1 tema 1 introduccion al procesamiento digital de señales

TEMA 1
INTRODUCCION AL PROCESAMIENTO
DIGITAL DE SEÑALES
CURSO 2010/2011
OBJETIVOS y BIBLIOGRAFIA
¾ El objetivo fundamental de este tema es proporcionar una
visión panorámica del Procesamiento Digital de Señales,
conocer sus ventajas y desventajas frente al Procesamiento
Analógico y describir algunas de las características más
importantes de los sistemas DSP.
¾ BIBLIOGRAFIA:
“DSP Processor Fundamentals “
Autor: Phil Lapsley
Editorial: IEEE Press
1
INTRODUCCION AL PROCESAMIENTO
DIGITAL DE SEÑALES
1. ¿Qué es un Sistema DSP?
2. Ventajas del Procesamiento Digital de Señales frente al
Procesamiento Analógico
3. Limitaciones del Procesamiento Digital
4. Parámetros Característicos de los Sistemas DSP
5. Aplicaciones de los Sistemas DSP
¿QUE ES UN SISTEMA DSP?
¾ Podemos definir un Sistema DSP como un Sistema Electró
Electrónico
dedicado al Procesamiento Digital de Señ
Señales,
ales entendiendo por
Procesamiento Digital de Señales: LA APLICACION DE
OPERACIONES MATEMATICAS A SEÑALES REPRESENTADAS
DIGITALMENTE, ES DECIR COMO SECUENCIAS DE MUESTRAS.
¾ El Procesamiento Digital de Señales se basa en el hecho de que
cualquier señal del mundo real (voz, música, video, velocidad de
un motor) puede ser representada por muestras de la señal
tomadas a intervalos periódicos. Estas muestras pueden ser
convertidas en números y estos números expresados en código
binario.
2
¿QUE ES UN SISTEMA DSP?
¾ La estructura de un Sistema DSP es la siguiente:
0110
1010
FILTRO
ADC
1101
0110
DSP
1010
1001
DAC
FILTRO
¾ Las muestras se obtienen de señales físicas, por ejemplo audio,
mediante un transductor (micrófono) y son acondicionadas y
posteriormente convertidas a formato digital mediante convertidores
A/D.
¾ Después del procesamiento matemático las señales digitales
previamente acondicionadas deben ser nuevamente convertidas a
señales analógicas a través de los convertidores D/A.
LA CONVERSION A/D: EL PRIMER PASO
¾ Generalmente la señal analógica se obtiene de un sensor o transductor
de la magnitud a medir, el cual proporciona una señal eléctrica cuyo
valor esta comprendido entre un mínimo y un máximo, pudiendo
admitir infinitos valores intermedios.
¾ En el proceso de digitalización hay dos factores predominantes que
sirven para discretizar la frecuencia y la amplitud de la señal: la
frecuencia a la que se deben capturar las muestras y el número de bits
que compone el valor digital de las muestras.
3
LA CONVERSION A/D: EL PRIMER PASO
¾ El esquema clásico de digitalización de una señal analógica
procedente de un transductor consta inicialmente de un conmutador
electrónico que se cierra cada período de tiempo t y captura una
muestra que la aplica al condensador C, el cual se carga y mantiene
su carga mientras el conversor A/D realiza su transformación a un
valor binario equivalente.
EJEMPLO: SISTEMA DSP
REPRODUCTOR DE MP3
La señal de audio que se obtiene a través del micrófono se convierte
en una señal digital a través del convertidor A/D y se tranfiere al DSP.
El DSP realiza la codificación en formato MP3 y guarda el fichero en
memoria.
Durante la fase de reproducción el DSP lee el fichero de memoria, lo
decodifica y lo envia al convertidor D/A para convertirlo de nuevo en
una señal analógica.
Generalmente el DSP realiza además otras funciones como el control
del volumen, equalización e interfase con el usuario.
4
VENTAJAS DEL PROCESAMIENTO DIGITAL
¾ Tradicionalmente la manipulación de señales del mundo real se ha
venido realizando con componentes analógicos: primeramente con
circuitos basados en válvulas de vacio, posteriormente con circuitos
con transistores y después con amplificadores operacionales.
¾ Desde la aparición de los primeros Procesadores Digitales de Señal
en el mercado esto ha cambiado debido a las numerosas ventajas
del Procesamiento Digital frente al Procesamiento Analógico:
¾ La ventaja más importante es que permiten realizar, de forma
económica, tareas que serían muy difíciles de realizar o incluso
imposibles utilizando sistemas electrónicos analógicos.
¾ Por ejemplo: reconocimiento de voz, síntesis de voz, etc. Tareas que
se caracterizan porque requieren una combinación de técnicas de
procesamiento de señal y técnicas de control (tomar decisiones en
función de los datos muestreados), lo cual es extremadamente difícil
de implementar con componentes analógicos.
VENTAJAS DEL PROCESAMIENTO DIGITAL
„ Otras ventajas inherentes a los Sistemas Digitales frente a los
sistemas analógicos:
9 Insensibilidad ante variaciones de las condiciones ambientales. El
comportamiento de los circuitos analógicos es fuertemente
dependiente de su temperatura.
9 Insensibilidad ante las tolerancias de los componentes. Los
componentes analógicos se fabrican con determinadas tolerancias y
su respuesta depende de los valores reales que tengan los
componentes usados.
„ La combinación de las dos ventajas anteriores da lugar a una ventaja
adicional:
9 Comportamiento Predecible y Repetible: puesto que la respuesta de
los sitemas DSP no varía con las condiciones ambientales ni con las
variaciones de los componentes, es posible fabricar sistemas que
tengan idénticas respuestas y que éstas no varíen a lo largo de la vida
del sistema
5
VENTAJAS DEL PROCESAMIENTO DIGITAL
„ Finalmente los sistemas DSP tienen otras dos ventajas sobre los
sistemas analógicos:
9 Reprogramabilidad: puesto que los Sistemas DSP están basados en
procesadores programables, pueden ser programados para realizar
otras tareas. Por el contrario los Sistemas Analógicos requieren
físicamente componentes diferentes para realizar tareas diferentes.
9 Tamaño: el tamaño de los componentes analógicos varía con sus
valores. Por ejemplo un condensador de 100 microfaradios utilizado
en un filtro es de mayor tamaño que un condensador de 10
picofaradios utilizado en un filtro distinto. Por el contrario en un
Sistema DSP ambos filtros tendrían el mismo tamaño, utilizarían
probablemente
los
mismos
componentes,
diferenciándose
únicamente en los coeficientes del filtro. Además el sistema DSP
sería de menor tamaño que los dos sistemas analógicos.
LIMITACIONES DEL PROCESAMIENTO
DIGITAL
¾ Rango Dinámico Limitado: la amplitud del rango dinámico disponible
vendrá fijado por el número de bits empleados para representar la
muestra. Esto da lugar a fenómenos de saturación o de truncado.
Como se deduce fácilmente, cuántos más bits tenga la muestra,
mayor será la precisión en los cálculos posteriores y disminuirán los
errores generados.
¾ Ancho de Banda Limitado por la Frecuencia de Muestreo: Para
obtener unos resultados aceptables, dicha frecuencia debe duplicar
como mínimo la frecuencia máxima contenida en la señal analógica
(Teorema de Shanon-Nyquist).
6
LIMITACIONES DEL PROCESAMIENTO
DIGITAL
¾ Error debido a la Cuantización: se entiende por cuantización el
proceso de representar una muestra analógica por el entero más
próximo que según la escala le corresponde y que lógicamente
corresponderá al nivel de la señal más próximo.
9 Este proceso necesariamente introduce un error, diferencia entre
el valor real y el valor muestreado de la señal. Cuanto mayor sea
el número de bits utilizado para representar la muestra
(resolución), menor será este error.
9 Este fenómeno da lugar a una degradación de la señal como
consecuencia de la pérdida de información inherente a la
representación de una señal analógica mediante una muestra
digital con un número finito de valores.
PARAMETROS CARACTERISTICOS DE LOS
SISTEMAS DSP
¾ TIPO DE ALGORITMOS: Los algoritmos especifican las operaciones
aritméticas que se van a realizar. Aplicaciones con cálculo intensivo:
Codificación y decodificación de la voz, reconocimiento de voz,
síntesis de voz, encriptación de datos, compresión y descompresión
de imágenes.
¾ FRECUENCIA DE MUESTREO: característica clave de un sistema
DSP, consiste en la velocidad a la cual las muestras son recogidas,
procesadas y devueltas.
¾ TIPO DE ARITMETICA: la representación numérica de los datos y el
tipo de aritmética empleado tiene una gran influencia en el
comportamiento y las prestaciones del sistema DSP. La elección más
importante para el diseñador es entre aritmética en coma fija y
aritmética en coma flotante.
7
APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DSP
¾ ELECTRONICA DE CONSUMO:TV/Audio digital, sintetizador digital,
cámaras digitales, juegos, detectores de radar.
¾ INSTRUMENTACION Y CONTROL: Filtros digitales, análisis de
espectros, control de discos, control de impresoras, control de
robots, control de motores.
¾ AUTOMOCION: Control de airbag, control de la velocidad de crucero,
suspensión activa, posicionamiento en navegación.
¾ AUDIO/VIDEO: Visión de robots, reconocimiento de patrones,
compresión/descompresión, reconocimiento de voz, síntesis de voz.
¾ TELECOMUNICACIONES: Cancelación de eco, módem, encriptación
de
datos,
teléfonos
celulares,
teléfonos
inalámbricos,
videoconferencia.
¾ APLICACIONES INDUSTRIALES Y MILITARES: Control numérico,
seguridad de acceso y comunicación, sonar, radar, guía de misiles.
APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DSP
Aplicaciones
Algoritmos
Audio profesional y aplicaciones industriales
Cancelación de ruido
Equipos musicales de audio
Ecualización de audio
Telefonía móvil digital/TVdigital
Modulación/Demodulación
PC multimedia y robótica
Síntesis del habla
Robótica, telefonía móvil
Reconocimiento del habla
Telefonía móvil, seguridad en comunicaciones
Codificación/Decodificación de voz
Encriptación/Desencriptación de la voz
Seguridad, multimedia, robótica
Visión artificial
Fotografía y video digital, PC multimedia
Compresión/Descompresión de
imágenes
Módems y conmutación telefónica
Cancelación de eco
Radar, sonar, audio
Estimación espectral
8