TEMA 1 INTRODUCCION AL PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES

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1 TEMA 1 INTRODUCCION AL PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES CURSO 2010/2011 OBJETIVOS y BIBLIOGRAFIA 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. BIBLIOGRAFIA: DSP Processor Fundamentals Autor: Phil Lapsley Editorial: IEEE Press 1

2 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? Podemos definir un Sistema DSP como un Sistema Electrónico dedicado al Procesamiento Digital de Señales ales, entendiendo por Procesamiento Digital de Señales: LA APLICACION DE OPERACIONES MATEMATICAS A SEÑALES REPRESENTADAS DIGITALMENTE, ES DECIR COMO SECUENCIAS DE MUESTRAS. 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

3 QUE ES UN SISTEMA DSP? La estructura de un Sistema DSP es la siguiente: FILTRO ADC DSP 1010 DAC FILTRO 1001 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. 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 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. 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

4 LA CONVERSION A/D: EL PRIMER PASO 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

5 VENTAJAS DEL PROCESAMIENTO DIGITAL 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. 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: 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. 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: Insensibilidad ante variaciones de las condiciones ambientales. El comportamiento de los circuitos analógicos es fuertemente dependiente de su temperatura. 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: 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

6 VENTAJAS DEL PROCESAMIENTO DIGITAL Finalmente los sistemas DSP tienen otras dos ventajas sobre los sistemas analógicos: 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. 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 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. 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

7 LIMITACIONES DEL PROCESAMIENTO DIGITAL 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. 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. 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 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. FRECUENCIA DE MUESTREO: característica clave de un sistema DSP, consiste en la velocidad a la cual las muestras son recogidas, procesadas y devueltas. 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

8 APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DSP ELECTRONICA DE CONSUMO:TV/Audio digital, sintetizador digital, cámaras digitales, juegos, detectores de radar. INSTRUMENTACION Y CONTROL: Filtros digitales, análisis de espectros, control de discos, control de impresoras, control de robots, control de motores. AUTOMOCION: Control de airbag, control de la velocidad de crucero, suspensión activa, posicionamiento en navegación. AUDIO/VIDEO: Visión de robots, reconocimiento de patrones, compresión/descompresión, reconocimiento de voz, síntesis de voz. TELECOMUNICACIONES: Cancelación de eco, módem, encriptación de datos, teléfonos celulares, teléfonos inalámbricos, videoconferencia. APLICACIONES INDUSTRIALES Y MILITARES: Control numérico, seguridad de acceso y comunicación, sonar, radar, guía de misiles. APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DSP Aplicaciones Audio profesional y aplicaciones industriales Equipos musicales de audio Telefonía móvil digital/tvdigital PC multimedia y robótica Robótica, telefonía móvil Telefonía móvil, seguridad en comunicaciones Seguridad, multimedia, robótica Fotografía y video digital, PC multimedia Módems y conmutación telefónica Radar, sonar, audio Algoritmos Cancelación de ruido Ecualización de audio Modulación/Demodulación Síntesis del habla Reconocimiento del habla Codificación/Decodificación de voz Encriptación/Desencriptación de la voz Visión artificial Compresión/Descompresión de imágenes Cancelación de eco Estimación espectral 8

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