Procesadores digitales de señal (PDS) DSP: Digital Signal Processors (procesadores) DSP: Digital Signal Processing (técnicas matemáticas) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Inicios del PDS (1) Años 1960-70: Primeros computadores digitales Muy caros DSP limitada a unas pocas aplicaciones muy críticas Esfuerzos pioneros en: Radar y sonar: seguridad nacional Exploración petrolífera: posibilidad de obtener grandes cantidades de dinero Exploración del espacio: los datos son irreemplazables Imágenes médicas: para salvar vidas Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Inicios del PDS (2) Años 1980-90: La revolución de los computadores digitales: el PC Cada vez más baratos Grandes avances tecnológicos: chips DSP específicos DSP en productos comerciales para el gran público: Teléfonos móviles Reproductores de CDs Correo electrónico por voz Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Interdisciplinariedad Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Aplicaciones del PDS (1) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Ejemplos concretos (1) Sistema ABS de alta fiabilidad con controlador digital de señal Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Ejemplos concretos (2) Sistema de suspensión activa Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Ejemplos concretos (3) Sistema controlador de disco Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Características Los sistemas DSP suelen tener una serie de características comunes: Algoritmos: operaciones aritméticas Frecuencia de muestreo Frecuencia de reloj Tipos de datos aritméticos Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Algoritmos El algoritmo especifica la operación aritmética que debe realizar el DSP pero no cómo se debe implementar Velocidad/ precisión aritmética Software En un procesador ordinario DSP programable Hardware ASIC Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Algoritmos típicos (1) Codificación y decodificación de voz Teléfonos digitales celulares, sistemas de comunicación personal, teléfonos digitales inalámbricos, computadores multimedia, comunicaciones seguras Encriptación y desencriptación de voz Teléfonos digitales celulares, sistemas de comunicación personal, teléfonos digitales inalámbricos, comunicaciones seguras Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Algoritmos típicos (6) Composición de imágenes Computadores multimedia, video de consumo, interfaces de usuario avanzadas, navegación Formación de imágenes Navegación, imágenes médicas, radar/sonar, inteligencia de las señales Cancelación del eco Micrófonos, modems, conmutadores telefónicos Estimación espectral Inteligencia de las señales, radar/sonar, audio profesional, música Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Ejemplo: filtros digitales (1) Operación básica de procesado de señales Bloquear o dejar pasar determinadas frecuencias presentes en la señal Filtro más sencillo: promediador (tapped delay line) = filtro pasa-baja Ejemplo: promediador de 4 muestras Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Ejemplo: filtros digitales (2) Operaciones aritméticas: Sumas Multiplicaciones (1/4) Retardos (n, n-1, n-2, n-3) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Ejemplo: filtros digitales (3) En general: Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Ejemplo:correlación (1) Sirve para comparar dos señales en el dominio temporal Una desplazada con respecto a la otra Aplicación: radar, sonar Operaciones aritméticas: Sumas Multiplicaciones Desplazamientos (retardos) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Ejemplo:correlación (3) Aplicación: radar Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Ejemplo:correlación (4) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Ejemplo:correlación (5) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Ejemplo:autocorrelación (2) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Ejemplo:convolución (1) Similar a la correlación: Posible interpretación: filtro de coeficientes t[k] Operaciones aritméticas: Sumas Multiplicaciones Desplazamientos (retardos) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Ejemplo:convolución (2) Filtro FIR (Finite Impulse Response) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Ejemplo:convolución (3) Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Algoritmos: resumen (1) En la gran mayoría de los algoritmos típicos de PDS: Operaciones aritméticas: Sumas Multiplicaciones Desplazamientos (retardos) Denominadas MAC (multiply-accumulate) DSP: ruta de datos adecuada para MAC Multiplicación en un sólo ciclo Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Algoritmos: resumen (2) Multiplicación : generalmente, lenta Necesidad de acelerarla Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Algoritmos: implementación Diferencia esencial entre un DSP (procesador digital de señal específico) y un microprocesador o microcontrolador convencionales: El DSP diseñado específicamente para tareas de cálculo intensivas, repetitivas y de alto rendimiento Microprocesador: no especializado para una tarea concreta Microcontrolador: especializado para tareas de control Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Frecuencia de muestreo (1) Velocidad de muestreo: velocidad a la que las muestras son consumidas, procesadas o producidas Tiempo real La aplicación concreta condiciona la tecnología de implementación del algoritmo Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Frecuencia de muestreo (2) Dependiente de la aplicación: Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Frecuencia de muestreo (3) Restricciones de tiempo real duras Ejemplo: convertidor de CD a cinta magnética CD: 44,1 kHz Cinta magnética: 48 kHz Muestras del CD cada 22,7 ms Convertidor debe producir muestras a la salida cada 20,8 ms Si se pierde alguna muestra: señal de salida corrupta Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Frecuencia de reloj Importante: relación entre la frecuencia de reloj del DSP y la frecuencia de muestreo (f/fm) Determina la implementación: cantidad de hardware necesario para implementar en tiempo real un algoritmo de una determinada complejidad A menor razón f/fm, más hardware y más complejo Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Tipos de datos aritméticos Coma flotante versus coma fija Ancho de palabra: precisión Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04

Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04 Algunos DSP típicos Electrónica aplicada al tratamiento de datos 2003-04