Peebles en el grupo de Dicke, en Princeton. Se publicaron juntas dos cartas en The Astrophysical Journal: la medida, de Penzias y Wilson, y su interpretación, de Dicke, Peebles, Roll y Wilkinson, porque Penzias y Wilson dejaron la cosmología fuera de la suya a propósito. Aquel exceso era el fondo cósmico de microondas, el resplandor que quedó del universo joven, y les valió la mitad del Nobel de Física de 1978. Hoy se conoce su temperatura con mucha más precisión: 2,72548 K.

Hazte radioastrónomo: ¿cuántos kelvin de ruido le sobran a la antena una vez descontado todo lo que sabían explicar? Escribe el resultado.

El color es la forma del espectro

Para ver el color de un ruido hay que mirar su espectro. El de un ruido no tiene picos como el de una nota: es una curva continua que dice cuánta potencia hay en cada hercio, y por eso se llama densidad espectral de potencia. Si la dibujas en decibelios y con la frecuencia en escala de octavas, donde cada marca es el doble de la anterior, los colores del ruido son rectas. Una octava es el salto de 500 a 1.000 Hz, por ejemplo, como entre dos notas iguales del piano, una grave y otra aguda.

El ruido blanco es una recta plana: la misma potencia en cada hercio. El rosa baja 3 decibelios cada vez que se dobla la frecuencia, y el marrón baja 6. Los otros dos colores son sus espejos: los ruidos azul y violeta suben 3 y 6 decibelios por octava, y por eso tienen más agudos que graves.

El nombre del marrón no viene de ningún color, sino de Robert Brown, un botánico que en 1827 estudió el temblor al azar de partículas de polen en el agua. Ese temblor, un paso al azar tras otro, es la receta del ruido marrón: cada muestra es la anterior más un pequeño paso al azar, de modo que la señal deambula en lugar de saltar sin memoria, como hace el blanco. Cuanto más cae el espectro hacia los agudos, más despacio cambia la señal, y por eso el marrón se dibuja como colinas lentas y el blanco, como un hormigueo.

Este ruido misterioso tiene un color. Inclina la recta púrpura, arrastrándola sobre el dibujo o con el deslizador, hasta que siga la caída de su espectro ámbar.

Por qué el blanco sisea

Que el ruido blanco reparta la misma potencia en cada hercio no significa que lo oigas igual de grave que de agudo, y la razón está en cómo se cuentan las frecuencias. Una banda de octava es la franja entre una frecuencia y su doble, y cada octava hacia arriba contiene el doble de hercios que la anterior: de 125 a 250 Hz hay 125 hercios, de 250 a 500 hay 250, y de 4.000 a 8.000 hay 4.000. Con la misma potencia en cada hercio, cada octava lleva el doble de energía que la de abajo, que son 3 decibelios más.

El oído cuenta las notas en octavas, y por eso el ruido blanco suena a siseo, con la mitad de su energía en la última octava. El ruido rosa corrige ese reparto: su espectro baja 3 decibelios cada vez que sube una octava, justo lo que compensa el doble de hercios, y así cada octava lleva la misma energía. Por eso suena equilibrado. El marrón baja el doble, con la mitad de energía en cada octava que en la anterior, y suena grave.

Para convertir un blanco en rosa basta un ecualizador como el de la lección 6: hay que bajar cada octava 3 decibelios más que la anterior. Y para convertirlo en marrón sirve un filtro que se alimenta de su propia salida, como los de la lección 8: si cada muestra de salida es la anterior más la muestra que entra, el resultado es un paseo aleatorio.

Esto es ruido blanco repartido en seis octavas, y cada barra es la energía de una. Arrastra la parte de arriba de cada barra hasta que todas las octavas lleven la misma energía, como en el ruido rosa.

Un solo trozo no basta

Si calculas el espectro de un trozo de ruido, no te sale la recta limpia de los dibujos anteriores, sino una curva peluda que oscila unos 5,6 decibelios de un punto al siguiente. Esa curva se llama periodograma, y es peluda porque el trozo es solo una muestra de un ruido que cada vez sale distinto.

Lo que cuesta creer es que un trozo más largo no lo arregla: da más resolución, es decir, más puntos y más juntos, pero cada punto sigue saltando lo mismo. La salida es cortar la señal en muchos trozos, multiplicar cada uno por una ventana de Hann, como en la lección 5, calcular el espectro de cada trozo y promediarlos. Es el método de Welch, y el temblor baja con la raíz cuadrada del número de trozos: con unos cien, que es lo habitual, queda en torno a medio decibelio.

El precio es el del afinador de la lección 5. Para tener muchos trozos, cada uno tiene que ser corto, y un trozo corto distingue mal dos frecuencias cercanas. Más trozos dan un espectro más liso pero más borroso, y menos trozos, uno más fino pero más peludo, de modo que hay que elegir el punto medio según lo que se quiera ver.

En esta señal hay ruido blanco y dos tonos, de 1.000 y 1.060 Hz. Elige la longitud de cada trozo con la que se ven separados los dos picos y el suelo de ruido queda liso.

En el primer dibujo, la línea púrpura marca 3 dB por debajo del pico más bajo: el valle entre los dos picos tiene que caer por debajo de ella. En el segundo, la franja púrpura son ±1 dB alrededor del nivel medio: el suelo está liso cuando casi toda la curva cabe dentro.

Promediar para encontrar lo escondido

Un ruido molesta en la medida en que tapa lo que quieres medir, y esa medida se llama relación señal-ruido: cuántas veces más potencia tiene la señal que el ruido, normalmente en decibelios. Con 10 dB, la señal tiene diez veces más potencia, que son unas 3,2 veces más amplitud; con 0 dB, las dos tienen la misma, y con valores negativos gana el ruido.

Hay señales que nacen muy por debajo del ruido. Cuando a un recién nacido le suena un clic, su tronco cerebral responde con una señal eléctrica de menos de medio microvoltio, un potencial evocado, enterrada en un ruido eléctrico mucho mayor: de unos 2 µV si el bebé duerme y de más de 20 µV si se mueve. Esta prueba, los potenciales evocados auditivos de tronco cerebral, es una de las que se usan en el cribado auditivo de los recién nacidos en España. Una sola medida no sirve, pero la respuesta llega siempre igual y en el mismo instante tras el clic, y el ruido no.

Con el promediado sincronizado, que suma cientos de repeticiones alineadas con el clic, la respuesta se suma y el ruido, que unas veces va hacia arriba y otras hacia abajo, se compensa a medias. El ruido que queda baja con la raíz cuadrada del número de repeticiones: con 100, queda en la décima parte, y con 10.000, en la centésima. Para dividirlo por diez hacen falta cien veces más repeticiones, y por eso la prueba se hace con el bebé dormido: despierto y moviéndose, el ruido es diez veces mayor y harían falta cien veces más.

La respuesta del cerebro de un bebé a un clic está enterrada en el ruido. Suma barridos hasta que la respuesta sea tres veces mayor que el ruido que queda.

En tu voz

Qué grabar. El tramo 1 de la grabación de referencia: el silencio de tu habitación, unos 10 segundos con el móvil quieto, sin hablar ni moverte. Graba con el micrófono si tu navegador lo deja; si no, sube un audio grabado con el móvil o prueba con el ejemplo sintético.

Qué mirar. El silencio no es cero: tiene un espectro con forma. El laboratorio calcula el de un solo trozo, que sale peludo, y el de todos los trozos promediados, que sale liso, y mide la inclinación entre 200 y 4.000 Hz para decirte a qué color se parece tu habitación. Los graves de una nevera, un ventilador o el tráfico inclinan el espectro hacia el rosa o el marrón, mientras que el ruido eléctrico del propio micrófono tiende a ser plano, como el blanco. También puede asomar el zumbido de la red eléctrica, de 50 Hz en Europa, como en la lección 1, con sus múltiplos.

Hay tres precauciones. Los micrófonos de los móviles están pensados para la voz, más o menos entre 200 y 5.000 Hz según la documentación de phyphox, y fuera de ese rango la inclinación no es fiable; de ahí que el ajuste se haga entre 200 y 4.000 Hz. Un audio comprimido, como un MP3 o un mensaje de voz, puede alterar lo más débil, así que el color de un silencio comprimido no es del todo de fiar. Y un golpe o una tos dominan la media, por lo que el laboratorio descarta los trozos con mucha más energía que el resto.

Lo que tienes que recordar

  1. Un ruido aleatorio no se puede predecir, pero sí medir, y lo que tiene color es la forma de su espectro: el blanco reparte la misma potencia en cada hercio, el rosa la misma energía en cada octava, con una caída de 3 dB por octava, y el marrón es un paseo aleatorio que cae 6.
  2. El espectro de un solo trozo de ruido sale peludo, y un trozo más largo no lo arregla. Hay que cortar en trozos con ventana y promediar, el método de Welch, a cambio de perder resolución.
  3. Promediar repeticiones alineadas deja la señal y rebaja el ruido con la raíz cuadrada de su número: para dividirlo por diez hacen falta cien veces más repeticiones. Así aparece la respuesta del cerebro de un recién nacido a un clic.

Errores típicos

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Rincón matemático

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

La relación señal-ruido

Se compara la potencia de la señal con la del ruido y se da en decibelios. Con amplitudes eficaces, el factor es 20 en lugar de 10 porque la potencia va con el cuadrado de la amplitud:

\mathrm{SNR}_{\mathrm{dB}} = 10\,\log_{10}\frac{P_s}{P_n} = 20\,\log_{10}\frac{A_s}{A_n}

La densidad espectral de potencia

Dice cuánta potencia hay por hercio, y la potencia de una banda es el área bajo la curva entre sus dos frecuencias:

P_{[f_1,\,f_2]} = \int_{f_1}^{f_2} S(f)\,\mathrm{d}f

El ruido blanco

Un ruido es blanco cuando su densidad es constante, y eso equivale a que cada muestra no tenga nada que ver con las demás: su autocorrelación, de la lección 9, solo vale algo en el desfase cero. Con la varianza \sigma^2 y la delta de Kronecker \delta:

S(f) = \text{constante} \quad\Longleftrightarrow\quad r[\ell] = \sigma^2\,\delta[\ell]

Los colores como potencias de la frecuencia

La densidad de los ruidos de color cae como una potencia de la frecuencia. En decibelios por octava, la pendiente vale menos diez veces \beta por el logaritmo de 2: cero para el blanco (\beta = 0), -3{,}01 para el rosa (\beta = 1), -6{,}02 para el marrón (\beta = 2), y +3{,}01 y +6{,}02 para el azul y el violeta (\beta = -1 y \beta = -2):

S(f) = \frac{C}{f^{\beta}}, \qquad \text{pendiente} = -10\,\beta\,\log_{10}2 \approx -3{,}01\,\beta \ \text{dB por octava}

La energía de una octava

La energía de una octava es el área bajo la densidad entre una frecuencia f y su doble. En el blanco crece con f (se duplica por octava), en el rosa es siempre la misma y en el marrón se reduce a la mitad por octava:

\int_{f}^{2f} \frac{C}{x^{\beta}}\,\mathrm{d}x = \begin{cases} C\,f & \beta = 0 \\ C\,\ln 2 & \beta = 1 \\ \dfrac{C}{2f} & \beta = 2 \end{cases}

El paseo aleatorio

En el ruido marrón, cada muestra es la anterior más un paso al azar w[n]. Lejos de la mitad de la frecuencia de muestreo, su densidad cae como el inverso del cuadrado de la frecuencia:

y[n] = y[n-1] + w[n] \;\Longrightarrow\; S_y(f) = \frac{\sigma^2}{4\,\sin^2(\pi f/f_s)} \approx \frac{\sigma^2 f_s^2}{4\pi^2 f^2} \quad (f \ll f_s)

Promediar repeticiones

Si cada repetición es la misma señal s más un ruido distinto de desviación \sigma, el promedio conserva s y divide el ruido por la raíz de N. La relación señal-ruido en potencia mejora N veces, que son 10\,\log_{10} N decibelios:

\bar{x}[n] = s[n] + \frac{1}{N}\sum_{k=1}^{N} w_k[n], \qquad \sigma_{\bar{x}} = \frac{\sigma}{\sqrt{N}}

El periodograma

Es el espectro de un solo trozo, con su ventana w[n]. Para ruido gaussiano, cada valor fluctúa tanto como su propia media (sigue una exponencial), y eso no mejora con la longitud del trozo: son unos 5,6 dB de desviación.

P(f) = \frac{1}{f_s \sum_n w[n]^2}\,\Big|\sum_{n} w[n]\,x[n]\,e^{-j2\pi f n/f_s}\Big|^2

El método de Welch

Promedia K periodogramas de trozos con ventana. La desviación relativa baja como uno entre la raíz de K y, en decibelios, queda en unos 4,34 entre la raíz de K:

\hat{S}_W(f) = \frac{1}{K}\sum_{k=1}^{K} P_k(f), \qquad \sigma_{\mathrm{dB}} \approx \frac{10}{\ln 10}\cdot\frac{1}{\sqrt{K}} \approx \frac{4{,}34}{\sqrt{K}}

El ruido térmico y la temperatura de ruido

Un conductor a la temperatura T da una potencia de ruido proporcional a T y al ancho de banda B, con la constante de Boltzmann k. Por eso un ruido se puede medir como una temperatura. A 290 K, kT vale unos 4{,}0\cdot 10^{-21} vatios por hercio, que son unos -174 dBm por hercio:

P = k\,T\,B, \qquad kT\big|_{290\,\mathrm{K}} \approx 4{,}0\cdot 10^{-21}\ \mathrm{W/Hz} \approx -174\ \mathrm{dBm/Hz}, \qquad T_A = \frac{P}{k\,B}

Las cuentas de Penzias y Wilson

Lo que sobra es lo que queda al restar del total medido las contribuciones conocidas:

T_{\text{exceso}} = 6{,}7 - 2{,}3 - 0{,}8 - 0{,}1 \approx 3{,}5\ \mathrm{K}

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