CAPITULO I PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES PORTAL DE DESARROLLO

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Elisa Miguélez Lara
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2 4 CAPIITULO II PROCESSAMIIENTO DIIGIITAL DE SSEÑALESS PORTAL DE DESSARROLLO Cotidianamente escuchamos la frase mundo digital, pero hasta donde estamos concientes de esta realidad que vivimos. Hasta hace algunas décadas el mundo había subsistido con sistemas que implementaban tecnología análoga para el desarrollo de aplicaciones. Sin embargo con la aparición del microprocesador la electrónica y el mundo entero toman un nuevo enfoque; explorando las bondades y efectividad de la implementación de procesos digitales, dejando su perspectiva de desarrollo de tecnologías análogas sólo para ciertas aplicaciones. Con la implementación de esta nueva tecnología nace la necesidad de encontrar nuevas herramientas que realicen con alta efectividad estos procesos. Como la señal tomada como entrada de nuestros sistemas ya no es del tipo continua (en función del tiempo) sino de tipo discreta, muchas de las herramientas matemáticas como de implementación de procesos quedaron obsoletas o con la necesidad de un reajuste para adaptarse a la nueva tecnología. Ha este conjunto de nuevas y renovadas herramientas teóricas prácticas se les conoce como Procesamiento Digital de Señales o DSP(digital signal processing) por

Sin embargo con la aparición del microprocesador la electrónica y el mundo entero toman un nuevo enfoque; explorando las bondades y efectividad de la implementación de procesos digitales, dejando su

3 5 sus siglas en inglés. Este capitulo tiene como fin exponer los aspectos más relevantes de esta tecnología y algunos de los procesos que ya implementan estas herramientas en todo tipo de labores. 1.1 CONCEPTOS GENERALES DE DSP Hemos identificado como DSP a aquella tecnología que se basa en los sistemas digitales para el procesamiento masivo de información, ya sea de formato digital o análoga. Pero, qué diferencia estos sistemas del resto de sistemas digitales implementados hasta la fecha para que se consideren una nueva categoría de tecnología?. Esta pregunta tiene varias respuestas que hacen a los DSP atractivos a la implementación masiva y práctica. Los DSP son sistemas que están predispuesto a tener que trabajar con señales de carácter análogo, por tanto al momento de transformación de la señal a formato digital todo se realiza en el mismo juego de componentes. Los DSP poseen también diversas soluciones vía hardware y/o software para el ahorro de instrucciones de trabajo, variable de gran trascendencia al momento de tratar una señal muestreada. Estas herramientas hacen que los DSP se impongan muchas veces a la construcción de un dispositivo especializado sólo para ese proceso en particular. Observamos pues que la ventaja principal de este sistema es el ser diseñado con la predisposición de trabajar con la mayor cantidad de contratiempos posibles y en una determinada cantidad de tiempo. Por tanto se dota al equipo de la mayor cantidad de herramientas de trabajo que estén planificadas a utilizar, según la aplicación a la cuál este diseñado(audio, video, telemetría, etc.).

Pero, qué diferencia estos sistemas del resto de sistemas digitales implementados hasta la fecha para que se consideren una nueva categoría de tecnología?

4 6 Este proceso de confección por aplicación, de equipo DSP, hace que se facilite su producción y demanda en masa. Lo cual hace al sistema más económico que los ajustado a las necesidades de un diseño en particular. Otro factor de importancia en el avance de técnicas DSP es el desarrollo teórico que ha acompañado al conocimiento práctico para la implementación de sistemas. Esto permite al diseñador de sistemas DSP ubicar rápidamente el problema en una categoría predefinida. En estas categorías ya han sido desarrollados sistemas con características similares, lo cuál permite obtener con mayor rapidez la implementación del proceso a controlar. 1.2 CRITERIOS DE IMPLEMENTACIÓN DE PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES Al momento de elaborar un sistema para tratar las señales de entrada, a fin de obtener un determinado efecto en la salida, nos topamos con una decisión trascendental. Implementar el sistema con las técnicas DSP o utilizar los patrones tradicionales de procesamiento de señales análogas. Con las líneas antes enunciadas pareciera inclinar la balanza hacia el procesamiento DSP; sin embargo, en ciertas aplicaciones resulta aún conveniente el procesado de señales de la forma tradicional. Por ejemplo, si un proceso de filtrado implica poca precisión y bajos rangos de frecuencia de operación un sistema análogo podrá ser una opción indicada para la solución del proceso; debido a su rápida implementación y bajo costo de obtención. Si se requiera que el sistema de filtraje sea de mayor precisión, o que las frecuencias de operación del sistema sean altas, lo más probable es que un filtro digital desempeñe una mejor función.

Otro factor de importancia en el avance de técnicas DSP es el desarrollo teórico que ha acompañado al conocimiento práctico para la implementación de sistemas.

5 7 Como parámetros generales de selección de procesos digitales en lugar de análogos podemos mencionar: Altas frecuencias de operación, siempre y cuando el teorema de Nyquist permita la debida operación del sistema. Elevada precisión. Por lo general los sistemas digitales tienen una mayor exactitud que los sistemas implementados bajo procesos análogos. Acoplamiento múltiple de sistemas. Los estándares de productos digitales tienen mejor respuesta a la operación en conjunto con otros equipos de su misma especie, que los sistemas análogos. Necesidad de expansión. Es conocida ya que generalmente los equipos digitales vienen con la versatilidad de expandirse para llevar su labor mas eficientemente. Ajuste dinámico del sistema. Los equipos digitales brindan una mayor flexibilidad al ajuste de las rutinas de trabajo, que los equipos análogos. Procesos inherentemente digitales. Cuando un sistema digital produce una salida digital y esta requiere ser tratada se impone mantener la señal en su estado natural. Aunque estos parámetros no dictan una ley a seguir, nos sirven de punto de partida para una decisión final. Queda a criterio del diseñador del sistema que tipo de proceso elaborará, según sus necesidades y factibilidad económica. 1.3 SISTEMAS BASADOS EN EL PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES Actualmente existe una gran diversidad de dispositivos que implementan tecnología DSP en diversos campos. La siguiente tabla describe algunos de estos campos en los cuales la implementación DSP ha sido exitosa.

Los estándares de productos digitales tienen mejor respuesta a la operación en conjunto con otros equipos de su misma especie, que los sistemas análogos. Necesidad de expansión.

6 8 Areas de Desarrollo Audio Industria Automotriz Computadoras Comunicaciones Medicina Militar Imagen y vídeo Sistemas eléctricos de potencia Procesos implementados Ecualizadores Gráficos; Analizadores de espectro; compresión de audio (MiniDisc); Discos compactos; Efectos acústicos; Sistema de teatro casero (THX); Reducción de ruido (Dolby); etc. Frenos antibloqueo; bolsas de aire; supresión de ruido activo; control de mezcla de combustibles; etc. MODEMs; tarjetas de sonido; tarjetas de video; sintetización y reconocimiento de voz; etc. Compresión de voz; eliminación de eco; ecualización adaptativa; multiplexión de canales; modulaciones digitales; etc. Eliminación de ruido en ECG, EEG, VCG, EMG; análisis fisiológicos; mejoramiento de imágenes, CT, MR, X-RAY; etc. Guía de misiles; GPS; Detección de agentes químicos; Radar; Sonar; Visión Nocturna; etc. Compresión de Imágenes; Restauración de imágenes; Creación de efectos visuales; etc. Detección de fallas; Supresores de Armónicos; Mejoramiento del factor de potencia; etc. Tabla 1. Aplicaciones de DSP en diferentes campos Algunos equipos que se encuentran en el mercado con técnicas DSP se muestran a continuación. Fig. 1 Osciloscopios Digitales Tektronix, de banca y portátil, que utilizan tecnología DSP

Frenos antibloqueo; bolsas de aire; supresión de ruido activo; control de mezcla de combustibles; etc. MODEMs; tarjetas de sonido; tarjetas de video; sintetización y reconocimiento de voz; etc.

7 9 Fig. 2 Equipo PXI de instrumentación, fabricado por National Instruments, utilizado en un proceso de automatización. El captador de datos implementa técnicas de DSP Fig. 3 Medidores de parámetros de transmisión para equipos de televisión(tg200 y WFM 601A/E) marca Tektronix, que implementan DSP

8 10 En la actualidad el mercado se encuentra abarrotado con cientos de dispositivos que implementan esta tecnología, y aunque conocedores del tema esperaban que en 10 años casi todos los sistemas fueran de tecnología DSP, a mi opinión esto ocurrirá aún más pronto de lo esperado. 1.4 IMPLEMENTACIÓN DE DSP EN PROCESOS ACUSTICOS Una de las aplicaciones más conocidas de la tecnología DSP es el manipular el sonido con la finalidad de enriquecer la reproducción musical. Los algoritmos de este tipo de sistemas son relativamente sencillos y de fácil construcción. Por este motivo se opto por desarrollar un proceso basado en estos sistemas como proyecto de grado. Básicamente las señales de fuentes sonoras provienen de algún equipo reproductor, luego pasa a través del procesador de sonido adecuado y como resultado final se obtienen efectos tales como: compensación de la señal, coro, amplificación, etc. El modelaje de estos procesos los discutiremos con mayor detenimiento en la capitulo 4. Fuente de sonido: radio, reproductor de CD, canal de grabación, instrumento musical, teclado, generador de tonos, procesador de efectos Efectos de audio incorporados con DSP Equipo reproductor de sonido: amplificadores, bocinas, mezcladores, o procesador de fectos Fig. 4 Diagrama de bloques de la implementación de efectos de sonido con DSP En estos procesos las entradas pueden ser cualquier equipo reproductor de audio. Luego se prepara el sistema DSP para el efecto deseado, para finalmente colocar en los equipos de salida la señal ya procesada. Generalmente en estos equipos la señal se

4 IMPLEMENTACIÓN DE DSP EN PROCESOS ACUSTICOS Una de las aplicaciones más conocidas de la tecnología DSP es el manipular el sonido con la finalidad de enriquecer la reproducción musical.

9 11 muestra a 44.1kHz, que es suficiente para evitar efectos de aliasing de la señal de audio y permite un número máximo de instrucciones del sistema. El proceso seleccionado para la implementación práctica de los procesos DSP es un compensador selectivo de componentes del sonido o popularmente conocido como ecualizador. Los próximos capítulos del trabajo tratan de manera general los procesos DSP, pero se le brinda una especial atención a los procesos acústicos.

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